機電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)動態(tài)干涉檢查與移載技術(shù)

中圖分類號：TH-39 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0178-04

Abstract：Inordertopromoteandapplyvirtualdebugging technologyintheautomatedequipmentindustryandsolvethe problemsofhighpriceandclosedsoftwareandhardwareecology，thispaperproposesamechatronicvirtualdebuggingsystem.In ordertooptimizethesystemdebuggingprocess，thesystemadoptsoflinedynamicinterferenceinspectiontechnologytoconduct interferenceinspection，andusesakineminetics-basedloadtransfermethodtotrigerandreleasecontactpairs，therebyadjusting theconectionrelationshipof movingpartsandupdating thepositionoftheworkpiece，therebycompletingworkpiecetransfer. Thispaperfirstintroducestheframeworkstructureofthemechatronicvirtualdebugingsystem，andthendiscusesthespecific implementationprocessofoflinedynamicinterferenceinspectiontechnologyandworkpiecetransfersimulationtechnology， providing ideas for the real-time and stable operation of the mechatronic virtual debugging system.

Keywords：mechatronics；virtualdebuging;dynamicinterferenceinspection;load transfersimulation;automationequipment

在機電工程逐步智能化發(fā)展的時代背景下，機電一體化虛擬調(diào)試技術(shù)逐漸誕生，但當(dāng)前研發(fā)出的虛擬調(diào)試軟件，存在軟硬件相互綁定、應(yīng)用價格較高的問題，為了迎合制造業(yè)對虛擬調(diào)試系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計了不依賴于硬件控制的機電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)。但此系統(tǒng)應(yīng)用時，需不斷執(zhí)行干涉檢查任務(wù)，其計算量相對較大，且工件移載過程不夠穩(wěn)定，因此，有必要引人離線動態(tài)干涉檢查、工件移載仿真技術(shù)，從而提高干涉檢查的實時性、推動運動仿真過程連續(xù)性開展。

主要用于檢查運動干涉。二是控制系統(tǒng)，包括可編程控制器、運動控制卡及其他控制系統(tǒng)，可編程控制器通過OPCUA協(xié)議、Modbus協(xié)議連接到虛擬調(diào)試系統(tǒng)上?？刂葡到y(tǒng)通過控制信號接口與虛擬調(diào)度系統(tǒng)相連。三是CAD平臺，內(nèi)置了法國達索公司的普通型三維計算機輔助設(shè)計軟件Solidworks及高級3D軟件Catia、西門子公司開發(fā)的高端CAD軟件SimensNX，通過CAD接口與虛擬調(diào)試系統(tǒng)連接，用于讀取幾何數(shù)據(jù)、接收傳感器信息，此平臺封裝于CAD接口層中。

1機電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu) 2機電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)實時性、易用性、適用性、可擴展性需求，設(shè)計了包含3部分結(jié)構(gòu)的機電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)（圖1），一是虛擬調(diào)試系統(tǒng)，其由前置處理、運動驅(qū)動、干涉檢查三大模塊組成，前置處理模塊主要用于定義機電屬性、建立信號映射關(guān)系，運動驅(qū)動模塊的作用是求解零件位置及姿態(tài)，并檢查與反饋傳感器狀態(tài)，而干涉檢查模塊

2.1離線動態(tài)干涉檢查技術(shù)

模擬設(shè)備運行、識別運動干涉是虛擬調(diào)試系統(tǒng)的主要功能，在動態(tài)檢查時，需時刻展開檢查計算，并找出運動干涉發(fā)生時間。為精準(zhǔn)確定干涉時刻、及時修正程序，采用離線動態(tài)干涉檢查技術(shù)進行干涉檢查，檢查流程如圖2所示。

2.1.1 調(diào)試信息記錄與輸出

虛擬調(diào)試過程中，用調(diào)試信息記錄與輸出記錄運動副的運動信息，并負(fù)責(zé)輸出離線動態(tài)干涉計算后得到的運動干涉信息。采用開環(huán)樹狀圖結(jié)構(gòu)求解，需記錄作為運動副運動信息的廣義坐標(biāo)值。因運動干涉回放時，要先讀取運動副的運動信息、干涉結(jié)果數(shù)據(jù)，將各時間片中運動信息與干涉計算結(jié)果一一對應(yīng)后形成的新對象數(shù)據(jù)作為運動干涉信息。記錄運動信息時，分別記錄運動副的名稱、種類及廣義坐標(biāo)值組，采用隊列式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別存儲各運動副的運動信息。輸出的運動干涉信號為運動信息、時間信息及干涉組信息。其中，干涉組信息是全部干涉信息的集合，信息內(nèi)容涉及2個相互干涉零件的名稱、大小，以CompnonentPath的數(shù)據(jù)形式存儲。離線干涉計算、干涉回放兩大模塊不使用相同線程，兩線程間的數(shù)據(jù)采用開源JOSN工具包對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式進行序列化或反序列化后再傳送，以便在內(nèi)存及外部存儲之間靈活轉(zhuǎn)換。

