基于數字孿生的加工生產線虛實交互技術研究*

周高偉,沙 杰,劉夢園,魯慶洋

(河南工業大學 機電工程學院,河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著全球范圍內科技的不斷創新與發展,我國提出了“中國制造2025”戰略計劃,其旨在推動傳統制造業向智能制造方向的轉型。在制造業轉型升級的背景下,加工生產線的智能化轉型升級已迫在眉睫。智能制造利用集成大數據、互聯網等信息化技術,通過人、機、物、法、環的連接[1],完成生產加工過程[2]中自主分析、決策的功能。

數字孿生[3]技術的出現為加工生產線的智能化發展提供了新的思路。數字孿生技術作為融合物理世界和信息世界的有效手段,通過構建虛實之間的雙向連接,讓虛擬模型模擬物理實體的行為,使得加工生產線更加智能化。

徐非等人[4]采用映射字典生成了微電子生產線的三維虛擬模型,完成了物理生產線數據到虛擬生產線的實時映射,完成了虛實數據統一;但該數字孿生體由三維模型和大量的生產數據構成,不具有普適性。石浩[5]采用數字孿生技術對智能車間進行了虛擬模擬,縮短了電機車間的調試周期和生產成本;但是其沒有對車間數據的采集給出詳細的方法。張曉萍等人[6]設計了基于數字孿生的灌裝生產線動態實時可視化監控系統,完成了多源異構數據的采集傳輸及存儲;但是其并沒有提到虛擬生產線對現實生產線的反饋。林承志等人[7]利用Unity開發自動化生產線數字孿生平臺完成了物理世界與虛擬世界間的數據交互;但是其并沒有對生產線進行生產管控。XIN Y T等人[8]利用數字孿生技術構建了起重機的人機交互界面,完成了可視化監控和反饋控制;但在數據交互過程中存在較大的延遲和誤差。

綜上所述,目前學者們在生產線虛實交互與監控方面取得了許多顯著的成就,但是仍然存在一些不足:

1)傳統企業數字化程度低,信息數據流通慢,缺少生產線信息模型與智能管理,生產數據不透明;

2)對復雜的生產線而言,不同的設備采用不同的通訊協議,給數據采集和應用造成了困難,缺乏一致有效的數據集成與傳輸方案。

針對上述不足,筆者采用數字孿生技術、建模技術、OPC技術和虛實交互技術等方式,以電機外殼加工生產線為平臺,構建虛實交互的基本框架;將加工線上不同設備進行連接并互通數據,進行物理實體與虛擬實體的實時映射,對加工過程進行實時監控,并對生產計劃進行管控[9]等。

1 虛實交互總體設計

為解決加工過程中數據采集困難和可視化程度低的問題,首先,筆者對電機外殼加工生產線的加工流程進行分析;然后,基于數字孿生技術對電機外殼加工線虛實交互技術的框架進行總體設計。

1.1 電機外殼加工流程分析

筆者借助現有的電機裝配工作站,設計了一條電機外殼加工生產線。其加工流程如下:首先,由旋轉供料機構將電機外殼毛坯件旋轉到指定點位;其次,由機械臂抓取旋轉供料機構上的電機外殼毛坯件,并將其放到加工中心;然后,由加工中心對毛坯進行一系列加工;加工完成后,機械臂抓取電機外殼,將其放置在倉庫中。

實驗設備如圖1所示。

圖1 實驗設備

加工流程如圖2所示。

圖2 加工流程

1.2 虛實交互技術框架

筆者根據加工生產線加工流程,結合陶飛提出的數字孿生五維模型理論[10]建立了基于數字孿生的加工生產線虛實交互技術框架。虛實交互技術框架主要由四部分組成:物理生產線、數字孿生體、孿生數據層和服務模塊。虛實交互技術主要是指從物理生產線中采集實時及歷史數據[11],將其傳輸到數字孿生體與服務模塊中,完成二者之間虛實映射。

