基于數(shù)字孿生的搬運(yùn)機(jī)械手仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王二敏，馬前帥

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

大數(shù)據(jù)背景下，社會(huì)發(fā)展正邁入信息化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等新發(fā)展方向。信息與物理的深度融合是智能制造發(fā)展戰(zhàn)略的核心目標(biāo)之一。搬運(yùn)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支[1]，應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，如汽車生產(chǎn)流水線、食品加工生產(chǎn)線、電子行業(yè)流水線等等，自動(dòng)化生產(chǎn)線大大提高了社會(huì)生產(chǎn)效益。同時(shí)，搬運(yùn)機(jī)械手可工作在復(fù)雜、惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，滿足現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)需求。

為了解決實(shí)際教學(xué)中虛實(shí)環(huán)境結(jié)合度不高的問(wèn)題，提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)建立虛實(shí)共生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)虛擬仿真平臺(tái)，數(shù)字孿生模擬工廠讓學(xué)者全方面了解工程項(xiàng)目的實(shí)際場(chǎng)景并進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)。利用數(shù)字孿生技術(shù)同步實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以更加生動(dòng)形象地表達(dá)課程內(nèi)容，有助于營(yíng)造體驗(yàn)感較強(qiáng)又較為真實(shí)的教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，增強(qiáng)學(xué)者對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知和理解能力，提高學(xué)者的實(shí)踐操作能力。結(jié)合全生命周期，從幾何模型、物理模型、生產(chǎn)行為模型等多維度構(gòu)建搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)，為其他智能生產(chǎn)線孿生系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐驗(yàn)證。

1 搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

本文采用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字孿生搬運(yùn)機(jī)械手仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。該設(shè)計(jì)框架包括基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動(dòng)層、模型構(gòu)建層、仿真分析層和共性應(yīng)用層五部分[2]。

圖1 搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)支撐層

基礎(chǔ)支撐層為搬運(yùn)機(jī)械手虛擬實(shí)體硬件和軟件設(shè)計(jì)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。依托搬運(yùn)機(jī)械手物理實(shí)體各單元模塊獲取三維實(shí)景建模數(shù)據(jù)；基于傳感器技術(shù)及系統(tǒng)工作過(guò)程獲取表征搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境的各個(gè)電氣量，為虛擬實(shí)體設(shè)計(jì)提供運(yùn)行數(shù)據(jù)和工作環(huán)境數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)互動(dòng)層

數(shù)據(jù)互動(dòng)層為物理實(shí)體和虛擬實(shí)體之間的“互動(dòng)”提供通道。數(shù)據(jù)互動(dòng)層用于采集基礎(chǔ)支撐層提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)采集的信息處理，將位置、屬性、狀態(tài)性能等數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄\生模型構(gòu)建層，完成對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速傳輸、存儲(chǔ)、處理及分析[2]。數(shù)據(jù)細(xì)分為：用于建立三維模型的幾何數(shù)據(jù)，用于描述三維模型位置、布局等的環(huán)境數(shù)據(jù)，用于三維模型功能設(shè)定的動(dòng)作數(shù)據(jù)，用于三維模型過(guò)程狀態(tài)設(shè)定的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.3 模型構(gòu)建層

模型構(gòu)建層是將物理實(shí)體數(shù)字化、模型化的過(guò)程。在虛擬仿真空間，基于NX_MCD 平臺(tái)建立搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線的數(shù)字化工作站模型，在物理形態(tài)、行為形態(tài)及基本功能等方面能夠真實(shí)地映射物理生產(chǎn)線[3]。

1.4 仿真分析層

仿真分析層通過(guò)仿真技術(shù)，不斷完善物理實(shí)體的數(shù)字化模型，完成全周期的動(dòng)態(tài)仿真。NX_MCD 和TIA 在線仿真控制，搭建數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)和物理實(shí)體共生的教學(xué)環(huán)境，學(xué)者能夠在仿真界面和實(shí)際訓(xùn)練平臺(tái)上相互觀察、相互操作，不斷完善物理實(shí)體的數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建層與數(shù)據(jù)層之間的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)映射。

1.5 共性應(yīng)用層

數(shù)字孿生體和物理實(shí)體之間通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)映射，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試。數(shù)字孿生的目的是模擬真實(shí)世界，在該平臺(tái)上能夠快速實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線的仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試，同時(shí)能夠直觀地查看物理實(shí)體和虛擬實(shí)體的運(yùn)行加工過(guò)程，為人們的卓越?jīng)Q策提供支持[4]。

