基于數字孿生的電機智能車間研究與應用探索

石 浩， 楊祖偉， 張佳欣

(1.上海電科電機科技有限公司，上海 200063；2.上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063；3.上海江衡軟件科技有限公司，上海 201600)

0 引 言

近年來，隨著“中國制造2025”和“互聯網+”等國家制造業發展戰略的推進，智能制造項目在電機企業逐步實施與落地，電機行業在自動化和信息化建設方面有了長足的進步[1-3]。但是由于電機行業產品的特殊性，如產品個性化定制、小批量多品種生產模式等[4]，使得電機制造智能化項目難以復制與推廣，仍然需要大量的定制化設計與研發，項目建設的成功與否取決于設計人員的設計經驗與能力。同時，在企業智能制造項目的實施過程中，存在項目落地難、建設周期長、智能化程度不高等問題，已成為電機行業智能制造推進的瓶頸。

數字孿生概念提出時主要用于航空飛行器等復雜結構產品的設計。在此之后，PTC公司致力于在虛擬世界與現實世界之間建立實時的連接(數字孿生)，為客戶提供高效的產品售后服務與支持。國外，西門子公司將其用于產品制造過程的分析，致力于幫助制造企業在信息空間構建整合制造流程的生產系統模型，實現物理空間從產品設計到制造執行的全過程數據化[5]。

國內，陶飛等[6]提出“數字孿生車間”概念，其應用場景之一是基于數字孿生的車間快速設計，核心是基于實際車間環境、運行數據等進行虛擬三維車間的快速設計、驗證與優化，為復雜車間環境下數字化車間的設計與驗證指出了一個新的方向。

在此基礎上，本文針對電機行業智能制造的瓶頸問題，結合數字孿生車間的相關理論，開展基于數字孿生的電機數字化車間工藝、裝備等模型的研究，探索基于數字孿生的電機數字化車間快速設計、電機數字化生產線的虛擬調試與智能監測等應用，以提升電機數字化車間設計的可靠性和可驗證性，降低車間運行調試周期和成本，實現電機制造車間的數字化、可視化與智能化。

1 數字孿生車間介紹

數字孿生車間是在新一代信息技術和制造技術驅動下，通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實施互動，實現物理車間、虛擬車間、車間服務系統的全要素、全流程、全業務數據的集成和融合[7-8]。

數字孿生車間系統主要由物理車間、虛擬車間、車間服務系統和車間孿生數據4部分組成，如圖1所示[5]。在車間孿生數據的驅動下，生產要素管理、生產活動計劃、生產過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務系統之間迭代優化，在滿足特定目標和約束的前提下，達到車間生產和管控的最優[5-9]。

圖1 數字孿生車間系統組成

2 基于數字孿生的電機智能車間系統

2.1 基于數字孿生的電機智能車間系統架構

基于數字孿生的電機智能車間系統的系統架構和運行流程如圖2所示，主要包括信息系統、仿真系統和智能展示系統。其中，信息系統包括制造執行系統(MES)、分布式數字控制(DNC)過程控制系統、現場監控與數據采集(SCADA)系統，用于車間生產指令的下達和現場數據的采集；仿真系統為實際車間的孿生建模，包括生產要素功能建模和孿生數據驅動建模，用于生產指令的仿真與優化；智能展示系統包括虛擬現實(VR)和增強現實(AR)系統，用于虛擬信息在實際車間環境的可視化展示。

圖2 基于數字孿生的電機智能車間系統架構

通過實物設備與虛擬模型之間的虛實互動、指令與信息的實時同步、虛擬車間與實際車間環境的可視化融合，形成一個支持實物設備連線的數字化車間設計、調試與驗證平臺。該平臺在數字化車間建設的不同階段應具備的特征如下。

(1)在數字化產線設計階段，實現虛擬產線加工運動的近物理仿真，以及實際車間環境下虛擬產線與實際設備之間的融合調試與仿真。

(2)在數字化車間運行調試階段，支持虛擬產線與MES、倉儲管理系統(WMS)等車間制造執行系統之間的對接，實現數字化車間方案的可視化驗證與優化分析。

(3)在數字化車間應用階段，支持車間自適應調度、VR/AR輔助的人機交互，實現車間智能調度以及復雜工藝的可視化指導與人員的快速培訓。

2.2 基于數字孿生的電機數字化車間建模

2.2.1 電機異構設備功能建模

電機異構設備功能建模是指建立不同類型、不同結構的電機設備運動副、控制參數(運動參數、非運動參數)和驅動接口的建模。電機設備執行機構運動副的運動通過控制參數控制，控制參數通過驅動接口與可編程邏輯控制器(PLC)控制信號連接，從而在虛擬環境中實現異構設備的近物理仿真，如圖3所示。