基于數字孿生的加工生產線虛實交互技術框架如圖3所示。

圖3 基于數字孿生的加工生產線虛實交互技術框架

基于數字孿生的電機外殼加工線虛實交互平臺框架較為復雜,涵蓋了數據傳輸的適配性、模型構建的真實性、系統的實時性、虛實同步的準確性及遠程實時監控等設計需求。因此,為了順利完成加工生產線的虛實交互,需要在設計初期制定完整的框架和解決方案。電機外殼加工生產線虛實交互技術中的核心主要由以下三部分構成:加工生產線數字孿生體模型的構建、多源異構數據采集與處理及實時數據間的映射。

2 加工生產線數字孿生體模型構建

2.1 關鍵要素模型構建

從“人、機、料、法、環、測”的視角出發,電機外殼加工生產線加工過程中的關鍵實體要素包括:人員、設備、毛坯或產品、環境[12]。

因此,加工生產線加工過程數字孿生體統一描述表示如下:

DTL=Dp∪Dd∪Dm∪De

(1)

式中:DTL為生產線加工過程數字孿生體模型;Dp為加工生產線人員數字孿生體模型;Dd為加工生產線設備孿生體模型;Dm為加工生產線毛坯或產品數字孿生體模型;De為環境數字孿生體模型。

在關鍵要素模型構建中,Dd的構建尤為重要。為完成物理生產線到數字孿生體模型的虛實交互映射,需要參考物理生產線中的設備,從幾何、物理、行為、通訊接口等多個維度對加工生產線中的各個設備進行建模,并將各個維度的模型融合為一個完整的、能夠完整映射物理加工生產線的數字孿生體模型。

設備的數字孿生體模型描述表示如下:

Dd={Dgeo,Dphy,Dbeh,Dcoi}

(2)

式中:Dgeo為幾何模型;Dphy為物理模型;Dbeh為行為模型;Dcoi為通訊接口模型。

加工生產線設備孿生體模型的構建包括幾何模型的構建、物理與行為模型的構建、通訊接口模型的構建。具體的流程為:首先,在三維建模軟件中對對幾何模型中的關鍵要素(如形狀、尺寸等)進行建模;然后,按照對應的裝配關系將各個部件進行裝配;其次,將模型導入到機電一體化概念設計(mechatronics concept designer,MCD)中進行物理、行為模型的建模操作;最后,建立設備模型的通訊接口,以滿足實體設備與數字孿生體之間的虛實聯動[13]。

以機械臂的數字孿生體構建為例,其構建方式如圖4所示。

圖4 設備的數字孿生體模型構建

在進行加工生產線虛實同步過程中,會出現數字孿生體未實時、同步地跟隨物理加工線工作的問題。為解決上述問題,筆者需要對設備數字孿生體中幾何模型、物理行為屬性、通訊接口的構建制定相應的方案,并以機械臂的數字孿生體構建為例進行詳細介紹。

2.2 幾何模型的構建

幾何模型的構建是虛實同步能否順利完成的重要基礎。幾何模型的構建包括設備的形狀、尺寸、顏色、裝配關系、相對位置關系等參數,可以在三維建模軟件SW、UG中進行構建。

為解決虛實同步過程中數字孿生體模型運動同步性的問題,數字孿生體的幾何模型尺寸與物理實體的幾何尺寸及相對位置需保持一致,相對位置誤差應保持在最大、最小偏差內。為此,筆者需要對設備幾何模型形狀、尺寸、相對位置及裝配關系進行描述。

以機械臂幾何建模為例,幾何模型構建的描述表示如下:

SDT={Sb,Ss…};

Msi={Mx,My,Mz};

PDT={Px,Py,Pz},

Pxi≤Px≤Pxa,Pyi≤Py≤Pya,Pzi≤Pz≤Pza;

ADT={At,Ap,Av,Arv,Aro}

(3)

