考慮切削軌跡可視化的加工線仿真研究*

陳 娜，范業(yè)鵬，徐佳子

(1.山東華數(shù)智能科技有限公司，棗莊 277500；2.華中科技大學機械科學與工程學院，武漢 430074；3.滕州華數(shù)智能制造研究院，棗莊 277500)

0 引言

智能制造技術(shù)促使傳統(tǒng)制造經(jīng)濟向新經(jīng)濟轉(zhuǎn)型[1]。柔性加工線將自動化設(shè)備和信息控制系統(tǒng)整合集成[2]，能夠快速響應(yīng)市場加工需求，受到廣大制造企業(yè)青睞。柔性加工線中設(shè)備種類多樣、結(jié)構(gòu)復雜，提高了其設(shè)計難度，增加了調(diào)試維護時間[3]。虛擬樣機仿真以機械運動學和控制理論為核心[4]，通過三維可視化描述設(shè)備對象的結(jié)構(gòu)、功能和性能。

近年來，國內(nèi)外對于加工線仿真的關(guān)注度持續(xù)上升。LENG等[5]提出了元祖語義數(shù)據(jù)建模方法，實現(xiàn)了數(shù)字孿生驅(qū)動柔性生產(chǎn)線的快速配置和重構(gòu)。丁凱等[6]在Plant Simulation中通過設(shè)備建模和虛實映射建模實現(xiàn)了多主體業(yè)務(wù)協(xié)同自治運作邏輯控制驗證仿真。柳林燕等[7]在Visual Components中通過多線程并行驅(qū)動數(shù)據(jù)邏輯控制實現(xiàn)了設(shè)備控制、狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)統(tǒng)計。倪玉晉等[8]在Flexsim中通過柔性加工線的加工節(jié)拍與物流調(diào)度仿真實現(xiàn)了瓶頸工位與工序的算法改進。肖慶陽等[9]提出“內(nèi)部驅(qū)動仿真-虛擬控制器聯(lián)調(diào)-真實控制器聯(lián)調(diào)”的聯(lián)合仿真方法，實現(xiàn)了從孿生體搭建、多步仿真調(diào)試、信息交互、現(xiàn)場展示到指導生產(chǎn)的全周期柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計和驗證。SUN等[10]對比了Visual Components、Process Simulate、Emulate3D在TwinCAT主控系統(tǒng)柔性加工線中虛擬仿真[11-12]表現(xiàn)：Visual Components與PLC能夠高效直聯(lián)實現(xiàn)加工線虛擬樣機調(diào)試仿真；Emulate3D的數(shù)字建模需要依賴 Demo3D軟件，比Visual Components更繁瑣；在采用西門子總控系統(tǒng)的柔性加工線中，使用Plant Simulation軟件進行調(diào)試仿真具有更強的針對性和匹配性[13]。目前加工線的仿真研究與應(yīng)用大都依賴國外技術(shù)平臺，并且缺乏兼顧機床切削軌跡仿真能力。

在機床切削仿真領(lǐng)域，陸建軍等[14]基于Vericut內(nèi)核實現(xiàn)了APT刀位源文件到NC代碼的自動轉(zhuǎn)換，驗證了NC代碼的正確性、合理性和安全性。王亮等[15]基于UG實現(xiàn)的數(shù)控機床加工仿真系統(tǒng)解決了加工仿真系統(tǒng)建模能力有限導致的格式轉(zhuǎn)化誤差精度問題。曹玉娟等[16]提出了基于二叉空間分割單向Dexel模型的快速切削仿真算法，實現(xiàn)切削工件的虛擬可視化。通過CAM軟件實現(xiàn)的刀具軌跡仿真很難與加工線仿真平臺融合使用。

目前，學術(shù)界和工業(yè)界對于加工線仿真技術(shù)的研究大都局限于加工線設(shè)備動作仿真、排產(chǎn)調(diào)度邏輯仿真，加工線中數(shù)控機床的刀具軌跡可視化仿真則需要依賴專用切削仿真軟實現(xiàn)，缺乏兼顧自動線設(shè)備動作與機床刀具軌跡可視化的虛擬樣機研究與實踐。本文研究并實現(xiàn)的考慮切削軌跡可視化的加工自動線仿真方法在實現(xiàn)加工線數(shù)控機床動作仿真的同時兼具刀具軌跡可視化仿真，降低了自動線可視化仿真成本，豐富了仿真應(yīng)用場景。

