基于數據驅動的加工單元虛擬調試可視化平臺設計與實現

徐凱，曹錦江，王瑞琪，劉嘉良，徐艷林

（南京工程學院 自動化學院，南京 211167）

0 引言

隨著中國提出“中國制造2025”以及德國提出“工業4.0”等制造業發展戰略，智能制造成為制造業轉型升級的主要發展方向，“智能制造工程”成為“中國制造2025”五大工程之一。數字化設計與仿真及虛實結合的虛擬調試技術得到進一步研究與應用。國內學者對虛擬調試技術做了大量研究并取得了諸多成效。禹鑫燚等[1]提出通過數據庫完成控制設備和虛擬模型之間的信號交互，實現加工系統對3D模型的虛擬調試。劉歡連[2]提出結合數字孿生技術，選用OPC、SDK及API技術實現數據采集來驅動仿真模型。林裕程等[3]提出基于西門子SIMIT UNIT單元驅動3D機床模型的數字孿生數控機床虛擬調試技術。

王俊杰等[4]提出一種基于西門子MCD的并行概念設計理念，運用OPC（OLE for Process Control）通信技術作為實時虛擬驗證的實現手段。高建超等[5]提出借助西門子Tecnomatix平臺對機器人滾邊制造過程進行虛擬調試以提高調試效率。王剛等[6]提出采用基于Tecnomatix平臺、OPC技術、Siemens的PLCsim建立完全虛擬化的仿真平臺，實現完全虛擬化的白車身生產環境仿真，縮短了調試周期，降低了調試成本投入。

白瑞峰等[7]利用Visual Components（VC）搭建的虛擬對象代替了機械對象，通過MES專用模塊可與真實的PLC進行數據交互而實現虛擬調試。王寶平等[8]利用FANUC NC GUIDE仿真軟件實現數控機床電氣虛擬調試。通過上述文獻可以看出，有的基于品牌虛擬仿真軟件平臺完成虛擬調試，成本較高；有的自行開發虛實結合通信軟件，通信模塊具有專用性；有的是純虛擬仿真，沒有使用數據驅動三維建模，在工程項目和實驗中都起到了很好的使用效果。

本文介紹一種通用性更好、虛實相結合的虛擬調試可視化方法，以機械加工行業智能制造設備中常用的數控機床上下料單元為研究對象，開發機器人上下料PLC控制程序，通過構建和開發通用數控機床機器人虛擬調試可視化平臺，解決了數控機床上下料單元控制程序直接電氣調試風險大、成本高、周期長、不如實物調試直觀等問題。

1 平臺方案

1.1 虛擬調試概念

在制造業中虛擬調試就是利用數字化技術手段創建出物理制造環境的數字復制品，在整個設備制造完成之前完成部分或全部設備離線調試，可以機械裝配虛擬調試，也可以自動化設備控制邏輯虛擬調試。虛擬調試技術可以大幅縮短后續現場調試時間，提高項目實施的效率，降低設計錯誤帶來的風險[9]。設備制造常規設計流程與虛擬調試流程對比如圖1所示。從圖1可以看出，虛擬調試能夠大大節省調試和制造時間，提高了生產效率。

圖1 傳統設計流程與虛擬仿真調試流程對比關系圖

1.2 虛擬調試方案

本課題研究在通用數控機床基礎上，追加機器人上下料電氣控制功能，在開發控制邏輯過程中，涉及到與外部設備I/O連接，為此把數控機床與外部設備相連的I/O信號連接至以太網I/O模塊，然后模塊再通過以太網接口與PC電腦相連，再利用3D Max建模軟件設計上下料單元實物數字孿生模型，在PC電腦上開發數控機床數據采集交互I/O信號通信程序，利用Untiy 3D引擎軟件開發設計虛擬調試動畫軟件，再通過采集的數據驅動虛擬調試三維建模動畫，三維模型執行結果再通過遠程物聯網I/O模塊輸出給數控機床輸入，虛擬調試硬件方案如圖2所示。

圖2 上下料單元虛擬調試方案

在數控機床電氣控制基礎上設計機器人上下料I/O信號，把數控機床需要與機器人連接I/O信號分別連接到以太網I/O輸入模塊和輸出模塊，再通過交換機把輸入和輸出以太網I/O模塊及PC電腦互聯。然后在PC電腦上對機器人、數控機床、機器人運動導軌、毛坯庫、成品庫等實物三維建模和集成裝配，最后開發數據采集程序和數據驅動模型軟件功能。

2 硬件平臺

2.1 輸入輸出以太網I/O模塊

項目實施輸入輸出I/O模塊可以總線組網，使I/O數字量點數得到靈活擴展；I/O模塊能同時支持以太網和RS485信號通信方式，支持標準的Modbus協議；I/O信號類型可根據現場需要進行靈活配置。