式中:SDT為機械臂數字孿生體模型的形狀參數;Msi為機械臂的數字孿生體模型的尺寸關系;Mx,My,Mz為機械臂模型x,y,z軸的幾何尺寸;PDT為數字孿生體設備幾何模型的相對位置關系;Px,Py,Pz為加工線機械臂模型設備的x,y,z軸的位置坐標;Pxi,Pxa為位置坐標允許的最小、最大偏差值;ADT為數字孿生體設備的裝配關系;At為相切;Ap為平行;Av為垂直;Arv為值域范圍;Aro為旋轉范圍。

2.3 物理、行為屬性的構建

物理、行為屬性的構建是數字孿生體進行運動的關鍵,同時也關系到通信接口的構建。物理、行為屬性的構建包括質量、碰撞、運動、運動控制等屬性,為解決虛實同步過程中數字孿生體與物理設備實時運行不一致的問題,筆者需要對數字孿生體設備中關節的運行方式、速度及加速度等進行設置。

以機械臂數字孿生體中物理、行為屬性的構建為例進行描述,表示如下:

PHDT={PHmass,PHmom,PHcen,PHCS,PHCP…};

HPDT={HPPRI,HPAXI,HPANC,HPSTA,HPROTA},
HPROTASUP≤HPROTA≤HPROTALOW;

PODT={POMOD,POROTDI,POMOVS,POMOTA},
POMOTAMAX≤POMOTA≤POMOTAMIN;

APPO={AxiP1,AxiP2,AxiP3,AxiP4,AxiP5,AxiP6}

(4)

式中:PHDT為機械臂數字孿生體物理屬性;PHmass為機械臂數字孿生體各個關節的質量;PHmom為各個關節的慣性矩;PHcen為各個關節的質心;PHCS為碰撞形狀;PHCP為碰撞位置;HPDT為機械臂數字孿生體行為屬性建模中的各軸的運動屬性;HPPRI為軸旋轉所參考的基本體;HPAXI為軸矢量;HPANC為錨點;HPSTA為起始角;HPROTA為機械臂各軸旋轉角度;HPROTASUP為機械臂各軸旋轉角度上限;HPROTALOW為機械臂各軸旋轉角度下限;PODT為機械臂數字孿生體運動控制屬性;POMOD為運動類型;POROTDI為運動路徑;POMOVS為機械臂運行速度;POMOTA為運動加速度;POMOTAMAX,POMOTAMIN為機械臂運行的最大與最小加速度;APPO為機械臂數字孿生體驅動信號;AxiP為機械臂的六個軸的數字孿生體驅動信號。

2.4 通訊接口的構建

通訊接口的構建是數字孿生體運行過程中驅動各個動作精確運行的重要橋梁,也是物理加工線與數字孿生體同步運行的重要一步。

以機械臂數字孿生體通訊接口的建立為例進行描述,表示如下:

SAPO={AXIS1,AXIS2,AXIS3,AXIS4,AXIS5,AXIS6};

AXIS1=AxiP1,AXIS2=AxiP2,AXIS3=AxiP3,
AXIS4=AxiP4,AXIS5=AxiP5,AXIS6=AxiP6

(5)

式中:SAPO為MCD與機械臂的數字孿生體及外部進行通信的接口;AXIS為控制機械臂數字孿生體各軸的信號接口;AXIS1=AxiP1為各軸的信號接口與數字孿生體驅動信號的對應關系。

3 多源異構數據采集與處理

電機外殼的加工生產線由西門子1200可編程控制器(programmable logic controller,PLC)進行總體控制。筆者采用以太網、I/O總線等方式對現場的機床、機器人、旋轉供料、立體倉庫、傳感器進行連接,形成系統的通訊網絡,再通過數據的采集、分析和傳輸,將數字孿生體和物理生產線所有數據(參數)進行一一映射,并進行數據的實時傳輸。

