機電一體化虛擬調試系統動態干涉檢查與移載技術

中圖分類號：TH-39 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0178-04

Abstract：Inordertopromoteandapplyvirtualdebugging technologyintheautomatedequipmentindustryandsolvethe problemsofhighpriceandclosedsoftwareandhardwareecology，thispaperproposesamechatronicvirtualdebuggingsystem.In ordertooptimizethesystemdebuggingprocess，thesystemadoptsoflinedynamicinterferenceinspectiontechnologytoconduct interferenceinspection，andusesakineminetics-basedloadtransfermethodtotrigerandreleasecontactpairs，therebyadjusting theconectionrelationshipof movingpartsandupdating thepositionoftheworkpiece，therebycompletingworkpiecetransfer. Thispaperfirstintroducestheframeworkstructureofthemechatronicvirtualdebugingsystem，andthendiscusesthespecific implementationprocessofoflinedynamicinterferenceinspectiontechnologyandworkpiecetransfersimulationtechnology， providing ideas for the real-time and stable operation of the mechatronic virtual debugging system.

Keywords：mechatronics；virtualdebuging;dynamicinterferenceinspection;load transfersimulation;automationequipment

在機電工程逐步智能化發展的時代背景下，機電一體化虛擬調試技術逐漸誕生，但當前研發出的虛擬調試軟件，存在軟硬件相互綁定、應用價格較高的問題，為了迎合制造業對虛擬調試系統的應用需求，設計了不依賴于硬件控制的機電一體化虛擬調試系統。但此系統應用時，需不斷執行干涉檢查任務，其計算量相對較大，且工件移載過程不夠穩定，因此，有必要引人離線動態干涉檢查、工件移載仿真技術，從而提高干涉檢查的實時性、推動運動仿真過程連續性開展。

主要用于檢查運動干涉。二是控制系統，包括可編程控制器、運動控制卡及其他控制系統，可編程控制器通過OPCUA協議、Modbus協議連接到虛擬調試系統上。控制系統通過控制信號接口與虛擬調度系統相連。三是CAD平臺，內置了法國達索公司的普通型三維計算機輔助設計軟件Solidworks及高級3D軟件Catia、西門子公司開發的高端CAD軟件SimensNX，通過CAD接口與虛擬調試系統連接，用于讀取幾何數據、接收傳感器信息，此平臺封裝于CAD接口層中。

1機電一體化虛擬調試系統的框架結構 2機電一體化虛擬調試系統實現的關鍵技術

根據實時性、易用性、適用性、可擴展性需求，設計了包含3部分結構的機電一體化虛擬調試系統（圖1），一是虛擬調試系統，其由前置處理、運動驅動、干涉檢查三大模塊組成，前置處理模塊主要用于定義機電屬性、建立信號映射關系，運動驅動模塊的作用是求解零件位置及姿態，并檢查與反饋傳感器狀態，而干涉檢查模塊

2.1離線動態干涉檢查技術

模擬設備運行、識別運動干涉是虛擬調試系統的主要功能，在動態檢查時，需時刻展開檢查計算，并找出運動干涉發生時間。為精準確定干涉時刻、及時修正程序，采用離線動態干涉檢查技術進行干涉檢查，檢查流程如圖2所示。

2.1.1 調試信息記錄與輸出

虛擬調試過程中，用調試信息記錄與輸出記錄運動副的運動信息，并負責輸出離線動態干涉計算后得到的運動干涉信息。采用開環樹狀圖結構求解，需記錄作為運動副運動信息的廣義坐標值。因運動干涉回放時，要先讀取運動副的運動信息、干涉結果數據，將各時間片中運動信息與干涉計算結果一一對應后形成的新對象數據作為運動干涉信息。記錄運動信息時，分別記錄運動副的名稱、種類及廣義坐標值組，采用隊列式數據結構，分別存儲各運動副的運動信息。輸出的運動干涉信號為運動信息、時間信息及干涉組信息。其中，干涉組信息是全部干涉信息的集合，信息內容涉及2個相互干涉零件的名稱、大小，以CompnonentPath的數據形式存儲。離線干涉計算、干涉回放兩大模塊不使用相同線程，兩線程間的數據采用開源JOSN工具包對標準數據交換格式進行序列化或反序列化后再傳送，以便在內存及外部存儲之間靈活轉換。

