基于數(shù)字孿生的龍門銑床虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)

張劍飛，張鐵良，姜永增

基于數(shù)字孿生的龍門銑床虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)

張劍飛1，2，張鐵良1，姜永增1

（1. 齊齊哈爾大學(xué) 計算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2. 黑龍江省智能制造裝備產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

隨著新一代人工智能和信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)正在向著智能制造轉(zhuǎn)變．?dāng)?shù)字孿生技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，能夠有效解決在制造業(yè)轉(zhuǎn)型中信息傳遞難這一問題．基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)的龍門銑虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)，在傳統(tǒng)虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對龍門銑加工過程的三維運動仿真，并引入可視化圖表，顯示龍門銑各軸的運動速度．使用SolidWorks軟件按照1∶1的比例對龍門銑進(jìn)行三維建模；將創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到3Ds MAX中為模型添加材質(zhì)，對模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；之后將模型導(dǎo)入到Unity中，在Unity中搭建加工車間場景；通過編寫的腳本完成對龍門銑加工過程的運動仿真，并且使用基于UGUI的Xcharts插件進(jìn)行可視化圖表的繪制．結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠?qū)堥T銑加工過程中各軸的運動狀態(tài)進(jìn)行模擬，并且能通過可視化圖表展示龍門銑各軸的實時速度，可以為同類系統(tǒng)的開發(fā)提供一定的技術(shù)支持和參考．

數(shù)字孿生；Unity3D；SolidWorks；3Ds MAX；虛擬仿真

隨著中國制造2025，德國工業(yè)4.0等先進(jìn)制造戰(zhàn)略的發(fā)布和實施，傳統(tǒng)工業(yè)正面臨著與信息技術(shù)相融合的重大挑戰(zhàn)．兩者融合的關(guān)鍵是物理世界和信息世界的信息交互，數(shù)字孿生正是解決這一問題的最佳方法．?dāng)?shù)字孿生的概念是由Grieves[1]提出，美國航天局首次使用數(shù)字孿生技術(shù)，用以判斷飛行器是否需要進(jìn)行維修和下次能否正常使用．在國外，Eric[2]等使用數(shù)字孿生技術(shù)對飛行器的壽命進(jìn)行預(yù)測，提出了一種用以預(yù)測飛行器壽命的數(shù)字孿生模型．Greyce[3]等使用數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)了信息世界和物理世界之間數(shù)據(jù)的交流．Rios[4]等發(fā)表了一篇關(guān)于在智能制造領(lǐng)域中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的論文，為數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，給出了數(shù)字孿生仿真建模的基本工作流程．Aitor[5]等開發(fā)了一款針對沖壓機(jī)床的數(shù)字孿生模型，在虛擬空間中將整個車間生產(chǎn)線進(jìn)行相互鏈接，并使用該系統(tǒng)將物理空間中的機(jī)械零件和虛擬世界中的數(shù)字孿生體連接起來．Cichon[6]等開發(fā)出了一種可嵌入的數(shù)字孿生平臺，大幅提升了人機(jī)交互的性能．Janda[7]提出了一種基于數(shù)字孿生的重型機(jī)床數(shù)字模型．Kubota[8]等提出了一種針對機(jī)床數(shù)字孿生的架構(gòu)，該架構(gòu)利用高層數(shù)字模型傳遞加工過程中產(chǎn)生的信息，并使用此架構(gòu)建立一個知識庫．在國內(nèi)，陶飛[9]等對數(shù)字孿生車間的組成和數(shù)字孿生車間的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索和研究，提出數(shù)字孿生車間的概念，建立了一套數(shù)字孿生的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)．吳鵬興[10]等提出了一種基于數(shù)字孿生的離散車間可視化實時監(jiān)控的方法，用以解決離散車間管理不透明，實時監(jiān)控困難，調(diào)控能力差等問題．方圓[11]等提出了一種基于數(shù)字孿生的檢測設(shè)備運行狀態(tài)的方法，用以解決航空產(chǎn)品裝配生產(chǎn)中設(shè)備信息可視化程度低和缺乏有效的人機(jī)交互手段的問題．趙浩然[12]等對數(shù)字孿生可視化存在的困難進(jìn)行了分析，使用多重傳感器技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化，實現(xiàn)了對車間的實時監(jiān)控．李小龍[13]對機(jī)床加工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，并將其繪制成了可視化圖表，從而達(dá)到了機(jī)床物理層面上的數(shù)字孿生.

