CN110850818A - 一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，包括收集断路器生产线的实际相关信息，构建断路器生产线中各机械设备及其零部件的几何模型；获取各机械设备及其零部件之间的实际逻辑配合关系，对各机械设备及其零部件的几何模型进行层级关系建模和优化，得到各机械设备及其零部件的运动逻辑模型；对各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制，引入数字孪生场景运动仿真来实现虚拟和实际同步。实施本发明，通过构建与现实断路器装配物理车间进行全尺寸虚拟映射的数字化装配车间，实现物理环境和虚拟场景的全尺寸、全动作形态、全物理逻辑再现，显著提高断路器装配车间的实时操作水平，增强车间的透明化程度和管理水平。

Description

一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法

技术领域

本发明涉及断路器自动化装配车间数字建模技术领域，尤其涉及一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法。

背景技术

断路器广泛应用于工业、民用等终端配用电场合，是保护终端配用电系统安全的重要元件，以小型断路器为例，其每年的产量高达数十亿只，产量巨大。由于制造水平上的限制，导致我国低压电器制造企业在车间管理、生产线执行效率以及运行维护水平上，与国外先进水平差距较大。

目前，现有的断路器车间主要基于人工装配和检测，缺乏自动化和信息化作业手段，其车间管理主要基于纸质数据报表、二维图纸、进度跟踪表等方式进行，通过人工进行上传下达，导致产线透明度低、实时性差，无法动态、及时地掌握车间运行状态，不利于生产管理者对车间生产状态、设备运行信息、物流调度等综合环节信息的掌握与管理。

因此，亟需一种断路器自动化装配车间的数字孪生模型构建的方法，有助于建立进行断路器车间数字化管理的信息化综合平台，通过数字化方法再现断路器自动化装配生产的真实动作逻辑及其全作业流程，实现物理环境和虚拟场景的全尺寸、全动作形态、全物理逻辑的再现。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，通过构建与现实物理车间进行全尺寸虚拟映射的数字化装配车间模型，实现物理环境和虚拟场景的全尺寸、全动作形态、全物理逻辑的再现，可以显著提高断路器装配车间的实时操作水平，增强车间的透明化程度和管理水平。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、收集断路器装配生产线的实际相关信息，并根据所收集到的断路器装配生产线的实际相关信息，构建所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型；

步骤S2、获取断路器装配生产线上各机械设备及其零部件之间的实际逻辑配合关系，并根据所获取到的获取断路器实际装配生产线上各机械设备及其零部件之间的逻辑配合关系，对所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型进行层级关系建模和优化，得到所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型；

步骤S3、对所得到的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制，并进一步引入数字孪生场景中进行运动仿真，实现所述断路器自动化装配生产线的数字孪生模型与实际的断路器装配生产线虚拟同步。

其中，所述步骤S1中的“所收集到的断路器装配生产线的实际相关信息”包括物理车间的布局信息以及每道生产工序及其分别对应的各机械设备及其零部件的几何尺寸、运动距离和运动姿态。

其中，所述步骤S2具体包括：

将所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型处理为单独的个体模型，并根据所述断路器装配生产线上各机械设备及其零部件之间的实际逻辑配合关系，将相应的机械设备及其零部件个体模型按照父子关系的层级结构进行层级建模，得到各机械设备及其零部件层级关系建模后的几何模型；

对各机械设备及其零部件层级建模后的几何模型均进行网格面片优化和模型纹理优化处理；

根据实际装配断路器过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，并基于运动轨迹关键帧技术对优化处理后的各机械设备及其零部件层级建模的几何模型进行运动轨迹设计，得到所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型。

其中，所述将相应的机械设备及其零部件个体模型按照父子关系的层级结构进行层级建模的步骤具体为，将同一机械设备有物理连接且运动轨迹相同的模型组合成为运动层级进行层级建模，或通过链接方式将运动层级之间有物理连接但运动轨迹不同的低层级模型关联成高层级模型的子对象来建立运动关联进行层级建模。

其中，所述对各机械设备及其零部件层级建模后的几何模型均进行网格面片优化和模型纹理优化处理的步骤具体为，通过减少各机械设备层级关系建模后的几何模型中所包含多边形的顶点数和面片数来实现网格面片优化，通过层次细节技术及对象静态技术细化各机械设备层级关系建模后的几何模型中所包含的纹理、网格及其贴图来实现模型纹理优化。

