陈 娜，范业鹏，徐佳子
(1.山东华数智能科技有限公司，枣庄 277500；
2.华中科技大学机械科学与工程学院，武汉 430074；
3.滕州华数智能制造研究院，枣庄 277500)
智能制造技术促使传统制造经济向新经济转型[1]。柔性加工线将自动化设备和信息控制系统整合集成[2]，能够快速响应市场加工需求，受到广大制造企业青睐。柔性加工线中设备种类多样、结构复杂，提高了其设计难度，增加了调试维护时间[3]。虚拟样机仿真以机械运动学和控制理论为核心[4]，通过三维可视化描述设备对象的结构、功能和性能。
近年来，国内外对于加工线仿真的关注度持续上升。LENG等[5]提出了元祖语义数据建模方法，实现了数字孪生驱动柔性生产线的快速配置和重构。丁凯等[6]在Plant Simulation中通过设备建模和虚实映射建模实现了多主体业务协同自治运作逻辑控制验证仿真。柳林燕等[7]在Visual Components中通过多线程并行驱动数据逻辑控制实现了设备控制、状态监控与数据统计。倪玉晋等[8]在Flexsim中通过柔性加工线的加工节拍与物流调度仿真实现了瓶颈工位与工序的算法改进。肖庆阳等[9]提出“内部驱动仿真-虚拟控制器联调-真实控制器联调”的联合仿真方法，实现了从孪生体搭建、多步仿真调试、信息交互、现场展示到指导生产的全周期柔性制造系统的设计和验证。SUN等[10]对比了Visual Components、Process Simulate、Emulate3D在TwinCAT主控系统柔性加工线中虚拟仿真[11-12]表现：Visual Components与PLC能够高效直联实现加工线虚拟样机调试仿真；
Emulate3D的数字建模需要依赖 Demo3D软件，比Visual Components更繁琐；
在采用西门子总控系统的柔性加工线中，使用Plant Simulation软件进行调试仿真具有更强的针对性和匹配性[13]。目前加工线的仿真研究与应用大都依赖国外技术平台，并且缺乏兼顾机床切削轨迹仿真能力。
在机床切削仿真领域，陆建军等[14]基于Vericut内核实现了APT刀位源文件到NC代码的自动转换，验证了NC代码的正确性、合理性和安全性。王亮等[15]基于UG实现的数控机床加工仿真系统解决了加工仿真系统建模能力有限导致的格式转化误差精度问题。曹玉娟等[16]提出了基于二叉空间分割单向Dexel模型的快速切削仿真算法，实现切削工件的虚拟可视化。通过CAM软件实现的刀具轨迹仿真很难与加工线仿真平台融合使用。
目前，学术界和工业界对于加工线仿真技术的研究大都局限于加工线设备动作仿真、排产调度逻辑仿真，加工线中数控机床的刀具轨迹可视化仿真则需要依赖专用切削仿真软实现，缺乏兼顾自动线设备动作与机床刀具轨迹可视化的虚拟样机研究与实践。本文研究并实现的考虑切削轨迹可视化的加工自动线仿真方法在实现加工线数控机床动作仿真的同时兼具刀具轨迹可视化仿真，降低了自动线可视化仿真成本，丰富了仿真应用场景。
1.1 柔性加工线虚拟样机建模要素
虚拟设备建模是柔性加工线虚拟样机建模与仿真的基础，虚拟设备建模内涵(图1)是基于设备厂家共享的建模数据，构建描述设备结构、功能和性能的可视化虚拟设备机构模型；
根据柔性加工线设计、调试、运维等不同仿真业务目的，建立仿真数据与虚拟设备对象之间逻辑关系，可视化地查看柔性加工线中虚拟设备在不同仿真数据驱动下的动作行为与状态变化。从工程实践角度，虚拟设备建模是根据不同仿真业务需求，动态确立不同数据、虚拟设备运动学模型、仿真数据与虚拟设备对象逻辑控制模型3者之间的关系，并且实现数据模型、虚拟设备运动学模型和逻辑控制模型构建过程。
图1 柔性加工线虚拟样机建模内涵