本文對龍門銑這一類型的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，使用Unity作為開發(fā)工具，能夠減少系統(tǒng)發(fā)布后所占用的電腦資源，減少電腦性能的消耗．使用3D模型構(gòu)建數(shù)控機(jī)床所在的車間場景，模擬龍門銑的實時加工狀態(tài)，并在Unity中使用UGUI繪制可視化圖表，對可視化圖表中的數(shù)據(jù)定時更新，方便用戶觀察龍門銑各軸速度的變化規(guī)律．

１ 龍門銑床虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)需求分析

本仿真監(jiān)控系統(tǒng)的主要研究對象為龍門銑，首先，要保證龍門銑模型的逼真性，用三維模型盡量還原出龍門銑的真實樣貌：龍門銑加工過程中各軸的物理狀態(tài)、龍門銑的尺寸、龍門銑的紋理及材質(zhì)；其次，對龍門銑加工過程的幾何映射進(jìn)行研究，實現(xiàn)對龍門銑進(jìn)行數(shù)字孿生的目的．在幾何行為映射層面，目標(biāo)是使用三維模型來模擬機(jī)床真實的運動情況，使模型的運動狀態(tài)與真實的機(jī)床運動狀態(tài)保持同步．通過在虛擬空間中對龍門銑的幾何層面的實時同步實現(xiàn)對龍門銑加工過程的監(jiān)控．系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)為：

1.1.1 系統(tǒng)流暢、實時運行 仿真監(jiān)控系統(tǒng)要對整個加工過程進(jìn)行實時監(jiān)控，因此，本系統(tǒng)要有良好的顯示性以及流暢性．

1.1.2 系統(tǒng)要有良好的擴(kuò)展性 為了便于進(jìn)一步對系統(tǒng)的功能進(jìn)行完善，要求系統(tǒng)有較好的擴(kuò)展性，便于后續(xù)開發(fā)工作的進(jìn)行．

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)對龍門銑虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析，可以將整個系統(tǒng)分為加工模擬仿真模塊、機(jī)床數(shù)據(jù)可視化模塊、機(jī)床模型觀察模塊、用戶手動控制模塊4個主要模塊．根據(jù)模塊化設(shè)計原則，可以設(shè)計出數(shù)控機(jī)床虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖（見圖1）．

圖1 龍門銑虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計

1.2.1 加工模擬仿真模塊 該模塊針對的是龍門銑的加工過程，還原龍門銑加工過程中各軸的運動狀態(tài)．該模塊負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)庫中龍門銑各軸的運動數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，之后將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用處理后的數(shù)據(jù)控制三維模型中各軸的運動，使三維模型的運動狀態(tài)與實際機(jī)床的運動狀態(tài)保持一致．

1.2.2 機(jī)床數(shù)據(jù)可視化模塊 該模塊負(fù)責(zé)將加工模擬仿真模塊讀取的機(jī)床各軸運動數(shù)據(jù)，如橫梁的速度、工作臺的轉(zhuǎn)速、刀架的速度等，繪制成可視化圖表，方便用戶觀察相應(yīng)數(shù)據(jù)的變化．

1.2.3 機(jī)床模型觀察模塊 該模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)機(jī)床模型的任意角度觀察和模型的放大及縮?。脩舭磯菏髽?biāo)右鍵在場景中任意移動，機(jī)床模型會隨著鼠標(biāo)的移動方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)用戶對模型任意角度的觀察．用戶滾動鼠標(biāo)滑輪可以實現(xiàn)當(dāng)前觀察模型的放大和縮?。?/p>

1.2.4 用戶手動控制模塊 用戶進(jìn)入該模塊后可以使用方向鍵控制機(jī)床模型中各軸的單獨運動，用戶也可選擇“手動輸入數(shù)據(jù)”，按照提示在輸入框中輸入模型各軸的移動速度，控制模型中各軸的運動．

1.3 系統(tǒng)總體開發(fā)

本文使用Unity作為系統(tǒng)的主要開發(fā)平臺，共經(jīng)歷4個開發(fā)階段：（1）模型創(chuàng)建階段；（2）模型渲染階段；（3）交互設(shè)計階段；（4）系統(tǒng)發(fā)布測試階段．龍門銑虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)流程見圖2．