2.1.2離線動態干涉計算

離線動態干涉計算共分4步完成，首先進行干涉預處理，然后更新對象位置，再然后展開靜態干涉計算，最后再進行干涉排除過程。具體步驟如圖3所示。

1）干涉預處理。此步驟的目的是對原始干涉進行篩除，識別出原始靜態干涉問題。對比分析得出的干涉計算結果與初始干涉后，將初始干涉所產生的影響剔除。干涉結果中，除了計算出2個干涉零件的名稱以外，還包括二者干涉的大小，因而，通過分析干涉零件對的路徑、大小是否一致可完成干涉排除任務。先利用字典對象記錄原始干涉零件的路徑信息，此信息是唯一的，因一組相互干涉的零件并不相同，需存儲2次Key值，雖會削弱空間的復雜程度，但時間復雜度將有所提升。

2）位置更新。干涉計算時，為確保對象位置快捷更新，不直接利用零件對象進行干涉計算，而是使用Body2對象替代，因為此對象的存儲體量不大、計算速度較快，利用基于Windows的三維機械設計軟件SolidWork進行計算時，可保障計算結果的準確性。按照零件對象的GetBody方法獲取Body2對象，在時間步零件位置變化后提取運動副的運動信息，再對零件齊次變換矩陣進行求解，之后利用ApplyTransform完成Body2對象的位置更新任務。

3）靜態干涉計算。靜態干涉檢查時，需先進行碰撞檢查預處理，識別出存在干涉情況的幾何體，再展開精確干涉計算，可快捷、高效完成干涉檢測。干涉檢查預處理采用計算效率高的層次包圍盒法，需先在三維空間中表示出軸向包圍盒，再確定其在三維坐標軸上投影的最大值與最小值，然后對比2個包圍盒之間極小與極大的2個點，便可識別出坐標軸上是否存在包圍盒投影重合現象。經過預處理后，可利用干涉計算函數的API接口中所包含的CheckInterference3方法計算Body2對象之間的干涉信息，此方法由2個輸入對象、一個參數對象構成，分別是Body2對象與Options中的返回所有干涉面。干涉計算結果得出后，將路徑、大小、運動信息集合到一起同步輸出，以之作為干涉結果回放的依據。

2.1.3 回放干涉結果

系統離線動態干涉檢查模塊中設置了回放裝置，用戶可直觀查看零件的運動干涉狀況。干涉結果虛擬調試時，用戶在顯示屏幕上點擊“播放按鈕”，便可播放運動干涉畫面，通過控制進度條可以調節回放時間點，存在干涉的部分以高亮狀態顯示。利用System.Windows.Forms庫開發干涉界面的用戶對話框，此對話框的主體控件與功能見表1。播放控制時，采用Maximum屬性、Value屬性分別控制滑動條的滑動長度及位置，可選單步播放、自動播放2種模式，單步播放時，共有前進、后退2種不同的播放形式。回放時干涉零件呈高亮狀態，通過遍歷時間步的干涉信息，提取各干涉零件的對象屬性，利用Select4（方法選中零件、采用ClearSelection2方法取消上次選中，從而實現干涉零件高亮處理。最后，需要顯示干涉文本框，采用ListView作為控件對象，利用文本框詳細記錄干涉零件的名稱、大小，記錄的字符串有4個，用于代表干涉信息，記錄后的對象以數組形式輸入控制對象數據欄中，各時間步開始時要將上次文本框顯示內容清空。