圖3 異構設備控制原理圖

其中，運動副建模是指建立執行機構各運動組件的邏輯關系，包括相對/絕對運動關系、運動類型等，如機器人6關節均相對上一關節做旋轉運動。

控制參數包括運動參數和控制信號，其中運動參數主要包括速度、轉速、上下限位置等，控制信號主要包括起停信號、運動持續時間、夾持/釋放等控制信號。

以七軸機器人為例，其運動功能建模過程設計如下。

(1)建立各執行機構的運動副，包括底座與地軌之間的直線往復運動副、各關節之間的旋轉運動副和抓手夾持運動副。

(2)建立各運動副的控制參數，包括底座直線移動速度、上下限位置，關節1～6的轉速、轉角范圍、初始位置，起停信號，持續時間，抓手抓取、釋放信號等。

(3)通過將PLC控制信號轉換為時間驅動和速度驅動2種模式，將控制信號轉為運動副的控制參數以驅動運動副的運動；當控制信號的參數超出位置/速度上下限值時，予以反饋示警。

2.2.2 電機數字化車間工藝流程建模

工藝流程建模是在數字化車間資源建模的基礎上，將設備功能模型與產品工藝路線相結合，完成電機產品基于虛擬化設備的工藝流程建模與仿真，具體如圖4所示。

圖4 數字化車間工藝流程建模

工藝流程建模包括工序建模和工藝流程建模。通過工藝流程建模將生產要素建模的各要素相關聯，實現工藝流程的可視化設計。

工序建模針對工藝流程的一個節點，依賴于某個工位或設備，包括輸入物料表、各緩沖區物料表和輸出對象、物料處理過程的時序和動作內容。

工藝流程建模建立起由一個或多個工序組成的完成某個零件加工、部件制造或產品制造過程的邏輯模型。工藝流程采用倒樹狀結構設計，一個工序可以有多個前驅工序，但只有一個后繼工序。

2.2.3 電機數字化車間系統建模

數字化車間資源建模是指建立數字化車間的三維布局及組成數字化車間布局的各資源(人、機、料、環)之間的邏輯關系，包括工位規劃、生產系統規劃和數字化車間規劃，如圖5所示。

圖5 數字化車間資源建模

在工位建模中，需將人員、設備、物料等資源信息與工位進行關聯，并進行布局建模，其中輸送系統中的輸送線為輸送工位。

將各工位以圖形化的方式進行連接，形成生產線的邏輯模型，其中一個節點為一個工位，工位與工位之間的連接線為物流路線。

將生產線、物流系統、線邊庫等系統按邏輯結構和布局進行組合，形成數字化車間，并完成相關參數設置。

2.3 基于數字孿生的虛擬仿真系統

基于數字孿生的虛擬仿真系統在設備功能建模、工藝流程建模的基礎上，采集實際數據驅動工藝仿真模型運轉。數據驅動的虛擬仿真系統架構如圖6所示。

圖6 基于數字孿生的虛擬仿真系統架構

2.3.1 監控數據采集

監控數據通過數據屬性和數據值2種結構來表達。數據屬性包含了該數據的ID、名稱、類型、單位、所屬設備、最大值、最小值等，數據值包含了該數據關聯的數據類型ID、數據的產生時間、數值。兩者通過數據類型ID進行對應。數據表達方式如圖7所示。

圖7 監控數據結構圖

數據采集模塊將采集到的不同類型的數據通過統一的輸出接口輸出，提供給仿真模塊。輸出接口采用TCP協議實現，可支持局域網內任意位置的仿真模塊連接，并且支持多個客戶端的連接，最大連接數可達64個。