2.1.2離線動態(tài)干涉計算

離線動態(tài)干涉計算共分4步完成，首先進行干涉預(yù)處理，然后更新對象位置，再然后展開靜態(tài)干涉計算，最后再進行干涉排除過程。具體步驟如圖3所示。

1）干涉預(yù)處理。此步驟的目的是對原始干涉進行篩除，識別出原始靜態(tài)干涉問題。對比分析得出的干涉計算結(jié)果與初始干涉后，將初始干涉所產(chǎn)生的影響剔除。干涉結(jié)果中，除了計算出2個干涉零件的名稱以外，還包括二者干涉的大小，因而，通過分析干涉零件對的路徑、大小是否一致可完成干涉排除任務(wù)。先利用字典對象記錄原始干涉零件的路徑信息，此信息是唯一的，因一組相互干涉的零件并不相同，需存儲2次Key值，雖會削弱空間的復(fù)雜程度，但時間復(fù)雜度將有所提升。

2）位置更新。干涉計算時，為確保對象位置快捷更新，不直接利用零件對象進行干涉計算，而是使用Body2對象替代，因為此對象的存儲體量不大、計算速度較快，利用基于Windows的三維機械設(shè)計軟件SolidWork進行計算時，可保障計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照零件對象的GetBody方法獲取Body2對象，在時間步零件位置變化后提取運動副的運動信息，再對零件齊次變換矩陣進行求解，之后利用ApplyTransform完成Body2對象的位置更新任務(wù)。

3）靜態(tài)干涉計算。靜態(tài)干涉檢查時，需先進行碰撞檢查預(yù)處理，識別出存在干涉情況的幾何體，再展開精確干涉計算，可快捷、高效完成干涉檢測。干涉檢查預(yù)處理采用計算效率高的層次包圍盒法，需先在三維空間中表示出軸向包圍盒，再確定其在三維坐標(biāo)軸上投影的最大值與最小值，然后對比2個包圍盒之間極小與極大的2個點，便可識別出坐標(biāo)軸上是否存在包圍盒投影重合現(xiàn)象。經(jīng)過預(yù)處理后，可利用干涉計算函數(shù)的API接口中所包含的CheckInterference3方法計算Body2對象之間的干涉信息，此方法由2個輸入對象、一個參數(shù)對象構(gòu)成，分別是Body2對象與Options中的返回所有干涉面。干涉計算結(jié)果得出后，將路徑、大小、運動信息集合到一起同步輸出，以之作為干涉結(jié)果回放的依據(jù)。

2.1.3 回放干涉結(jié)果

系統(tǒng)離線動態(tài)干涉檢查模塊中設(shè)置了回放裝置，用戶可直觀查看零件的運動干涉狀況。干涉結(jié)果虛擬調(diào)試時，用戶在顯示屏幕上點擊“播放按鈕”，便可播放運動干涉畫面，通過控制進度條可以調(diào)節(jié)回放時間點，存在干涉的部分以高亮狀態(tài)顯示。利用System.Windows.Forms庫開發(fā)干涉界面的用戶對話框，此對話框的主體控件與功能見表1。播放控制時，采用Maximum屬性、Value屬性分別控制滑動條的滑動長度及位置，可選單步播放、自動播放2種模式，單步播放時，共有前進、后退2種不同的播放形式?；胤艜r干涉零件呈高亮狀態(tài)，通過遍歷時間步的干涉信息，提取各干涉零件的對象屬性，利用Select4（方法選中零件、采用ClearSelection2方法取消上次選中，從而實現(xiàn)干涉零件高亮處理。最后，需要顯示干涉文本框，采用ListView作為控件對象，利用文本框詳細(xì)記錄干涉零件的名稱、大小，記錄的字符串有4個，用于代表干涉信息，記錄后的對象以數(shù)組形式輸入控制對象數(shù)據(jù)欄中，各時間步開始時要將上次文本框顯示內(nèi)容清空。

