基于數字孿生的機器人虛擬調試系統設計及開發

劉 俊

（廣州番禺職業技術學院，廣東廣州 510030）

0 引言

隨著經濟社會的不斷發展，未來絕大多數企業都將成為數字化的公司。這不僅只是要求企業開發出具備數字化特征的產品，更要整個企業逐漸數字化，通過數據驅動的手段改變整個產品的設計、開發、制造和服務過程，并用數據驅動的方式連接企業的內部和外部環境[1]，而這一切都是建立在數字孿生技術的基礎上。

數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據和信息接口。數字孿生目的是通過數字化技術，建立物理世界的虛擬模型，借助數據模擬實體在真實環境下的行為，通過虛實交互、數據分析、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試都是實機調試，然而實機調試存在諸多問題[2]：（1）機械、電氣和控制工程師在實機完成前難以進行聯合調試，只能分開各自調試，容易出現設計問題；（2）設計、制造、調試及后續實際生產過程各環節屬于串行式流程，調試周期會很長；（3）實機調試需要技術水平較高的工程師才能完成，如果派遣經驗不足的工程師，反而容易損壞設備；（4）實機調試需要停機，會影響生產效率，進行試生產需要花費多余的成本。因此，虛擬調試技術為解決以上問題提供了新的方法和途徑。

數字孿生技術是虛擬調試的關鍵基礎，所以本文重點介紹在產品設計階段，依托數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 虛擬調試系統架構

虛擬調試系統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，二是確定參數的合理值或者最佳值[3]。以上下料產線來舉例，虛擬調試可以分為上下料產線機械本體和邏輯控制程序兩個方面。機械本體的虛擬調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，執行正確的邏輯。另外，還可以通過調節生產中合理的工藝參數，確定最佳的生產節拍。

根據以上調試需求，本文設計虛擬調試系統架構如圖1所示。本虛擬調試系統由工程師通過人機交互界面控制產線數字孿生模型，控制命令由虛擬控制系統交互通信接口到達模型端，數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。數字孿生模型會模擬實機的運行狀態，并通過孿生模型的三維仿真動畫展示出來。此外，數字孿生模型還可以模擬各類傳感器，配合產線在不同狀態下的I/O量，真實PLC會跟虛擬控制系統進行通信，執行PLC程序，方便調試正確性。

圖1 虛擬調試系統架構

基于數字孿生的虛擬調試系統架構中，數字孿生模型構建是基礎。本系統是基于Unity引擎開發的，借助該引擎可快速開發數字孿生模型。另外，基于C#面向對象的思想，結合實際設備的特點，采用多物理領域統一建模的方法構建數字孿生模型。模型構建中主要依據三條指導原則：面向對象分解原則、多物理領域統一集成原則和增量式構建原則。

2 建立數字孿生模型

由于本系統是基于Unity開發的，上下料產線等實體模型都是由通用三維設計軟件先建立好模型，然后利用格式中轉的方式或者購買Pixyz插件，在Unity中快速導入、準備和優化CAD、網格和點云模型，實現實時可視化。

數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函數或者碰撞回調函數。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

本系統以上下料產線為數字孿生對象，包含一臺數控車床、帶手爪的工業機器人、上料準備機和工件完成區，如圖3所示。由于本系統的目的是進行虛擬調試，所以數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，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線的數字孿生模型構建方式。

圖3 上下料產線數字孿生模型

3 電氣控制和執行機構

要完成上下料產線的正確運行，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的條件，相當于一個信號的輸入，所以本系統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。本系統通過socket通信，跟機器人控制器、機床控制器和PLC進行數據傳輸。通過系統虛擬模擬傳感器的觸發，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，而機器人會繼續執行上料程序，把毛坯運輸到數控機床的安裝位置。由此可知，虛擬輸入/輸出端子板很重要，對于虛擬調試不可或缺，因此，本系統還特地準備了一個虛擬端子板的調試面板，如圖4所示，用于顯示當前的虛擬輸入/輸出的狀態。

圖4 虛擬輸入/輸出監控

4 自動化邏輯

本例上下料產線包括數控車床、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調運行，有必要對控制系統建立仿真序列進行虛擬自動化邏輯控制仿真。工業上的產線，一般都是把PLC作為控制系統，它與微型計算機相似，負責的工作是根據輸入來執行事前編寫好的程序。因此，虛擬調試系統最主要的目的就是檢驗PLC程序的正確性。本例上下料產線建立仿真序列是基于動作流程，在每一步流程結束后，需要對應地變更虛擬輸入變量，以此條件來檢驗PLC程序。

上下料產線的動作流程如下：

（1）機器人運動到毛坯料的側方；

（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控車床的卡盤正前側；

（5）數控車床卡盤夾緊毛坯；

（6）機器人手爪松開毛坯；

（7）機器人退出數控車床工作區域；

（8）數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）數控車床卡盤松開；

（12）機器人帶著完成件移動到工件完成區上方；

（13）機器人手爪松開工件，使其自行掉落到工件完成區。

往復循環上述步驟，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/輸出監控面板的狀態實時反映系統的狀態，從而保證了系統運行的正確性。在完成數字孿生模型的相關設置以及控制信號的連接后，可以在本系統進行基于數字孿生模型的虛擬調試，從而達到高效驗證模型、優化系統設計的目的。

5 結語

新系統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，在客戶現場生產運行之前還需要進行調試。通過對設備虛擬調試驗證其可行性后再進行實物加工和實施，可以縮短產品從設計到實際生產的時間，使現場的調試速度更快、風險更低。

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