2.2工件移載仿真技術

2.2.1工件運動約束狀態轉移與判斷

以拆垛機器人流水線為例，工件運動時的約束狀態轉移分成4個步驟完成，如圖4所示。約束狀態轉移之初，工件無任何約束，而其接觸到傳送帶后，便會與傳送帶的機架之間形成移動副約束；接觸吸盤的工件，與傳送帶機架間的約束會解除，之后再與吸盤之間形成固定副約束；接觸貨架后，還會再次解除與吸盤的約束，從而與貨架之間再次形成固定副約束。為了明確工件狀態轉移的時間，利用工件移載仿真技術進行轉移時間識別，此方法具有高效計算距離、實時判斷約束狀態轉移時間的特性。系統會分別檢查工件與機架、吸盤、貨架等結構接觸時的約束狀態，并經過接觸對的面特征提取、位置更新、面距離計算和激活判斷4個步驟完成約束狀態轉移時間的判斷。

2.2.2 運動副連接及工件位置更新

工件與其他零件的運動副連接狀態轉移時，需新建運動副連接，并將舊連接刪除，若工件與零件的約束未斷開，會于下一時刻重建約束連接，移載時更新運動副連接時，要以接觸對狀態判斷結果作為依據。運動副連接的更新共需經過7個步驟：一是確定工件屬性，創建零件間接觸，在未激活表中添加接觸對；二是遍歷激活表中的接觸，標記未激活接觸對的狀態；三是遍歷未激活表中的接觸，然后依次標記接觸的狀態；四是識別出激活狀態接觸后立即將工件運動副約束解除，再添加新激活的運動副約束；五是分別刪除接活表中未激活、未激活表中已激活的接觸，并添加至對應表中；六是依據控制信號對零件的齊次變換矩陣進行計算，然后更新位置；七是返回步驟2，循環上述過程。注意工件位置更新時，由于時間不同時工件所處的運動鏈不一，不能采用運動副相對變換矩陣傳遞求解位姿，而應采用變換后的表達式單獨求解，即

式中：零件 L 在 m 時刻相對初時刻的齊次變換矩陣計算用 T_L^m，L^o 表示，而在 ?_m 時刻相對初時刻的齊次變換矩陣計算則用 T_L^'，L^' 代表， M_G^m，L^m 表示 m 時刻到 n 時刻，工件G與零件 L 之間運動帶的相對變換矩陣， T_G^n，Go"則表示工件在 n 時刻相對初時刻的齊次變換矩陣。此新算法的求解效率見表2。

3結束語

本文介紹了機電一體化虛擬調試系統的框架結構，為了滿足系統的高實時性要求，進一步探討了動態干涉檢查、工件移載的實現技術。采用離線動態干涉檢查技術，經過運動記錄、離線干涉計算、干涉動畫回放3個步驟完成干涉檢查，利用以運動學為基礎的移載處理技術，采用接觸對、激活表完成工件與運動零件之間的接觸、斷開狀態的轉換，在改變工件約束狀態的基礎上，化解連接觸的問題，可以降低計算量，能將計算時間縮短至毫秒級，可高效完成虛擬調試，提升調試過程的實時性。

參考文獻：

[1]張耀武，劉宇，馬付建，等.虛擬PLC驅動的生產線調試系統設計J機械與電子，2024，42（4）：39-44.

[2]寇薈闊.基于SolidWorks平臺的機電一體化虛擬調試系統研究[J.電工技術，2023（20）：1-3.

[3]馬飛，代錕，孫巍偉.基于數字孿生的物流揀選虛擬調試系統設計[J].機床與液壓，2023，51（16）：95-100.

[4]王兵.面向虛擬調試的自動化制造系統邏輯建模研究[D].成都：西南交通大學，2021.

[5]陸文祥.面向智能制造生產線的虛擬調試系統設計與實現[D].杭州：浙江工業大學，2020.