基于數(shù)字孿生的機器人虛擬調(diào)試系統(tǒng)設計及開發(fā)

劉 俊

（廣州番禺職業(yè)技術學院，廣東廣州 510030）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，未來絕大多數(shù)企業(yè)都將成為數(shù)字化的公司。這不僅只是要求企業(yè)開發(fā)出具備數(shù)字化特征的產(chǎn)品，更要整個企業(yè)逐漸數(shù)字化，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的手段改變整個產(chǎn)品的設計、開發(fā)、制造和服務過程，并用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式連接企業(yè)的內(nèi)部和外部環(huán)境[1]，而這一切都是建立在數(shù)字孿生技術的基礎上。

數(shù)字孿生概念模型主要包括三個部分：物理空間的實體、虛擬空間的模型、物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息接口。數(shù)字孿生目的是通過數(shù)字化技術，建立物理世界的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬實體在真實環(huán)境下的行為，通過虛實交互、數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術手段，改進和提升物理實體的效能。當前，大部分自動化設備的調(diào)試都是實機調(diào)試，然而實機調(diào)試存在諸多問題[2]：（1）機械、電氣和控制工程師在實機完成前難以進行聯(lián)合調(diào)試，只能分開各自調(diào)試，容易出現(xiàn)設計問題；（2）設計、制造、調(diào)試及后續(xù)實際生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)屬于串行式流程，調(diào)試周期會很長；（3）實機調(diào)試需要技術水平較高的工程師才能完成，如果派遣經(jīng)驗不足的工程師，反而容易損壞設備；（4）實機調(diào)試需要停機，會影響生產(chǎn)效率，進行試生產(chǎn)需要花費多余的成本。因此，虛擬調(diào)試技術為解決以上問題提供了新的方法和途徑。

數(shù)字孿生技術是虛擬調(diào)試的關鍵基礎，所以本文重點介紹在產(chǎn)品設計階段，依托數(shù)字孿生技術開展工作站邏輯性、可靠性仿真和分析，進而改進設計和提高可靠性。

1 虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬調(diào)試系統(tǒng)需要解決的問題主要有兩個：一是驗證設計邏輯的正確性、可用性，二是確定參數(shù)的合理值或者最佳值[3]。以上下料產(chǎn)線來舉例，虛擬調(diào)試可以分為上下料產(chǎn)線機械本體和邏輯控制程序兩個方面。機械本體的虛擬調(diào)試需要進行運動學檢查，確保設備各部件在正常運動下不產(chǎn)生碰撞干涉行為。邏輯控制程序方面，需要驗證程序設計的正確性，即程序是否能完成正常的控制功能，能否正確識別傳感器和各I/O變量，執(zhí)行正確的邏輯。另外，還可以通過調(diào)節(jié)生產(chǎn)中合理的工藝參數(shù)，確定最佳的生產(chǎn)節(jié)拍。

根據(jù)以上調(diào)試需求，本文設計虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。本虛擬調(diào)試系統(tǒng)由工程師通過人機交互界面控制產(chǎn)線數(shù)字孿生模型，控制命令由虛擬控制系統(tǒng)交互通信接口到達模型端，數(shù)字孿生模型接到控制指令后，模擬與實際設備相同的行為運行，由通信接口將模型運行信息反饋回控制系統(tǒng)。數(shù)字孿生模型會模擬實機的運行狀態(tài)，并通過孿生模型的三維仿真動畫展示出來。此外，數(shù)字孿生模型還可以模擬各類傳感器，配合產(chǎn)線在不同狀態(tài)下的I/O量，真實PLC會跟虛擬控制系統(tǒng)進行通信，執(zhí)行PLC程序，方便調(diào)試正確性。