1 柔性加工線仿真框架

1.1 柔性加工線虛擬樣機建模要素

虛擬設(shè)備建模是柔性加工線虛擬樣機建模與仿真的基礎(chǔ)，虛擬設(shè)備建模內(nèi)涵(圖1)是基于設(shè)備廠家共享的建模數(shù)據(jù)，構(gòu)建描述設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能和性能的可視化虛擬設(shè)備機構(gòu)模型；根據(jù)柔性加工線設(shè)計、調(diào)試、運維等不同仿真業(yè)務(wù)目的，建立仿真數(shù)據(jù)與虛擬設(shè)備對象之間邏輯關(guān)系，可視化地查看柔性加工線中虛擬設(shè)備在不同仿真數(shù)據(jù)驅(qū)動下的動作行為與狀態(tài)變化。從工程實踐角度，虛擬設(shè)備建模是根據(jù)不同仿真業(yè)務(wù)需求，動態(tài)確立不同數(shù)據(jù)、虛擬設(shè)備運動學模型、仿真數(shù)據(jù)與虛擬設(shè)備對象邏輯控制模型3者之間的關(guān)系，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型、虛擬設(shè)備運動學模型和邏輯控制模型構(gòu)建過程。

圖1 柔性加工線虛擬樣機建模內(nèi)涵

由加工線虛擬樣機建模內(nèi)涵可知虛擬樣機建模是虛擬樣機中各個虛擬設(shè)備中“數(shù)據(jù)-機構(gòu)-邏輯”要素建模描述過程：加工線虛擬樣機仿真場景(scene)是由不同的虛擬設(shè)備對象(device)組態(tài)構(gòu)成，不同的虛擬設(shè)備對象是基于對應(yīng)設(shè)備類型的虛擬設(shè)備模型(model)實例化獲得。將不同類型的虛擬設(shè)備模型進一步抽象為包含“數(shù)據(jù)-機構(gòu)-邏輯”三要素的元模型(meta)，通過研究建模三要素的元模型與元模型實例化理論、技術(shù)就可以解決加工線虛擬樣機建模與仿真的關(guān)鍵理論與技術(shù)難題。

如圖2所示，虛擬設(shè)備建模抽象為4個層次：

圖2 柔性加工線虛擬樣機模型要素層次

(1)元模型層metavp是構(gòu)建虛擬仿真模型的模型，包含了構(gòu)成虛擬設(shè)備仿真模型的基本要素。

(2)模型層MODELvp是基于元模型層定義的元模型metavp(sd,mm,ml)和實現(xiàn)技術(shù)，實例化得到虛擬樣機的數(shù)據(jù)集合Sd、機構(gòu)組件集合Mm和邏輯模型集合Ml。

(3)虛擬設(shè)備層VPdevices是通過配置、重構(gòu)MODELvp模型層中組件構(gòu)建出的不同虛擬設(shè)備仿真模型集合，如虛擬機床mtvpi∈MTvp、虛擬機器人robotvpi∈ROBOTvp等。

(4)仿真場景層VPscene根據(jù)物理柔性加工線的空間布局對虛擬設(shè)備層VPdevices中虛擬設(shè)備模型組態(tài)，構(gòu)建加工線虛擬樣機仿真場景，根據(jù)不同的Sd、Ml實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的加工線虛擬樣機仿真。

1.2 柔性加工線五層建模框架

根據(jù)圖2中虛擬樣機建模層次構(gòu)建加工線虛擬樣機五層建?？蚣苋鐖D3所示。

圖3 柔性加工線虛擬樣機五層建模框架

框架最高層(L5)是物理加工線的建模和仿真數(shù)據(jù)集合Sd，包含虛擬設(shè)備靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)、動態(tài)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)等。

柔性加工線仿真邏輯控制由仿真場景邏輯層MSCN(L4)、產(chǎn)線調(diào)度層PECODE(L3)和虛擬設(shè)備邏輯層MDEV(L2)共同組合實現(xiàn)。根據(jù)不同仿真業(yè)務(wù)，從場景、產(chǎn)線、機床3個層面上建立仿真數(shù)據(jù)與虛擬設(shè)備對象動作與狀態(tài)變化的邏輯關(guān)系。

最底層(L1)是虛擬設(shè)備運動學模型Mm層?；诜抡孢\動副和抽象機構(gòu)拓撲層次，將零部件分類到對應(yīng)拓撲層次中，構(gòu)建的虛擬設(shè)備運動學模型，通過L2中邏輯控制模型實現(xiàn)虛擬設(shè)備對象對不同仿真數(shù)據(jù)的動作行為與狀態(tài)變化響應(yīng)。