其中，所述根据实际装配断路器过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，并基于运动轨迹关键帧技术对优化处理后的各机械设备及其零部件层级建模的几何模型进行运动轨迹设计，得到所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型的具体步骤包括：

根据实际装配断路器过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，将各机械设备及其零部件在实际装配断路器过程中的动作均划分为多段运动轨迹，并进一步确定各机械设备及其零部件所划分的多段运动轨迹的先后顺序；

根据各机械设备及其零部件所划分的多段运动轨迹的先后顺序，在各机械设备及其零部件在其各自优化处理后的层级建模的几何模型上，确定出各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型，并记录各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型的初始位置及结束位置；

将所记录的各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型的初始位置及结束位置均作为关键帧，并将记录的同一机械设备及其零部件所有的关键帧均按照相应划分的多段运动轨迹的先后顺序依序进行组合，得到所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型。

其中，所述步骤S3具体包括：

结合实际装配断路器过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，对所得到的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型的逻辑运动轨迹进行动作编辑；

对动作编辑后的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制，并引入数字孪生场景中进行运动仿真，实现所述断路器自动化装配生产线的数字孪生模型与实际的断路器装配生产线虚拟同步。

其中，所述对动作编辑后的断路器装配生产线的几何模型中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制包括基于实际装配断路器过程时所述断路器装配生产线上每道生产工序对应的机械设备独立的运动控制，以及各机械设备及其零部件相互之间的协调行为关系控制。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

相比于传统断路器生产车间纸质和报表式的管理方法，本发明采用数字化的方法建立全尺寸的断路器自动化装配车间，基于运动轨迹设计、状态建模、碰撞检测和物理引擎开发等方法，构建了与现实物理车间进行全尺寸虚拟映射的数字化断路器自动化装配车间，通过数字化方法再现断路器自动化装配生产的真实动作逻辑及其全作业流程，实现物理环境和虚拟场景的全尺寸、全动作形态、全物理逻辑的再现，可以显著提高断路器装配车间的实时操作水平，增强车间的透明化程度和管理水平。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法中断路器自动化装配生产线实际装配过程的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法中断路器装配生产线的实际磁轭装配单元的立体结构示意图；

图4为图3中磁轭装配单元所含限位气缸的立体结构示意图；

图5为图3中磁轭装配单元所含限位气缸及磁轭装配气缸之间的状态逻辑图；

图6为本发明实施例提供的一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法中基于触发器原理的断路器自动化装配动作逻辑流程图；

图7为图3中磁轭装配单元的自动化装配动作逻辑流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、收集断路器装配生产线的实际相关信息，并根据所收集到的断路器实际装配生产线的实际相关信息，构建所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型；

具体过程为，首先，收集断路器装配生产线的断路器装配生产线的实际相关信息包括物理车间的布局信息以及每道生产工序及其分别对应的各机械设备及其零部件的几何尺寸、运动距离和运动姿态等；其中，机械设备包括机械装配汽缸等。

在一个实施例中，如图2所示，为本发明实施例中所收集到的断路器实际装配生产线的实际相关信息，该实际信息为断路器自动化装配生产线的实际装配流程主线，包括9个流程模块。其9个流程模块包含共计13道自动化生产工序，每个流程模块包含一个或多个基本生产工序，由相应的上料单元和装配动作单元组成。13道基本自动化装配生产工序分别是：放置外壳、手柄/扭簧装配、磁系统装配、磁轭装配、热系统装配、磁轭装配、飞丝装配、跳扣装配、大U装配、小U装配、灭弧室装配、自动检测、自动合盖。

采用两种结构对生产线轨道进行设计，在放置外壳单元和飞丝装配单元中，生产线轨道为左右平行两道结构，在剩余其他单元，采用上下两层的轨道结构。整个断路器自动化装配生产线中，待装配壳体及断路器放置于载具上，通过流水线轨道运转完成一系列装配动作。载具通过载具回流模块在生产线轨道中循环使用，其中载具回流分为上、下两部分，分别实现载具在上下生产线轨道之间的运转。

其次，根据断路器装配生产线的实际相关信息，构建断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型。当然，可以根据各机械设备及其零部件的几何模型并结合物理车间的布局信息，形成装配车间的几何模型、整个生产线的几何模型等等。应当说明的是，各机械设备及其零部件的几何模型包括不限于三维数字模型，且建模的方式采用本领域通用的技术手段，在此不再赘述。