圖2 龍門銑虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)流程

2 系統(tǒng)環(huán)境搭建

2.1 三維模型的創(chuàng)建

2.1.1 建模規(guī)范與技巧 三維模型的創(chuàng)建是建立虛擬場景的基礎(chǔ)，三維模型會對整個系統(tǒng)的流暢程度造成直接的影響．對加工車間進(jìn)行建模時，首先要保證模型尺寸與其對應(yīng)實物的實際尺寸相同，其次要以不影響模型大小為條件，盡可能優(yōu)化模型的細(xì)節(jié)．使用SolidWorks制作完龍門銑模型后將其轉(zhuǎn)存為IGS格式，之后導(dǎo)入到3Ds MAX中．

模型導(dǎo)入到3Ds Max后，需要對模型進(jìn)行優(yōu)化以提高系統(tǒng)的流暢度和畫面的質(zhì)量，因此要在3Ds Max中對其進(jìn)行處理：

（1）三維模型面優(yōu)化處理．導(dǎo)入模型后先選擇“統(tǒng)一法線”和“移除雙面”，并在焊接方式中選擇“快速焊接”．這樣就可以在不影響模型準(zhǔn)確性的情況下降低三維模型中面的數(shù)量，從而減少運行時所占用的電腦資源．

（2）貼圖處理．由于3Ds Max中的材質(zhì)無法導(dǎo)入到Unity中，所以要處理3Ds Max中的貼圖．模型的真實感主要受貼圖逼真程度的影響，對貼圖進(jìn)行處理可以提高虛擬場景的仿真度．

（3）單位轉(zhuǎn)化．要保證模型尺寸單位的統(tǒng)一，本系統(tǒng)使用SolidWorks建模，其單位為mm，故應(yīng)將3Ds Max的單位改為mm．

2.1.2 各模型的建立與導(dǎo)入 根據(jù)實際龍門銑尺寸利用SolidWorks繪制三維機(jī)床模型，之后將其導(dǎo)入到3Ds Max中，龍門銑模型見圖3，加工車間等其他模型直接在3Ds Max中進(jìn)行建模，之后直接導(dǎo)入到Unity中．

2.2 Unity中虛擬場景的搭建

將三維模型和貼圖等資源拖動到Unity項目的Assets文件夾中，各資源就能夠加載到該項目中．對于不同類型的文件，要建立不同的文件夾保存資源，達(dá)到對資源進(jìn)行分類的目的，方便以后工作的進(jìn)行．導(dǎo)入模型后，需要對其所在的工作環(huán)境進(jìn)行搭建，如Lights（燈光）、Skybox（天空盒）等．在Unity中需要添加光源，添加光源后系統(tǒng)顯示會更加逼真．Unity中有4種光源，分別為Spotlights（聚光燈）、Point lights（點光源）、Area light（區(qū)域光）和Directional Light（平行光）．本系統(tǒng)主要使用Spotlights，Directional Light，Point lights．Skybox是虛擬環(huán)境中的必要元素，天空盒由6個紋理組成，其添加方式有3種：（1）直接在Scene中進(jìn)行添加；（2）將天空盒組件添加到材質(zhì)球中，之后將天空盒的材質(zhì)球拖進(jìn)Custom Skybox中；（3）自制天空盒，并在場景中添加．本系統(tǒng)使用第1種方法，最終完成的車間場景見圖4．

圖3 數(shù)控機(jī)床模型

圖4 車間場景

2.3 交互功能設(shè)計

2.3.1 UI界面設(shè)計 用戶使用UI界面中的各種按鈕來操作系統(tǒng)，UI界面是用戶和系統(tǒng)進(jìn)行交互的窗口．本系統(tǒng)使用Unity自帶的UGUI進(jìn)行界面設(shè)計．UGUI主要包括Panel（畫板）、Canvas（畫布）、Scrollbar（滾動條）、Text（文本）、Toggle（選擇框）和Button（按鈕）等元素．在本系統(tǒng)的UI界面中主要運用了Button組件、Panel、Toggle組件和Input Field組件．系統(tǒng)的UI界面見圖5．