2 柔性加工線仿真數(shù)據(jù)建模

2.1 柔性加工線離散事件數(shù)據(jù)模型

柔性加工線中的自動化設(shè)備承擔不同的工藝工序任務(wù)，比如生產(chǎn)過程中的資源檢查、狀態(tài)檢測，或者生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)度與加工，包括刀具調(diào)度、機械手取料、機床加工等，對于柔性加工線仿真來說都是設(shè)備使用中的離散事件數(shù)據(jù)，需要將生產(chǎn)過程中離散事件抽象成統(tǒng)一的事件數(shù)據(jù)元模型，通過解析事件模型中包含的邏輯控制信息和相關(guān)參數(shù)信息實現(xiàn)柔性加工線仿真中離散事件描述建模，如圖4所示。

圖4 事件數(shù)據(jù)模型組件層次

離散事件數(shù)據(jù)元模型包含：基礎(chǔ)屬性(事件編號、創(chuàng)建事件和事件名稱等)、內(nèi)容信息(對象參數(shù)、耗時信息和相關(guān)資源等)、邏輯信息(事件過程分解、事件依賴關(guān)系和事件從屬關(guān)系)。離散事件數(shù)據(jù)元模型中的元素實例化后數(shù)據(jù)類型如表1所示。

表1 事件數(shù)據(jù)模型中成員數(shù)據(jù)類型(部分)

2.2 柔性加工線時域狀態(tài)數(shù)據(jù)模型

時域狀態(tài)數(shù)據(jù)是描述加工線工作過程中伴隨時間產(chǎn)生的描述設(shè)備行為與狀態(tài)變化數(shù)據(jù)。狀態(tài)數(shù)據(jù)通常由機床的數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)機器人控制器、各種異構(gòu)傳感器自主提交或被動采集。

狀態(tài)數(shù)據(jù)包括設(shè)備行為與狀態(tài)的特征信息：例如報警信息、運行狀態(tài)和溫度數(shù)據(jù)等；以及與時間序列相關(guān)的瞬時設(shè)備狀態(tài)：機床的指令位置、反饋位置、電機電流、刀具信息和G代碼執(zhí)行狀態(tài)等。

圖5將立式加工中心的狀態(tài)數(shù)據(jù)定義為組件對象，如通道、軸和輸入輸出模塊。數(shù)據(jù)的另一部分被定義為對象的屬性或變量，如進給倍率、實際位置、刀具長度等。

圖5 加工中心狀態(tài)數(shù)據(jù)描述模型

3 設(shè)備機構(gòu)可視化仿真

3.1 虛擬設(shè)備機構(gòu)動作仿真

虛擬設(shè)備運動學模型以其CAD模型為基礎(chǔ)，包含由設(shè)備機械結(jié)構(gòu)特征和機構(gòu)部件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的機構(gòu)拓撲層次信息和各機構(gòu)零部件在裝配邏輯上的從屬關(guān)系，明確各個零部件相互之間空間位置關(guān)系和裝配父節(jié)點對象。

在設(shè)備機構(gòu)拓撲基礎(chǔ)上，虛擬設(shè)備運動學模型包含能夠描述各機構(gòu)運動特征的仿真運動副(移動副、轉(zhuǎn)動副)以及能夠描述設(shè)備狀態(tài)變化的抽象的虛擬機構(gòu)(顯示/隱藏虛擬機構(gòu))。通過設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)確立的設(shè)備機構(gòu)框架能夠確保設(shè)備運動仿真時各個零部件在虛擬空間中位置和姿態(tài)精度，裝配邏輯能夠保障虛擬設(shè)備仿真動作時多運動副復合疊加動作的準確性。為確保虛擬設(shè)備仿真動作過程具有高保真的可視化效果，虛擬設(shè)備運動學模型中將描述零部件外觀幾何特征的三維模型作為仿真運動副的裝配子對象分類分組，實現(xiàn)各個機構(gòu)部件中的零件在運動仿真時空間位置姿態(tài)合理性。

在柔性加工線仿真粒度下，自動化設(shè)備復雜的傳動機構(gòu)被簡化為執(zhí)行部件最終動作形態(tài)。例如包含減速比的主軸機構(gòu)簡化為單一的轉(zhuǎn)動副，絲杠螺母組成螺旋副簡化為直線導軌上的移動副。簡化建模有效的提高虛擬設(shè)備機構(gòu)構(gòu)建效率，降低多設(shè)備、復雜邏輯加工線仿真過程對計算機性能需求壓力。