步骤S2、获取断路器装配生产线上各机械设备及其零部件之间的实际逻辑配合关系，并根据所获取到的获取断路器实际装配生产线上各机械设备及其零部件之间的逻辑配合关系，对所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型进行层级关系建模和优化，得到所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型；

具体过程为，步骤S21、将断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型处理为单独的个体模型，并根据断路器装配生产线上各机械设备及其零部件之间的实际逻辑配合关系，将相应的机械设备及其零部件个体模型按照父子关系的层级结构进行层级建模，得到各机械设备及其零部件层级关系建模后的几何模型；

步骤S22、对各机械设备及其零部件层级建模后的几何模型均进行网格面片优化和模型纹理优化处理；

步骤S23、根据实际装配断路器过程时断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，并基于运动轨迹关键帧技术对优化处理后的各机械设备及其零部件层级建模的几何模型进行运动轨迹设计，得到断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型。

在步骤S21中，断路器装配生产线各机械设备及其零部件的几何模型都是独立个体，零部件与零部件之间没有连接约束关系，无法实现机械设备的连动效果。因此，将同一机械设备有物理连接且运动轨迹相同的模型组合成为运动层级进行层级建模，或通过链接方式将运动层级之间有物理连接但运动轨迹不同的低层级模型关联成高层级模型的子对象来建立运动关联进行层级建模，从而将相应的机械设备及其零部件个体模型按照父子关系的层级结构进行层级建模，得到各机械设备及其零部件层级关系建模后的几何模型。

在步骤S22中，由于各机械设备及其零部件层级关系建模后的几何模型纹理复杂，零部件众多，并且设备单元和单元之间的动作逻辑较为复杂，会导致平台运行效率低下。因此，为了保证系统的流畅稳定运行，通过实例化技术、层次细节(Level of detail，LOD)技术和对象static等技术，来优化模型运行效率和稳定性。

采用实例化技术减少各机械设备层级关系建模后的几何模型中所包含多边形的顶点数和面片数来实现网格面片优化。其中，实例化技术是对模型克隆复制的一种方法，通过与预置对象(Prefabs)交互的方法克隆复制模型对象，达到减少场景中的多边形面片数和顶点数的效果。当系统中一个或多个场景需要大量重复性的对象或模型时，只需将预置的模型对象克隆复制，实现对象的实例化，然后对实例化模型进行平移和旋转，并添加不同的状态。全部的实例化对象都链接到原始的预置对象上，本质上是原始预置对象的克隆。无论场景中存在多少实例化对象，只要对原始的预置对象进行改动，全部的实例化对象都将随之发生变化。该方法可以大大减少场景中的多边形面片数和顶点数，节省大量内存，减少计算机载荷和系统的压力。断路器自动化装配生产线中需要多次使用限位气缸、断路器壳体、零件和载具等对象，通过实例化建模方法，将限位气缸、断路器壳体等预置的模型对象大量实例化，不仅避免了很多重复性的工作，同时大大减轻了系统的压力。

通过层次细节技术及对象静态技术细化各机械设备层级关系建模后的几何模型中所包含的纹理、网格及其贴图来实现模型纹理优化。其中，层次细节技术本质是将多层结构模型集合成一个场景，根据不同标准进行细节省略。本发明基于层次细节方法，采用距离标准进行模型细节简化，当对象在视野中较远时，将场景中对象模型精细的纹理、网格及其贴图等进行幅度比较大的优化，将断路器自动化装配生产线中的精细装配动作隐藏，场景中能观察到的装配细节减少，此时计算机系统运行压力会大大减小。相反，当视野推进时，则对模型进行层次化处理，逐步突出细节，改善系统的沉浸性和真实性。对象静态技术是指将场景中的静态物体全部处理为static(静态)状态，例如断路器自动化装配生产线上所有箱体、气缸支架等，当模型处理为static状态时，系统运行时不会遍历这些模型，从而达到节省资源的目的。需要注意的是模型一旦static化，就不能更改其位置、大小等。