加工生產線的設備來自不同的廠家,擁有不同的控制系統,且不同的控制系統擁有不同的通訊協議。為了解決多源異構數據的采集與處理問題[14],需要尋找行之有效的數據采集方法,建立不同設備之間的連接,進而完成物理生產線與數字孿生體之間的虛實同步。而OPC通訊協議為不同設備和軟件規范了一套標準的通訊接口[15],其能夠解決多源異構數據的采集與傳輸問題。

筆者利用OPC通訊,結合OPC統一架構(unified architecture,UA)與OPC數據訪問(data access,DA)兩種技術完成了設備的連接與數據的采集[16],采用KEPServerEX軟件作為OPC DA服務器;結合使用C#開發的OPC UA機器人數據采集軟件以及機床數據采集軟件,建立了加工生產線數據采集與傳輸的方案。

首先,筆者將裝有KEPServerEX軟件的計算機采用以太網的方式與交換機、PLC、機器人控制柜和機床相連,形成主要通信方式;然后,采用倍福I/O模塊總線將加工生產線上的傳感器連接到機器人控制柜D652 I/O板,與ABB機器人進行通信;其次,倉庫采用以太網方式與PLC連接;最后,在建立好的通信通道的基礎上,以尋址的方式獲取各個設備的IP地址,再采用通訊協議對加工生產線運行過程中的數據進行實時采集。

數據采集和傳輸的框架如圖5所示。

圖5 數據采集與傳輸框架

筆者采用數據采集軟件及KEPServerEX軟件對生產線的數據進行轉換、分類、匯總,采用OPC通信協議將數據傳輸至數字孿生體及服務系統中[17]。

采用上述方式,可以高效、實時地采集與傳輸加工生產線的各類數據,為后續虛實同步奠定基礎。

4 實時數據間的映射

完成物理生產線與數字孿生體的實時運行,是加工生產線可視化的重要一步。筆者在完成了數字孿生體構建與多源異構數據采集與處理后,需要將采集完成的數據與數字孿生體的數據進行一一對應。以機械臂的虛實交互為例,將實體機械臂的信號與MCD中的信號建立連接,完成信號的高保真映射[18]。

數據間的映射表示如下:

EXSPO={ROBJ1,ROBJ2,ROBJ3,ROBJ4,ROBJ5,ROBJ6};

ROBJ1=AXIS1,ROBJ2=AXIS2,ROBJ3=AXIS3,
ROBJ4=AXIS4,ROBJ5=AXIS5,ROBJ6=AXIS6

(6)

式中:EXSPO為物理實體的機械臂的信號集合;ROBJ為機械臂各軸的實時數據;AXIS1=AxiP1為實體機械臂各軸信號數據與MCD各軸信號接口的對應關系。

筆者將MCD軟件中OPC客戶端與外部OPC服務器進行連接,形成數據傳輸通道。通道傳輸的數據通常由數據名稱、I/O類型、數據類型、路徑等信息構成,這就需要將物理生產線與數字孿生體間具有相同動作信息的節點一一映射起來。而實體設備傳來的實數、單精度浮點型和雙精度浮點型數據在MCD中統一為用實數類型進行展現,便于物理生產線到數字孿生體之間的虛實交互[19-21]。

數據變量映射如圖6所示。

圖6 數據變量映射圖

筆者將加工生產線與數字孿生體所有數據一一映射完成之后,啟動加工生產線、數據采集及KEPServerEX軟件,由OPC服務器對加工生產線的各個節點中不斷變化的數據進行監聽和訂閱,由OPC客戶端對不同節點數據進行提取,將物理實體的數據向數字孿生體傳輸。

其中,數字孿生體對物理實體的信號反饋是通過PLC與MCD的OPC UA客戶端與服務器來完成,數據映射的方式與圖6映射的方式一致,但數字孿生體可將傳感器信號反饋給PLC,進而完成加工生產線的虛實同步運行。