由加工线虚拟样机建模内涵可知虚拟样机建模是虚拟样机中各个虚拟设备中“数据-机构-逻辑”要素建模描述过程：加工线虚拟样机仿真场景(scene)是由不同的虚拟设备对象(device)组态构成，不同的虚拟设备对象是基于对应设备类型的虚拟设备模型(model)实例化获得。将不同类型的虚拟设备模型进一步抽象为包含“数据-机构-逻辑”三要素的元模型(meta)，通过研究建模三要素的元模型与元模型实例化理论、技术就可以解决加工线虚拟样机建模与仿真的关键理论与技术难题。
如图2所示，虚拟设备建模抽象为4个层次：
图2 柔性加工线虚拟样机模型要素层次
(1)元模型层metavp是构建虚拟仿真模型的模型，包含了构成虚拟设备仿真模型的基本要素。
(2)模型层MODELvp是基于元模型层定义的元模型metavp(sd,mm,ml)和实现技术，实例化得到虚拟样机的数据集合Sd、机构组件集合Mm和逻辑模型集合Ml。
(3)虚拟设备层VPdevices是通过配置、重构MODELvp模型层中组件构建出的不同虚拟设备仿真模型集合，如虚拟机床mtvpi∈MTvp、虚拟机器人robotvpi∈ROBOTvp等。
(4)仿真场景层VPscene根据物理柔性加工线的空间布局对虚拟设备层VPdevices中虚拟设备模型组态，构建加工线虚拟样机仿真场景，根据不同的Sd、Ml实现不同业务的加工线虚拟样机仿真。
1.2 柔性加工线五层建模框架
根据图2中虚拟样机建模层次构建加工线虚拟样机五层建模框架如图3所示。
图3 柔性加工线虚拟样机五层建模框架
框架最高层(L5)是物理加工线的建模和仿真数据集合Sd，包含虚拟设备静态属性数据、动态的状态数据和事件数据等。
柔性加工线仿真逻辑控制由仿真场景逻辑层MSCN(L4)、产线调度层PECODE(L3)和虚拟设备逻辑层MDEV(L2)共同组合实现。根据不同仿真业务，从场景、产线、机床3个层面上建立仿真数据与虚拟设备对象动作与状态变化的逻辑关系。
最底层(L1)是虚拟设备运动学模型Mm层。基于仿真运动副和抽象机构拓扑层次，将零部件分类到对应拓扑层次中，构建的虚拟设备运动学模型，通过L2中逻辑控制模型实现虚拟设备对象对不同仿真数据的动作行为与状态变化响应。
2.1 柔性加工线离散事件数据模型
柔性加工线中的自动化设备承担不同的工艺工序任务，比如生产过程中的资源检查、状态检测，或者生产设备的调度与加工，包括刀具调度、机械手取料、机床加工等，对于柔性加工线仿真来说都是设备使用中的离散事件数据，需要将生产过程中离散事件抽象成统一的事件数据元模型，通过解析事件模型中包含的逻辑控制信息和相关参数信息实现柔性加工线仿真中离散事件描述建模，如图4所示。
图4 事件数据模型组件层次
离散事件数据元模型包含：基础属性(事件编号、创建事件和事件名称等)、内容信息(对象参数、耗时信息和相关资源等)、逻辑信息(事件过程分解、事件依赖关系和事件从属关系)。离散事件数据元模型中的元素实例化后数据类型如表1所示。
表1 事件数据模型中成员数据类型(部分)
2.2 柔性加工线时域状态数据模型
时域状态数据是描述加工线工作过程中伴随时间产生的描述设备行为与状态变化数据。状态数据通常由机床的数控系统、工业机器人控制器、各种异构传感器自主提交或被动采集。
状态数据包括设备行为与状态的特征信息：例如报警信息、运行状态和温度数据等；
以及与时间序列相关的瞬时设备状态：机床的指令位置、反馈位置、电机电流、刀具信息和G代码执行状态等。
图5将立式加工中心的状态数据定义为组件对象，如通道、轴和输入输出模块。数据的另一部分被定义为对象的属性或变量，如进给倍率、实际位置、刀具长度等。
图5 加工中心状态数据描述模型
3.1 虚拟设备机构动作仿真
虚拟设备运动学模型以其CAD模型为基础，包含由设备机械结构特征和机构部件结构参数确定的机构拓扑层次信息和各机构零部件在装配逻辑上的从属关系，明确各个零部件相互之间空间位置关系和装配父节点对象。