2.2 數控系統PLC接口

項目研究選用FANUC 0i數控系統，數控系統I/O模塊為96點入/64點出，該模塊輸入輸出I/O接口除大部分用于數控機床本體功能使用外，還有多余信號接口，因此把多余的I/O接口用于追加機器人上下料互聯信號。加工中心與機器人上下料信號如表1所示，分別是門開和門關到位信號，輸出門開和門關電磁閥信號，工作臺臺鉗工件夾緊和松開到位信號，輸出臺鉗工件夾緊和松開電磁閥信號，還有與機器人交互輸入輸出信號。

表1 上下料功能開發用輸入輸出地址一覽表

2.3 數控機床PLC接口與以太網I/O模塊連接圖

數控機床PLC接口與以太網I/O模塊連接如圖3所示。從圖3看出，數控機床輸出控制信號給機器人和機床外圍設備，機床外圍設備和機器人信號運行狀態提供給數控機床。理解信號關系對上下料控制程序的開發至關重要。

圖3 數控機床PLC接口與以太網I/O模塊連接圖

3 軟件設計

3.1 軟件設計方案

根據虛擬仿真數控機床、機器人、傳送帶等對象功能和現場實物，擬定了軟件開發方案，如圖4所示。軟件開發主要是數據交互畫面模塊、數據采集通信模塊，采集的數據驅動相關的動畫模塊，動畫畫面主要有開門、關門、工作臺夾緊和松開、機器人上料和下料動畫等。

圖4 虛擬仿真軟件開發方案軟件模塊組成

3.2 三維建模和動畫設計

課題開發軟件平臺主要利用3D Max建模軟件和Unity 3D 引擎仿真軟件。

3.2.1 三維建模方案

在虛擬調試項目開發當中，利用3D Max三維建模軟件分別對機器人、數控機床、機器人運動導軌、毛坯庫、成品庫等實物部件進行1∶1比例三維建模。三維建模方案如圖5所示。

圖5 三維建模方案實物組成

3.2.2 組件建模

3D Max是基于PC系統的三維建模、動畫、渲染的制作軟件，擁有許多理想的命令供制作者使用。常用于建筑模型、工業模型、室內設計等行業，基本上能滿足一般的3D建模的需求[10]。

根據三維建模方案和建模軟件特點，利用建模軟件工具分別對加工中心、機器人、地軌、毛坯和成品庫實物進行數字化建模。在三維建模時使用相對實物較為精確的數據與比例，保證建模的效果滿足實物要求，通過選擇基本的幾何體、二維線條、復合幾何體、布爾運算、三維造型等多種方法綜合在一起進行建模[11]。

3.2.3 可視化場景

Unity 3D仿真引擎軟件支持多平臺發布，可獨立運行，能夠進行工業數據通信，通過國際通信標準OPC協議或函數、數據庫等方法可將工業信號或數據實時傳輸給Unity 3D，即可根據現實的工業狀態進行虛擬仿真，這大大增強了仿真的現實性與準確性，即能實現物理實體與虛擬模型之間的映射[12]。

根據3D Max建模結果，導出Unity 3D仿真軟件支持的fbx 格式模型，導出時一定要注意選擇“EmbedMedia”（嵌入媒體）、“Auto Generate”（自動烘焙）、“use external materails（legacy）”（外部材質），“from model‘s materails”（取自模型材質）等參數設置。導入模型完成，再利用Unity 3D軟件提供的烘焙功能進行場景渲染。還要注意兩種軟件的左手/右手坐標系轉換、比例尺寸關系等[13]。

3.2.4 三維模型動畫設計

通過Unity 3D 引擎開發，使用引擎自帶的Animate動畫插件設計模型動畫。開發設計的動畫內容如表2所示。

表2 開發的動畫清單一覽表

3.3 以太網I/O模塊數據通信

3.3.1 模塊參數設置

以太網I/O模塊是把現場設備I/O開關量信號轉換成以太網等通信協議的設備模塊，供后續軟件進行數據采集和監控，因涉及I/O信號的高低電平、輸入輸出定義、觸發方式、以太網IP地址、模塊通信方式（RS232/RS485/MODBUS RUT/ MODBUS TCP）、端口號等參數，因此需要根據產品配套軟件進行參數設置。其中設置參數部分畫面如圖6所示。模塊還提供了調試工具，可以用于測試I/O與機床連接關系。

圖6 以太網I/O模塊參數設置畫面

3.3.2 數據采集原理框圖

項目選用C#作為開發語言，因電腦與以太網I/O模塊基于以太網物理連接，根據參數設置，選擇MODBUS TCP協議作為項目軟件開發通信協議，以太網I/O模塊Modbus TCP通信系統由服務器和客戶端兩部分組成。首先，經過3次握手，TCP連接成功建立。通信軟件開發原理如圖7所示。客戶端向服務器發送數據請求，服務器接收到請求報文后，對報文進行解析，得到客戶端所需求的寄存器數據起始地址和數量。然后，啟動響應發送包含所需數據對應的應答報文。最后由客戶端解析相應報文，得到所請求的數據[14]。當客戶端發送的報文格式有誤時，服務器返回包含錯誤碼的響應報文，告知客戶端請求報文有誤。