5 實例驗證

筆者以某電機外殼加工生產線為驗證對象,針對現有設備數據采集困難、可視化程度低及缺少智能管理等問題,采用數字孿生技術對加工生產線設計虛實交互方案,利用三項關鍵技術為加工生產線提供了解決方案;此外,對加工生產線產生的加工過程信息、設備信息和管理信息等進行了可視化展示。

5.1 加工生產線數字孿生體構建

加工生產線的數字孿生體構建,首先,筆者采用UG三維建模軟件繪制幾何模型,并對加工生產線中的設備進行合理的布局;再由MCD機電概念設計對幾何模型進行行為屬性的構建;最后建立模型的通訊接口,為虛實映射做好準備。

虛擬加工生產線如圖7所示。

圖7 虛擬加工生產線布局圖

5.2 加工生產線數據采集與傳輸

電機外殼加工生產線由西門子1200 PLC總控,首先,需要在博途軟件中定義變量,編寫PLC程序,完成PLC環境搭建;然后,將博途中的組態和程序下載到PLC中。

加工生產線部分數據參數如圖8所示。

圖8 加工中心數據參數

某電機外殼加工生產線采用以太網、I/O總線的方式對現場的加工中心、機器人、旋轉供料、立體倉庫、傳感器進行連接,形成系統的通訊網絡,再通過采集、分析和傳輸,將數字孿生體和實體設備中所有的數據類型進行一一映射。

信號映射如圖9所示。

圖9 虛實加工生產線信號映射

5.3 虛實交互驗證

在物理生產線與數字孿生體完成映射并啟動后,實時數據將經過通信網絡在數字孿生體、物理生產線和服務模塊中傳輸,完成數字孿生體與物理生產線同步工作。

加工生產線虛實交互工作效果如圖10所示。

圖10 虛實交互效果圖

筆者以機械臂五軸的虛實交互實驗為例,驗證生產線虛實交互的性能。該實驗采用示教器控制實體機械臂運行一定的角度,理論上,機械臂數字孿生體會跟隨實體機器人運行同樣的角度。

實驗結果表明,二者數據存在較小的偏差,驗證了虛實交互性能的可靠性。

虛實交互實驗數據如表1所示。

表1 虛實交互實驗數據

為了增強某電機外殼加工生產線的智能管理能力,筆者采用制造執行系統(manufacturing execution system,MES)控制某電機外殼加工生產線的運行,對待加工訂單進行管理與排程,并且完成了加工過程信息的實時可視化展示。某電機外殼加工生產線的服務模塊可視化面板由虛實同步界面、MES管理界面、機床與機器人數據監控面板共同構成。

數據動態實時顯示界面如圖11所示。

圖11 生產管理及數據動態實時顯示圖

6 結束語

針對傳統加工生產線運行過程中設備數據采集困難和可視化程度低的問題,筆者研究了基于數字孿生的加工生產線虛實交互技術,對加工生產線進行了數字孿生體建模,完成了加工生產線中多源異構數據的采集與處理,以及實時數據間的映射,并在電機外殼加工生產線上進行了驗證。

研究結論如下:

1)實驗結果表明,機械臂虛實交互的可靠性高達99.95%,保證了加工生產線虛實交互的精確性;

2)解決了電機外殼加工生產線監控中數據獲取困難和實時生產運行過程可視化程度低的問題;

3)筆者提出了數字孿生體模型構建方法和數據采集框架,對虛擬生產線的搭建和實體生產線多源異構數據獲取提供了技術解決方案。

目前,筆者已經完成了從物理加工線到加工線數字孿生體的生產過程的實時映射,但仍存在不足之處。在后續的工作中,筆者將在機械臂上加裝相機及激光距離傳感器來監測工件狀態,并研究虛實交互性能優化、特殊情況的處理以及機械臂路徑規劃等方面的問題。