在设备机构拓扑基础上，虚拟设备运动学模型包含能够描述各机构运动特征的仿真运动副(移动副、转动副)以及能够描述设备状态变化的抽象的虚拟机构(显示/隐藏虚拟机构)。通过设备结构参数确立的设备机构框架能够确保设备运动仿真时各个零部件在虚拟空间中位置和姿态精度，装配逻辑能够保障虚拟设备仿真动作时多运动副复合叠加动作的准确性。为确保虚拟设备仿真动作过程具有高保真的可视化效果，虚拟设备运动学模型中将描述零部件外观几何特征的三维模型作为仿真运动副的装配子对象分类分组，实现各个机构部件中的零件在运动仿真时空间位置姿态合理性。
在柔性加工线仿真粒度下，自动化设备复杂的传动机构被简化为执行部件最终动作形态。例如包含减速比的主轴机构简化为单一的转动副，丝杠螺母组成螺旋副简化为直线导轨上的移动副。简化建模有效的提高虚拟设备机构构建效率，降低多设备、复杂逻辑加工线仿真过程对计算机性能需求压力。
表2统计了图6所示加工中心的主要运动副对象，通过7个运动副机构基本满足该虚拟机床在加工线仿真业务中执行机构动作可视化仿真需求。虚拟设备运动学建模不仅需要可视化还物理设备执行机构动作，还需要将物理设备工作过程中的状态变化在仿真场景中可视化仿真。在表3中，统计了图6中加工中心机床可观测的状态变化，包括子部件(如工件、工件卡具、刀柄等)在不同的父部件之间切换装配拓扑关系，目标对象(照明、喷淋液、切屑等)显示与隐藏等状态变化。这些可观测的状态变化通过归纳，抽象为有限类型的抽象机构。
图6 立式加工中心的运动副与抽象机构
表2 立式加工中心模型中的运动副
表3 立式加工中心模型中的抽象机构
3.2 数控机床刀具轨迹可视化仿真
如图7所示，基于数控系统的刀具时域位置数据，在虚拟空间中绘制刀具的实时位置轨迹。通过缩放、旋转、轨迹路径颜色切换等虚拟仿真平台虚拟空间交互操作的便利性与高效性，能够直接观察到刀具的历史移动轨迹。通过对时域状态数据中如位置跟随误差大小判断，调整刀具轨迹路径绘制颜色，反映设备加工质量表现，能够在柔性加工线实际生产过程中，在虚拟样机提供机床切削动作仿真的同时实现机床刀具切削轨迹可视化仿真。
图7 数控机床刀具轨迹可视化
虚拟设备逻辑控制建模是加工线虚拟样机建模过程中关键环节，是连接仿真数据和虚拟设备对象的纽带，是实现加工线不同仿真业务的驱动核心。通过对柔性加工线仿真业务分析，定义虚拟设备逻辑控制编程指令集(QCode指令节选)如表4所示。
表4 虚拟设备逻辑控制编程指令集(节选)
通过如图8所示的QCode指令组态界面完成QCode指令序列的编辑。
图8 虚拟设备逻辑控制指令组态界面
柔性加工线虚拟样机仿真软件原型采用支持跨平台编译的Unity3D引擎开发[17]。针对设计仿真、调试仿真注重建模操作效率、仿真配置灵活的使用需求，其交互操作界面采用朴素简洁、信息量大、操作直观高效的界面布局，如图9所示。
图9 FMS虚拟样机设计、调试仿真操作界面
该柔性加工线仿真软件原型在汽车发动机凸轮轴加工线项目中进行了空间布局干涉仿真、设备动作可达性仿真和排产调度合理性仿真等应用验证。通过采集数控系统时域位置数据，实现立式加工中心刀具轨迹可视化仿真，在兼顾加工线设备动作仿真同时，实现数控机床切削过程的刀具轨迹可视化仿真。
本文针对自动加工线可视化仿真建模要素，提出基于数据-机构-逻辑的虚拟样机仿真框架，通过研究了柔性加工线仿真中数据建模方法、仿真运动副实现方法、机床刀具轨迹可视化方法以及虚拟设备仿真逻辑控制方法，设计并实现面向柔性加工线的兼顾设备动作仿真与刀具轨迹可视化仿真的虚拟样机原型软件，对于柔性加工线仿真应用提供有益的理论探索和方法实践。
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