表2統(tǒng)計了圖6所示加工中心的主要運動副對象，通過7個運動副機構(gòu)基本滿足該虛擬機床在加工線仿真業(yè)務(wù)中執(zhí)行機構(gòu)動作可視化仿真需求。虛擬設(shè)備運動學建模不僅需要可視化還物理設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)動作，還需要將物理設(shè)備工作過程中的狀態(tài)變化在仿真場景中可視化仿真。在表3中，統(tǒng)計了圖6中加工中心機床可觀測的狀態(tài)變化，包括子部件(如工件、工件卡具、刀柄等)在不同的父部件之間切換裝配拓撲關(guān)系，目標對象(照明、噴淋液、切屑等)顯示與隱藏等狀態(tài)變化。這些可觀測的狀態(tài)變化通過歸納，抽象為有限類型的抽象機構(gòu)。

圖6 立式加工中心的運動副與抽象機構(gòu)

表2 立式加工中心模型中的運動副

表3 立式加工中心模型中的抽象機構(gòu)

3.2 數(shù)控機床刀具軌跡可視化仿真

如圖7所示，基于數(shù)控系統(tǒng)的刀具時域位置數(shù)據(jù)，在虛擬空間中繪制刀具的實時位置軌跡。通過縮放、旋轉(zhuǎn)、軌跡路徑顏色切換等虛擬仿真平臺虛擬空間交互操作的便利性與高效性，能夠直接觀察到刀具的歷史移動軌跡。通過對時域狀態(tài)數(shù)據(jù)中如位置跟隨誤差大小判斷，調(diào)整刀具軌跡路徑繪制顏色，反映設(shè)備加工質(zhì)量表現(xiàn)，能夠在柔性加工線實際生產(chǎn)過程中，在虛擬樣機提供機床切削動作仿真的同時實現(xiàn)機床刀具切削軌跡可視化仿真。

圖7 數(shù)控機床刀具軌跡可視化

4 仿真邏輯控制

虛擬設(shè)備邏輯控制建模是加工線虛擬樣機建模過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是連接仿真數(shù)據(jù)和虛擬設(shè)備對象的紐帶，是實現(xiàn)加工線不同仿真業(yè)務(wù)的驅(qū)動核心。通過對柔性加工線仿真業(yè)務(wù)分析，定義虛擬設(shè)備邏輯控制編程指令集(QCode指令節(jié)選)如表4所示。

表4 虛擬設(shè)備邏輯控制編程指令集(節(jié)選)

通過如圖8所示的QCode指令組態(tài)界面完成QCode指令序列的編輯。

圖8 虛擬設(shè)備邏輯控制指令組態(tài)界面

5 應(yīng)用實例：汽車凸輪軸加工線

柔性加工線虛擬樣機仿真軟件原型采用支持跨平臺編譯的Unity3D引擎開發(fā)[17]。針對設(shè)計仿真、調(diào)試仿真注重建模操作效率、仿真配置靈活的使用需求，其交互操作界面采用樸素簡潔、信息量大、操作直觀高效的界面布局，如圖9所示。

圖9 FMS虛擬樣機設(shè)計、調(diào)試仿真操作界面

該柔性加工線仿真軟件原型在汽車發(fā)動機凸輪軸加工線項目中進行了空間布局干涉仿真、設(shè)備動作可達性仿真和排產(chǎn)調(diào)度合理性仿真等應(yīng)用驗證。通過采集數(shù)控系統(tǒng)時域位置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)立式加工中心刀具軌跡可視化仿真，在兼顧加工線設(shè)備動作仿真同時，實現(xiàn)數(shù)控機床切削過程的刀具軌跡可視化仿真。

6 結(jié)束語

本文針對自動加工線可視化仿真建模要素，提出基于數(shù)據(jù)-機構(gòu)-邏輯的虛擬樣機仿真框架，通過研究了柔性加工線仿真中數(shù)據(jù)建模方法、仿真運動副實現(xiàn)方法、機床刀具軌跡可視化方法以及虛擬設(shè)備仿真邏輯控制方法，設(shè)計并實現(xiàn)面向柔性加工線的兼顧設(shè)備動作仿真與刀具軌跡可視化仿真的虛擬樣機原型軟件，對于柔性加工線仿真應(yīng)用提供有益的理論探索和方法實踐。