圖5　UI界面

2.3.2 相機(jī)輔助 虛擬系統(tǒng)交互是靠攝像機(jī)實現(xiàn)的，攝像機(jī)視角分為第一人稱視角和第三人稱視角．第一人稱視角會帶給用戶身臨其境的感覺，第三人稱視角會方便用戶觀察這個虛擬環(huán)境，讓用戶可以體驗宏觀的場景．為給用戶帶來更好的沉浸感，本系統(tǒng)使用第一人稱視角．

3 運動仿真和數(shù)據(jù)可視化

3.1 運動仿真

本文中各軸模型的運動是通過代碼進(jìn)行控制的．在Unity中通過對象掛載腳本的方式來實現(xiàn)代碼的調(diào)用，因此根據(jù)龍門銑加工過程中各軸的運動狀態(tài)，設(shè)計了各自的腳本，并掛載到了相應(yīng)的對象上．首先使用MySQL Connector Net插件建立Unity和MySQL的連接，使用SQL語句對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選．由于數(shù)據(jù)庫中各軸的速度單位為mm/min，而在Unity中控制模型運動的速度單位為m/s，所以要按照相應(yīng)的規(guī)則對數(shù)據(jù)庫中讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理．然后使用Unity中的Transform.Translate方法控制三維模型各軸的運動．因為龍門銑加工過程中各軸的運動方向各不相同，所以要根據(jù)實際情況進(jìn)行分析，通過在各軸對應(yīng)的腳本中填寫各自的運動方向來控制三維模型各軸的運動方向．

3.2 數(shù)據(jù)可視化

因為Unity中沒有構(gòu)建可視化圖表的功能，所以本文使用基于UGUI開發(fā)的Xcharts插件來完成該功能的開發(fā)．在虛擬場景中創(chuàng)建可視化圖表，之后使用自定義腳本對可視化圖表進(jìn)行初始化設(shè)置．將從數(shù)據(jù)庫中讀取的各軸實時運動數(shù)據(jù)通過Chart.AddData方法加載到可視化圖表上．因為該功能顯示的是各軸的實時速度，所以不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，直接將其顯示在圖表上即可．使用Chart.Update方法按照一定的時間間隔更新可視化圖表上的數(shù)據(jù)．

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)測試原則

系統(tǒng)測試是在軟件開發(fā)的過程中必須進(jìn)行的一項重要工作，通過系統(tǒng)測試可以在軟件發(fā)布前及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的BUG和不穩(wěn)定因素，在測試的過程中要遵守三項原則：

4.1.1 軟件總存在缺陷 對軟件進(jìn)行測試的結(jié)果只能說明軟件已經(jīng)存在的問題，不能夠說明系統(tǒng)完美．即使在測試完成后，沒有發(fā)現(xiàn)問題也不能夠證明系統(tǒng)是完美的．對系統(tǒng)進(jìn)行測試只能減少系統(tǒng)中存在的問題和降低出現(xiàn)問題的風(fēng)險．

4.1.2 早進(jìn)行 在系統(tǒng)開發(fā)的初期就應(yīng)該進(jìn)行測試，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題可以降低后期維護(hù)的費用，提高開發(fā)效率．

4.1.3 針對性測試 在測試的過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)所具有的功能進(jìn)行針對性的測試，系統(tǒng)的重要功能只存在于一部分，但其復(fù)雜程度占系統(tǒng)的大部分．所以要對這些重要資源進(jìn)行大量測試，確保重要功能可以正常運行．

4.2 功能測試

本系統(tǒng)測試環(huán)境為Windows10操作系統(tǒng)，其配置參數(shù)為：處理器Intel（R） Core（TM）i7-10750H 2.60 GHz，顯卡NVIDIA GeForce RTX2060，顯存6 GB，內(nèi)存為DDR4 16 GB．Unity軟件版本為2019.4.24f1c1，使用的計算機(jī)語言為C#．

用戶打開系統(tǒng)進(jìn)入操作主界面，在主界面中按壓鼠標(biāo)右鍵沿任意方向進(jìn)行移動，機(jī)床模型可以隨著鼠標(biāo)移動的方向進(jìn)行相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)（見圖6a）．上下滾動鼠標(biāo)滑輪可以對當(dāng)前觀察視角中的物體進(jìn)行放大和縮小，該功能測試正常后進(jìn)行下一項測試．