輸出接口由數據調度線程進行整體控制，在指定TCP端口進行監聽，當有仿真客戶端連接時，動態創建一個數據傳輸線程與仿真客戶端連接，并一直保持到客戶端退出為止。當數據處理線程有數據推送到連接與調度線程時，根據客戶端數量復制數據到每個數據傳輸線程，由數據傳輸線程傳輸到各自對應的仿真客戶端。具體的工作模式如圖8所示。

圖8 數據采集與孿生驅動流程圖

2.3.2 實時數據驅動

根據數據采集系統采集到的工藝數據，對工藝模型進行驅動，主要包含以下步驟。

(1)實時數據接口：在實際生產過程中讀取設備的實時運行參數、訂單參數等數據輸入仿真系統，作為實際輸入參數。

(2)建立參數對應關系：建立實際采集到的參數與仿真模型中對應參數的對應關系，進行設備驅動。

(3)運動學解算：根據設備驅動參數以及定義的設備運動副參數，計算設備中各個機構的實時位置及相關工件、環境模型等的位置。

2.4 基于數字孿生的AR可視化系統

電機車間可視化驗證是在虛擬車間數據融合的基礎上，將虛擬車間運行模型與車間的實時運行環境融合，并通過VR/AR技術進行可視化展示。其關鍵在于通過實際車間空間坐標與虛擬車間空間坐標的映射，實現虛擬運行模型在實際車間環境和場景中全方位的精確對準。虛實融合實現過程如圖9所示。

圖9 基于數字孿生的AR可視化系統實現過程

2.4.1 基于數字孿生的AR可視化系統架構

系統的組成主要包括3D數字化生產系統模型、AR注冊/定位/顯示、VR顯示、MES及數采系統通信接口。AR顯示又分為固定視角的AR顯示和基于光學透視AR眼鏡的移動式AR顯示。VR顯示包括基于大屏幕的VR顯示和基于HTC VIVE的移動式VR顯示。系統組成如圖10所示。

圖10 基于數字孿生的AR可視化系統

2.4.2 基于數字孿生的AR可視化系統功能

基于數字孿生的AR可視化系統通過TCP協議與虛擬仿真系統進行數據交換，接收仿真系統計算的各物體狀態數據，結合攝像頭的圖像，進行虛實融合。其中,攝像頭采集的圖像為實物實際狀態，虛擬仿真系統輸出的仿真物體的位置為虛擬物體圖像，AR輸出模塊將二者通過3D注冊、視點跟蹤以及虛實融合顯示在同一畫面中，并輸出到大屏投影系統或AR眼鏡。

AR輸出模塊的3D注冊、視點跟蹤和虛實融合功能介紹如下。

(1)3D注冊指建立世界坐標系，通過AR識別方式建立起各個虛擬物體在世界坐標系中的位置。實現3D注冊的過程涉及一系列坐標系統的相互轉換，還涉及到用數學模型描述的攝像機模型，通過攝像機模型可以將3D空間中的點與2D圖像點建立聯系。

(2)3D注冊過程中，通過二維碼Marker標定各個物體的實際位置和世界坐標系的位置，通過攝像頭識別物體上二維碼Marker在相機坐標系下的坐標值、世界坐標系二維碼在相機坐標系下的坐標值，通過這2個坐標值解出物體在世界坐標系下的位姿矩陣。

圖11 世界坐標系和標定的物體坐標系

視點跟蹤主要指用戶使用便攜式AR背包時，跟蹤頭戴攝像頭的位置，實現正確的虛實疊加。系統采用ARToolKit SDK進行二維碼Marker標記的識別，從而計算出相機坐標系在世界坐標系下的實時位置，實現視點跟蹤功能。具體流程包括如下步驟。

(1)相機標定：通過二維碼標定相機的內參矩陣以及畸變參數，形成相機標定文件。

(2)圖像校正：將攝像頭采集到的畫面進行校正，通過相機標定得到的畸變參數將圖像邊緣進行處理，盡量消除相機鏡頭帶來的畸變。

(3)圖像二值化：將采集到的彩色圖像由RGB顏色空間轉換到HLS顏色空間，并通過亮度值以及閾值將圖像二值化。

(4)識別二值化圖像中的Marker標記點，提取出各個標記點的輪廓，并根據2D到3D的空間變換，計算出各個Marker標記點在相機坐標系下的位置。

(5)根據識別到的Marker 3D空間位置以及3D注冊的結果，計算出當前相機的視點矩陣。識別結果如圖12所示。

圖12 Marker識別與相機視點追蹤

虛實融合指系統通過圖像識別計算Marker標記點對應的物體位置，并通過其3D幾何模型逐像素計算該點在3D空間中的深度值。算法流程圖如圖13所示。

圖13 虛實遮擋算法流程圖

在AR輸出模塊處理物體與物體之間的遮擋時，比較像素點之間的深度，如果虛擬物體上點的深度值小于模板緩存中的像素深度值，則表明虛擬物體離視點更近，繪制該像素值；反之則仍使用原來的像素值。