2 搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)模型構(gòu)建

在搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線中，完成物料分揀運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵要素包括搬運(yùn)機(jī)械手、供料井、傳送帶、加工裝置和環(huán)境[5]。因此，構(gòu)建搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線數(shù)字孿生模型用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表示為式（1）。

式中：DTws為搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線的孿生模型,Dman為搬運(yùn)機(jī)械手孿生模型，Dfee為供料井孿生模型，Dtra為傳送帶孿生模型，Dpro為加工裝置孿生模型，Denv為環(huán)境孿生模型。

數(shù)字孿生模型構(gòu)建的步驟如下。首先，基于SolidWorks 建立搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線各單元的三維模型。其次，基于NX_MCD 軟件進(jìn)行各單元模塊的仿真設(shè)計(jì)。需要在虛擬空間中，對(duì)三維模型的位置、布局、各單元屬性及功能進(jìn)行設(shè)定，使模型能夠根據(jù)已知經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律模擬出真實(shí)搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線的幾何、物理屬性等。最后，根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求和控制要求，對(duì)各個(gè)孿生體設(shè)定運(yùn)行方式及控制方式，設(shè)定、編輯仿真運(yùn)行時(shí)序，進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)通信數(shù)據(jù)接口，將各參數(shù)反饋到真實(shí)的搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)共生。因此，任何一個(gè)孿生模型的構(gòu)建包括“幾何+ 物理+ 生產(chǎn)行為”三維度，從而構(gòu)建孿生模型用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表示為式（2）。

式中：MDT為孿生模型，GDT為幾何孿生模型，PDT為物理模型，BDT為生產(chǎn)行為孿生模型，DI為虛實(shí)交互通信數(shù)據(jù)集。

2.1 幾何模型

幾何模型是應(yīng)用數(shù)學(xué)方法描述物理實(shí)體的幾何尺寸、幾何位置、幾何形狀和幾何關(guān)系。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表示為式（3）。

式中：GM為孿生幾何模型，Gmea為幾何尺寸，Gpos為幾何位置，Gcon為幾何形狀，Grel為幾何關(guān)系。

應(yīng)用NX_MCD 軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手孿生幾何模型的構(gòu)建，具體步驟為：首先，將各單元模型導(dǎo)入到工作環(huán)境中；然后，根據(jù)安裝要求，重新設(shè)置各單元模型原點(diǎn)；最后，在工作環(huán)境中依次安裝其余的模型。在安裝過(guò)程中，要注意以下事宜：第一，模型安裝底面要與工作臺(tái)緊密結(jié)合；第二，模型之間如果有連接的部位，安裝時(shí)要考慮連接位置；第三，模型間不允許發(fā)生碰撞；第四，合理布局，整體布局應(yīng)美觀、大方，不宜過(guò)于緊密；第五，模型安裝的位置要考慮到后期調(diào)試和維護(hù)；第六，模型位置布局要符合設(shè)備操作者的操作習(xí)慣。搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)幾何模型構(gòu)建思路如圖2 所示，幾何模型構(gòu)建過(guò)程如圖3 所示。

圖2 搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)幾何模型構(gòu)建

2.2 物理模型

物理模型主要是完成對(duì)幾何模型物理屬性的設(shè)置，如對(duì)導(dǎo)入的幾何模型添加重力、阻力、剛體、碰撞體、體積和鉸鏈副等物理特性，實(shí)現(xiàn)物理模型的逼真效果[6]。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表示為式（4）。

式中：PTws為搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線的物理模型,Pman為搬運(yùn)機(jī)械手孿生物理模型，Pfee為供料井孿生物理模型，Ptra為傳送帶孿生物理模型，Ppro為加工裝置孿生物理模型，Penv為環(huán)境孿生物理模型。

搬運(yùn)機(jī)械手孿生模型參考布局如圖4 所示。

2.3 生產(chǎn)行為孿生模型

生產(chǎn)行為模型主要是根據(jù)系統(tǒng)的邏輯功能，對(duì)物理模型添加過(guò)程狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體和物理實(shí)體共生，數(shù)據(jù)信息動(dòng)態(tài)映射。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表示為式（5）。