在主界面中選擇“方向鍵控制移動”，選擇要移動的機(jī)床部位，用方向鍵控制移動，該功能一切正常．點擊“數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)”，系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)庫中龍門銑各軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和讀取，之后處理讀取的數(shù)據(jù)，控制三維模型各軸的運動，使得機(jī)床模型與實際龍門銑的運動保持一致，該功能正常（見圖6b）．

點擊“手動輸入數(shù)據(jù)”，系統(tǒng)會彈出輸入各軸運動數(shù)據(jù)的輸入界面，填寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，點擊提交按鈕，機(jī)床模型的各軸會按照用戶輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行移動，該功能正常．點擊“數(shù)據(jù)圖像”按鈕系統(tǒng)會將讀取的數(shù)據(jù)繪制成折線圖（見圖6c）．

圖6 功能測試

4.3 系統(tǒng)性能測試

對于龍門銑床虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)要保證其運行的流暢性，使用CPU利用率、顯卡利用率、內(nèi)存占用率等為指標(biāo)，對孿生監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行評估．一般以CPU利用率小于85%，內(nèi)存占用率小于80%為合格標(biāo)準(zhǔn)．使用Win10自帶的資源監(jiān)視器進(jìn)行龍門銑床虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)的整體監(jiān)視，監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能測試見圖７．

圖７ 資源監(jiān)視系統(tǒng)的性能監(jiān)控過程示意圖

在測試時間內(nèi)，虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)的CPU利用率的平均值為35%，虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)存占用率的平均值為53%，由于虛擬監(jiān)控系統(tǒng)涉及大量的場景渲染，三維模型各軸的運動故顯卡利用率較高，但CPU利用率和內(nèi)存占用率都遠(yuǎn)小于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)．經(jīng)分析，在本測試環(huán)境及以上配置的電腦都可以流暢地運行．

5 結(jié)語

本文使用數(shù)字孿生技術(shù)對龍門銑床虛擬仿真監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)．按照1∶1的比例對龍門銑進(jìn)行建模，并對龍門銑所在場景進(jìn)行建模，在Unity中完成整個環(huán)境的搭建．本系統(tǒng)可以模擬龍門銑加工過程中各軸的運動狀態(tài)，達(dá)到運動的同步，并通過三維模型展示出來．用戶可以自由調(diào)節(jié)視角，觀察模型的運動狀態(tài)，系統(tǒng)會將各軸的運動數(shù)據(jù)繪制成可視化圖表，展示在用戶面前，方便用戶觀察各軸速度的變化情況．

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Virtual simulation monitoring system for planer type milling machine tool based on digital twin

ZHANG Jianfei1，2，ZHANG Tieliang1，JIANG Yongzeng1

（1. School of Computer and Control Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China； 2. Heilongjiang Province Collaborative Innovation Center for Intelligent Manufacturing Equipment Industrialization，Qiqihar 161006，China）

With the rapid development of a new generation of artificial intelligence technology and information and communication technology，the traditional manufacturing industry has started to transform into technology-based intelligent manufacturing．Digital twin technology is a key technology to realize intelligent manufacturing，which can effectively solve the problem of difficult information transmission in the transformation of manufacturing industry．Developed a virtual simulation monitoring system for gantry milling machine tool machining process based on digital twin technology．Based on the traditional virtual simulation monitoring system，the motion simulation of gantry milling machine in the process of machining is realized，and the visual chart is introduced to show the motion speed of each axis of gantry milling machine．The three-dimensional modeling of machine tool is carried out by using SolidWorks software according to the ratio of 1∶1．Import the created model into 3Ds MAX，add materials to the model and convert the format of the model．Then import the model into Unity，and set up a workshop scenario in Unity．The virtual simulation of the whole machining process of machine tool is completed through the script．The script was written to complete the virtual simulation of the whole machining process of gantry milling machine，and the Xcharts plug-in based on UGUI was used to draw the visual chart．The results show that the system can simulate the motion of each axis in the gantry milling process, and display the real-time speed of each axis of the gantry milling through visual charts, which can provide certain technical support and reference for the development of similar systems.

digital twin；Unity3D；SolidWorks；3Ds MAX；virtual simulation

1007-9831（2022）11-0041-07

TP39

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.11.008

2022-06- 04

黑龍江省省屬高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費科研項目（135509402）

張劍飛（1974-），男，黑龍江齊齊哈爾人，教授，博士，從事深度學(xué)習(xí)和計算機(jī)輔助診斷研究．E-mail：jian_fei_zhang@163.com