2.2工件移載仿真技術(shù)

2.2.1工件運動約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移與判斷

以拆垛機器人流水線為例，工件運動時的約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移分成4個步驟完成，如圖4所示。約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移之初，工件無任何約束，而其接觸到傳送帶后，便會與傳送帶的機架之間形成移動副約束；接觸吸盤的工件，與傳送帶機架間的約束會解除，之后再與吸盤之間形成固定副約束；接觸貨架后，還會再次解除與吸盤的約束，從而與貨架之間再次形成固定副約束。為了明確工件狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時間，利用工件移載仿真技術(shù)進行轉(zhuǎn)移時間識別，此方法具有高效計算距離、實時判斷約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移時間的特性。系統(tǒng)會分別檢查工件與機架、吸盤、貨架等結(jié)構(gòu)接觸時的約束狀態(tài)，并經(jīng)過接觸對的面特征提取、位置更新、面距離計算和激活判斷4個步驟完成約束狀態(tài)轉(zhuǎn)移時間的判斷。

2.2.2 運動副連接及工件位置更新

工件與其他零件的運動副連接狀態(tài)轉(zhuǎn)移時，需新建運動副連接，并將舊連接刪除，若工件與零件的約束未斷開，會于下一時刻重建約束連接，移載時更新運動副連接時，要以接觸對狀態(tài)判斷結(jié)果作為依據(jù)。運動副連接的更新共需經(jīng)過7個步驟：一是確定工件屬性，創(chuàng)建零件間接觸，在未激活表中添加接觸對；二是遍歷激活表中的接觸，標(biāo)記未激活接觸對的狀態(tài)；三是遍歷未激活表中的接觸，然后依次標(biāo)記接觸的狀態(tài)；四是識別出激活狀態(tài)接觸后立即將工件運動副約束解除，再添加新激活的運動副約束；五是分別刪除接活表中未激活、未激活表中已激活的接觸，并添加至對應(yīng)表中；六是依據(jù)控制信號對零件的齊次變換矩陣進行計算，然后更新位置；七是返回步驟2，循環(huán)上述過程。注意工件位置更新時，由于時間不同時工件所處的運動鏈不一，不能采用運動副相對變換矩陣傳遞求解位姿，而應(yīng)采用變換后的表達式單獨求解，即

式中：零件 L 在 m 時刻相對初時刻的齊次變換矩陣計算用 T_L^m，L^o 表示，而在 ?_m 時刻相對初時刻的齊次變換矩陣計算則用 T_L^'，L^' 代表， M_G^m，L^m 表示 m 時刻到 n 時刻，工件G與零件 L 之間運動帶的相對變換矩陣， T_G^n，Go"則表示工件在 n 時刻相對初時刻的齊次變換矩陣。此新算法的求解效率見表2。

3結(jié)束語

本文介紹了機電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，為了滿足系統(tǒng)的高實時性要求，進一步探討了動態(tài)干涉檢查、工件移載的實現(xiàn)技術(shù)。采用離線動態(tài)干涉檢查技術(shù)，經(jīng)過運動記錄、離線干涉計算、干涉動畫回放3個步驟完成干涉檢查，利用以運動學(xué)為基礎(chǔ)的移載處理技術(shù)，采用接觸對、激活表完成工件與運動零件之間的接觸、斷開狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，在改變工件約束狀態(tài)的基礎(chǔ)上，化解連接觸的問題，可以降低計算量，能將計算時間縮短至毫秒級，可高效完成虛擬調(diào)試，提升調(diào)試過程的實時性。

參考文獻：

[1]張耀武，劉宇，馬付建，等.虛擬PLC驅(qū)動的生產(chǎn)線調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計J機械與電子，2024，42（4）：39-44.

[2]寇薈闊.基于SolidWorks平臺的機電一體化虛擬調(diào)試系統(tǒng)研究[J.電工技術(shù)，2023（20）：1-3.

[3]馬飛，代錕，孫巍偉.基于數(shù)字孿生的物流揀選虛擬調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計[J].機床與液壓，2023，51（16）：95-100.

[4]王兵.面向虛擬調(diào)試的自動化制造系統(tǒng)邏輯建模研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2021.

[5]陸文祥.面向智能制造生產(chǎn)線的虛擬調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2020.