圖7 MODBUS TCP服務器端與客戶端通信關系

3.3.3 輸入輸出數據處理

1）輸入信號采集過程。軟件開發通過Modbus TCP協議與以太網I/O模塊進行通信，軟件實時讀取以太網I/O模塊信息，當輸入模塊接收到來自機床的輸出信號時，以太網I/O模塊的輸入模塊將機床的DI輸入信號轉換為十六進制的報文指令通過Modbus TCP協議傳輸PC電腦。PC電腦再經過轉換協議進行解析，通過將十六進制報文轉換為二進制后獲取每一位數字當前值，1為有DI輸入，0為沒有DI輸入（例：0000000000000111，此時為DI1、DI2、DI3有信號）。再根據交互畫面參數設置DI定義功能，為虛擬仿真調試做好準備。

2）輸出信號處理過程。仿真軟件根據輸入信號定義的功能播放設計指定動畫，系統根據交互畫面參數設置DO定義功能，自動驅動模型運行，當模型動畫完成到達延時時間后，仿真軟件發送報文指令給以太網I/O輸出模塊，控制以太網I/O輸出模塊繼電器線圈打開，輸出信號送給相應的機床輸入信號，實現“虛實結合”調試功能。

4 驗證與應用

4.1 上下料流程

數控銑床或加工中心追加機器人上下料流程都是大同小異[15-16]，項目主要研究從數控機床角度的上下料工藝流程。

根據表1和圖3數控機床與上下料機器人信號關系，上料流程如圖8所示，開發PMC程序，編制上下料子程序。使用M指令或M98指令調用上下料子程序[16]。

圖8 數控機床與機器人上料動作工藝流程

4.2 虛擬仿真調試

4.2.1 硬件連接信號測試

根據圖3硬件接線情況下，可以利用以太網I/O模塊配置軟件及FANUC PMC診斷畫面測試輸入輸出信號連接情況。FANUC數控系統PMC與以太網I/O模塊信號關系如圖9所示。

圖9 數控機床與遠程以太網I/O模塊輸入輸出信號關系圖

4.2.2 設置輸入輸出功能參數

交互畫面主要是考慮開發軟件功能的通用性，當用戶按圖3施工，但功能定義不同時，交互畫面開發了參數設置畫面，可以自定義輸入輸出模塊功能。參數設置畫面如圖10所示。使用時只要鼠標選擇輸入輸出功能即可，且選擇功能具有唯一性，即第一個輸入輸出功能選擇完，不會出現在第二項功能選項中。

圖10 交互畫面功能參數設置畫面

4.2.3 數據驅動與動畫實現虛擬調試

1）上料過程數據驅動與動畫虛擬調試實現關系。以圖3硬件連接為例，上料過程數據驅動與三維模型動畫實現虛擬調試（如表3）。

表3 上料過程數據驅動虛實調試信號與動畫關系一覽表

2）下料過程數據驅動與動畫虛擬調試實現關系。下料過程數據驅動與動畫實現關系與表3類似，主要差別如下：當以太網輸入模塊收到DI7信號時，啟動“機器人從毛坯抓取位置移動到機床工作臺下料位置，機器人伸入到機床內臺鉗工件位置上方，抓取工件”動畫；當以太網輸入模塊收到DI8信號時，啟動“機器人從機床內帶著工件退回到機床外，移動到毛坯位置”動畫。相應的動畫調試后通過以太網輸出模塊相應DO信號輸出，其它虛擬調試動畫與上料步驟復用。虛擬調試可視化平臺場景如圖11所示。

圖11 虛擬調試可視化平臺場景

4.3 平臺應用

該項目開發成果應用在江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目的虛擬調試環節，解決了學習數控機床電氣調試開發上下料程序直接使用機器人調試帶來的安全風險問題，同時也解決了智能制造工程專業“智能制造系統集成綜合訓練”實習的機器人數量不夠而影響綜合訓練實習進程的問題。

5 結論

虛擬調試可視化技術降低了實物調試成本，特別降低了調試可能引起的實物干涉損壞風險和人身安全風險，增強了調試直觀性效果，提高了項目開發效率。數字孿生、虛擬調試及可視化等技術是智能制造工程領域的重要技術發展趨勢，且會得到更多的應用，通過以太網I/O模塊為硬件平臺實現虛擬仿真調試，不依賴特定設備和軟件平臺，通用性強，該研究成果可以為類似智能制造設備調試及開發高危實驗環境的教學實驗設備平臺提供參考。