圖1 虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的虛擬調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)中，數(shù)字孿生模型構(gòu)建是基礎。本系統(tǒng)是基于Unity引擎開發(fā)的，借助該引擎可快速開發(fā)數(shù)字孿生模型。另外，基于C#面向?qū)ο蟮乃枷?，結(jié)合實際設備的特點，采用多物理領域統(tǒng)一建模的方法構(gòu)建數(shù)字孿生模型。模型構(gòu)建中主要依據(jù)三條指導原則：面向?qū)ο蠓纸庠瓌t、多物理領域統(tǒng)一集成原則和增量式構(gòu)建原則。

2 建立數(shù)字孿生模型

由于本系統(tǒng)是基于Unity開發(fā)的，上下料產(chǎn)線等實體模型都是由通用三維設計軟件先建立好模型，然后利用格式中轉(zhuǎn)的方式或者購買Pixyz插件，在Unity中快速導入、準備和優(yōu)化CAD、網(wǎng)格和點云模型，實現(xiàn)實時可視化。

數(shù)字孿生模型需要添加剛體屬性才能受到重力或其他作用力的影響。使用Unity的優(yōu)勢在于其自帶的碰撞盒組件（Collider），將物體掛上剛體組件（Rigidbody），如圖2所示，就可以受到重力和其他力的作用，也可以檢測到碰撞。只有掛上了這些組件，才可以用代碼編寫觸發(fā)函數(shù)或者碰撞回調(diào)函數(shù)。如果模型沒有定義剛體，它就會靜止，而且不會參與到任何運動中，因此本系統(tǒng)設計的時候一定要清楚哪些物體需要定義為剛體。

圖2 剛體組件和碰撞盒組件

本系統(tǒng)以上下料產(chǎn)線為數(shù)字孿生對象，包含一臺數(shù)控車床、帶手爪的工業(yè)機器人、上料準備機和工件完成區(qū)，如圖3所示。由于本系統(tǒng)的目的是進行虛擬調(diào)試，所以數(shù)控車床的孿生模型只需要有開關門的動畫仿真，并不需要仿真切削加工過程。帶手爪的工業(yè)機器人需要有動作仿真，所以需要在機器人這個物體上掛上帶有機器人運動學正逆解的函數(shù)，而手爪需要仿真松開和夾緊動作。另外，上料準備機和工件完成區(qū)不需要賦予任何運動，只需要對每一個工件賦予剛體和碰撞盒，運行過程中，在重力作用下自然會逐個進入到上料位置。值得注意的是，本例中工件其實有兩個子物體，共用一個碰撞盒，在加工前會顯示毛坯件，隱藏完成件，加工后會顯示完成件把毛坯件隱藏。以上就是一個簡單上下料產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方式。

圖3 上下料產(chǎn)線數(shù)字孿生模型

3 電氣控制和執(zhí)行機構(gòu)

要完成上下料產(chǎn)線的正確運行，除了每一個設備可以正常工作以外，還需要它們相互配合，才可以完成上下料。因此，需要在系統(tǒng)中設置傳感器，常用的傳感器有碰撞傳感器、距離傳感器和位置傳感器。本例中，機器人手爪的夾緊就用到了碰撞傳感器，在上料位置需要時刻檢測手爪夾緊的程度，利用碰撞傳感器來判斷手爪是否抓緊毛坯工件。同樣地，在數(shù)控車床加工完打開門后，機器人夾取完成件的時候也需要使用碰撞傳感器。本例中位置傳感器運用在上料準備機上，上一個工件被夾取后，其他毛坯會自動下移，當毛坯到底的時候就會觸發(fā)位置傳感器。位置傳感器就是為了確保上料機上有毛坯，不會出現(xiàn)沒有毛坯但是機器人過來空抓的情況。