使用固定攝像頭與使用透視眼鏡模式下的處理略有不同。前者幀緩存使用攝像頭采集的圖像，每次采集到攝像頭的畫面時，更新幀緩存中的背景圖像。后者將虛擬物體與透視眼鏡中看到的實際物體進行虛實遮擋，幀緩存中無需繪制攝像頭采集的圖像，而使用純黑色的圖像，因此最終渲染的圖像中，物體被遮擋部分顯示成純黑色。

3 應用與分析

在以上研究的基礎上，針對電機的關鍵車間——電加工車間——進行了電機嵌線生產線虛實融合調試應用，通過虛擬物料和實物物料、虛擬設備和實物設備之間的深度融合，實現電機嵌線生產線的快速規劃、調試與驗證優化。

3.1 電機嵌線生產線快速規劃與仿真驗證

電機嵌線生產線主要用于有繞組鐵心的制造，主要包括輸送線、插紙機、繞嵌一體機、綁線機和機器人等。按照有繞組鐵心的生產工藝，在仿真平臺中快速構建電機嵌線生產線的布局模型和工藝物流路線。

電機嵌線生產線的數字化工序規劃內容如表1所示，主要包含插紙機工序、繞嵌一體機工序、綁線機工序、機器人工序等4個工序，其中繞嵌一體機工藝過程根據設備的實際工藝，分為定子推入(嵌線)過程、繞線過程以及轉盤轉動過程3個子工序。

表1 電機嵌線生產線數字化工序規劃內容

通過對電機嵌線車間的3D工藝流程規劃與仿真建模，對工序、工藝流程的合理性進行驗證分析，具體如圖14所示。

圖14 電機嵌線生產線規劃與工藝仿真圖

3.2 電機嵌線生產線虛實融合調試與仿真驗證

在電機嵌線生產線規劃與工藝仿真模型的基礎上，結合實際車間環境、實際設備和物料進行虛實融合調試，具體如圖15所示。

圖15 電機嵌線生產線虛實融合調試

在電機嵌線生產中，由于電機型號、規格的不同，相應的工裝模具均不相同。通過將虛擬工裝模具、虛擬物料和虛擬設備與插紙機、繞嵌一體機等實物設備進行融合調試，可在設計階段實現電機嵌線生產線的半實物調試與運行。嵌線生產線設備數據采集與驅動包括機器人各關節實時坐標、機器人抓手控制信號、繞嵌一體機控制信號和生產調度信息等。

3.3 效果分析

通過VR和數字化仿真技術模擬電機嵌線設備的運動結構和功能，對電機嵌線生產線的物料、工藝路線進行仿真分析與運行監測，解決了如下問題：(1)通過對電機數字化車間人機料法環等資源的孿生建模，為電機智能車間設計和運行等活動提供信息載體以及統一的全生命周期模型；(2)基于產品對電機智能裝備進行運動功能、控制參數和驅動接口建模與工藝仿真，部分實現了電機智能裝備的虛擬樣機設計與半實物調試，有效減少后續實物調試的時間與成本；(3)通過AR虛擬仿真技術將數字化車間實時信息進行可視化展示，可實現人工作業實時糾偏與智能培訓、人機協同智能交互作業等功能。

4 結 語

數字孿生技術通過虛擬模型仿真技術探討和預測未知世界[2]，為智能車間設計、運維提供了一個新的方向。本文針對電機智能車間方案驗證困難、裝備研制周期長等瓶頸問題，探討了電機智能車間虛擬建模、孿生數據采集與實時驅動、AR孿生交互等仿真技術，同時結合電機嵌線產線進行虛實融合調試，為電機智能車間設計規劃、仿真驗證提供了新的解決方案。