式中：BM為生產(chǎn)行為孿生模型，Blog為邏輯設(shè)計(jì)，Bmot為運(yùn)動(dòng)屬性。

2.3.1 搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線的邏輯功能

搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線主要完成物料分揀、入庫(kù)的功能，系統(tǒng)的功能流程圖如圖5 所示。明確邏輯功能有利于引導(dǎo)完成各單元模型的行為過(guò)程，明確模型各部分之間的位置關(guān)系和動(dòng)作關(guān)系。

圖5 系統(tǒng)功能流程圖

2.3.2 運(yùn)動(dòng)屬性的設(shè)置

生產(chǎn)行為孿生模型設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)屬性包括基本機(jī)電對(duì)象、運(yùn)動(dòng)副和控制方式三部分，如圖6 所示[7]。以加工單元為例，運(yùn)動(dòng)屬性的設(shè)置見(jiàn)表1 所示。通過(guò)設(shè)定傳感器、位置/ 速度控制和信號(hào)來(lái)模擬實(shí)際的控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)加工單元的動(dòng)作。

表1 加工單元生產(chǎn)行為模型設(shè)計(jì)

圖6 運(yùn)動(dòng)屬性框架圖

2.4 仿真序列的設(shè)定

結(jié)合搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線的邏輯工作流程，在NX_MCD 平臺(tái)上對(duì)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立仿真時(shí)序，利用序列編輯生產(chǎn)整個(gè)任務(wù)運(yùn)行的仿真時(shí)序，來(lái)模擬搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線的作業(yè)流程，啟動(dòng)仿真運(yùn)行，觀察整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，具體操作及順序如圖7 所示。

圖7 按時(shí)序進(jìn)行仿真控制效果圖

3 搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

利用NX_MCD 和TIA 完成搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。數(shù)字孿生線上技能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠真實(shí)地呈現(xiàn)物料搬運(yùn)機(jī)械手生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)設(shè)備各部件機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。學(xué)者可以通過(guò)NX_MCD 平臺(tái)操作各機(jī)械部件，直觀了解設(shè)備硬件的運(yùn)行狀態(tài)；在TIA 平臺(tái)上，學(xué)習(xí)者可以完成對(duì)硬件設(shè)備的邏輯設(shè)計(jì)[8]。教學(xué)技能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8 所示，NX_MCD和TIA 在線仿真控制如圖9 所示。

圖8 教學(xué)技能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

數(shù)字孿生虛擬仿真平臺(tái)和物理實(shí)體共生的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)者能夠在仿真界面和實(shí)際訓(xùn)練平臺(tái)上相互觀察、相互操作[9]，仿真平臺(tái)增加數(shù)據(jù)采集和分析功能，助力教師完成對(duì)學(xué)者的個(gè)性化指導(dǎo)，學(xué)者根據(jù)教學(xué)評(píng)價(jià)反饋，利用虛擬環(huán)境教學(xué)平臺(tái)，不斷完善項(xiàng)目，培養(yǎng)了學(xué)者對(duì)知識(shí)的應(yīng)用與創(chuàng)新能力[4,10]。采用數(shù)字孿生技術(shù)，打造虛實(shí)共生的教學(xué)環(huán)境，助力實(shí)現(xiàn)“線上+ 線下”混合式項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)教學(xué)，具體教學(xué)過(guò)程如圖10 所示。

圖10 數(shù)字孿生“線上+線下”混合式實(shí)訓(xùn)教學(xué)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)。利用SolidWorks、NX_MCD 和TIA 軟件技術(shù)，從幾何模型、物理模型、生產(chǎn)行為孿生模型等多維度構(gòu)建了搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)?shù)字孿生系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真運(yùn)行，驗(yàn)證了多維度模型構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)模型的可行性。

本文提出應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真教學(xué)平臺(tái)，豐富了教學(xué)資源。實(shí)踐證明，數(shù)字孿生線上仿真教學(xué)平臺(tái)一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的問(wèn)題，同時(shí)，學(xué)者可以不受“時(shí)間、空間”的限制隨時(shí)完成實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。另外，增加仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，能夠減少設(shè)備的損壞和能源的消耗，能夠隨時(shí)隨地為學(xué)者提供學(xué)習(xí)和訓(xùn)練平臺(tái)，節(jié)約了資源，降低了成本。因此，數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究是未來(lái)智慧教育發(fā)展的大趨勢(shì)，值得各學(xué)科借鑒！