其實，傳感器就是作為動作觸發(fā)的條件，相當于一個信號的輸入，所以本系統(tǒng)還設置了一個虛擬的輸入/輸出端子，可以仿真實機上的I/O端子。本系統(tǒng)通過socket通信，跟機器人控制器、機床控制器和PLC進行數(shù)據(jù)傳輸。通過系統(tǒng)虛擬模擬傳感器的觸發(fā)，修改外部實機的輸入信號。舉例說明如下：毛坯工件到位，會觸發(fā)位置傳感器，然后給機器人控制器一個輸入信號，機器人接收到信號后會執(zhí)行上料程序，運行到上料位置，然后等待；緊接著手爪會進行夾緊動作，當碰撞傳感器觸發(fā)后，會給手爪和機器人一個信號，手爪會停止夾緊動作，而機器人會繼續(xù)執(zhí)行上料程序，把毛坯運輸?shù)綌?shù)控機床的安裝位置。由此可知，虛擬輸入/輸出端子板很重要，對于虛擬調(diào)試不可或缺，因此，本系統(tǒng)還特地準備了一個虛擬端子板的調(diào)試面板，如圖4所示，用于顯示當前的虛擬輸入/輸出的狀態(tài)。

圖4 虛擬輸入/輸出監(jiān)控

4 自動化邏輯

本例上下料產(chǎn)線包括數(shù)控車床、帶手爪機器人、上料準備機等主要模塊。為保證各部分之間的協(xié)調(diào)運行，有必要對控制系統(tǒng)建立仿真序列進行虛擬自動化邏輯控制仿真。工業(yè)上的產(chǎn)線，一般都是把PLC作為控制系統(tǒng)，它與微型計算機相似，負責的工作是根據(jù)輸入來執(zhí)行事前編寫好的程序。因此，虛擬調(diào)試系統(tǒng)最主要的目的就是檢驗PLC程序的正確性。本例上下料產(chǎn)線建立仿真序列是基于動作流程，在每一步流程結(jié)束后，需要對應地變更虛擬輸入變量，以此條件來檢驗PLC程序。

上下料產(chǎn)線的動作流程如下：

（1）機器人運動到毛坯料的側(cè)方；

（2）機器人手爪中心往毛坯料中心移動；

（3）手爪夾緊毛坯；

（4）機器人手爪上移，然后夾著毛坯進入數(shù)控車床的卡盤正前側(cè)；

（5）數(shù)控車床卡盤夾緊毛坯；

（6）機器人手爪松開毛坯；

（7）機器人退出數(shù)控車床工作區(qū)域；

（8）數(shù)控車床關門并進行加工；

（9）加工完成后打開門；

（10）機器人進入并夾緊完成件；

（11）數(shù)控車床卡盤松開；

（12）機器人帶著完成件移動到工件完成區(qū)上方；

（13）機器人手爪松開工件，使其自行掉落到工件完成區(qū)。

往復循環(huán)上述步驟，完成所有毛坯的加工。每個動作完成后都設計了對應的傳感器來檢測動作是否完成到位，并通過輸入/輸出監(jiān)控面板的狀態(tài)實時反映系統(tǒng)的狀態(tài)，從而保證了系統(tǒng)運行的正確性。在完成數(shù)字孿生模型的相關設置以及控制信號的連接后，可以在本系統(tǒng)進行基于數(shù)字孿生模型的虛擬調(diào)試，從而達到高效驗證模型、優(yōu)化系統(tǒng)設計的目的。

5 結(jié)語

新系統(tǒng)的設計和實施通常是耗時且高成本的過程，完成設計、采購、安裝后，在客戶現(xiàn)場生產(chǎn)運行之前還需要進行調(diào)試。通過對設備虛擬調(diào)試驗證其可行性后再進行實物加工和實施，可以縮短產(chǎn)品從設計到實際生產(chǎn)的時間，使現(xiàn)場的調(diào)試速度更快、風險更低。

本文結(jié)合數(shù)控車床上下料產(chǎn)線設計并開發(fā)了虛擬調(diào)試系統(tǒng)，闡述了數(shù)字孿生技術在制造自動化裝備開發(fā)過程中既可以有效縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，又可以降低新產(chǎn)品研發(fā)風險和研發(fā)投入的作用。由此可見，基于數(shù)字孿生的虛擬調(diào)試技術將在智能制造時代發(fā)揮重要作用。