在步骤S23中，各机械设备运动动作设计需要结合实际工序所对应真实动作及其配合关系。因此，对模型进行运动设计，需要在具有层级关系的模型基础上进行，在时间轴的每一帧上记录模型的动作，对每一帧动作进行连续播放，进而形成连贯运动，其中在时间轴上记录下来的运动轨迹帧设置为关键帧作为连贯运动的基础。由于真实的机械设备在一段完整的运动过程中包含多段连续运动的轨迹，因此在对数字模型进行动作设计时，需要在时间轴上确定多段运动轨迹的先后顺序。每一段运动轨迹都涉及多层级模型，需要选取最高层级模型来记录该层级的始末位置，层级低的模型作为子对象，跟随高层级模型移动，不需要再次记录关键帧，从而达到比较流畅的动作效果。

即，首先根据实际装配断路器过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，将各机械设备及其零部件在实际装配断路器过程中的动作均划分为多段运动轨迹，并进一步确定各机械设备及其零部件所划分的多段运动轨迹的先后顺序；其次，根据各机械设备及其零部件所划分的多段运动轨迹的先后顺序，在各机械设备及其零部件在其各自优化处理后的层级建模的几何模型上，确定出各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型，并记录各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型的初始位置及结束位置；最后，将所记录的各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型的初始位置及结束位置均作为关键帧，并将记录的同一机械设备及其零部件所有的关键帧均按照相应划分的多段运动轨迹的先后顺序依序进行组合，得到断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型。

步骤S3、对所得到的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制，并进一步引入数字孪生场景中进行运动仿真，实现所述断路器自动化装配生产线的数字孪生模型与实际的断路器装配生产线虚拟同步。

具体过程为，步骤S31、结合实际装配断路器过程时断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，对所得到的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型的逻辑运动轨迹进行动作编辑；其中，对动作编辑后的断路器装配生产线的几何模型中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制包括但不局限于基于实际装配断路器过程时所述断路器装配生产线上每道生产工序对应的机械设备独立的运动控制，以及各机械设备及其零部件相互之间的协调行为关系控制；

步骤S32、对动作编辑后的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制，并引入数字孪生场景中进行运动仿真，实现断路器自动化装配生产线的数字孪生模型与实际的断路器装配生产线虚拟同步。

在步骤S31中，为了对各机械设备及其零部件动作实施运动控制，需要对每一个机械设备及其零部件进行动作编辑。断路器装配车间上各机械设备及其零部件完整的运动动作由多段不同的运动轨迹共同组成，在各机械设备及其零部件在其各自的运动逻辑模型上，将参与装配断路器运动的运动轨迹截取出来并编辑成待控制的动作片段，用以通过后期脚本编程对装配断路器的运动进行控制；以及将不参与装配断路器运动的运动轨迹截取出来并编辑成播放的动作片段，用以后期对断路器自动化装配车间仿真运行时播放，形成完整流畅的运动过程。

在步骤S32中，通过触发器和碰撞器的碰撞检测、运用Transform组件等方法对动作编辑后的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制，然后引入数字孪生场景中进行运动仿真，实现虚拟与现实同步运动。

在本发明实施例中，断路器自动化装配车间的数字孪生模型建立以后，需要进行场景优化，以提高模型的真实感和立体感。即对数字孪生场景进行全局光照技术优化渲染，设置灯光参数，烘焙断路器自动化装配车间场景，这种渲染方式可以提升光影效果。

此外，为了实现更为真实的渲染效果，通过在每一个检测设备模块周围添加多个光照探头，呈现包裹状态，再次对场景进行烘焙，能够实现强烈真实的光影效果。光照探头数量越多，渲染效果越好，但消耗计算资源较多。采用static技术可以一定程度提升渲染计算效率，可以在烘焙场景前，将静止不动的设备设为静态物体，使计算机运行时不渲染这些静态物体，从而提升计算机渲染效率。

如图3至图7所示，对本发明实施例中的一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法的应用场景做进一步说明：

由于断路器自动化装配生产线所有工序都通过限位气缸的限位杆与载具上的载具槽相切接触来定位载具，装配设备对载具上的装配主体进行装配，装配动作完毕之后对载具放行。因此，以断路器自动化装配流水线中的磁轭装配单元为例来说明本发明的具体实施方法。

第一步，对断路器自动化装配生产线上真实的磁轭装配单元进行调研，获取建模所需的几何尺寸、图片等资源，对磁轭装配单元(如图3所示)的限位气缸和装配气缸进行三维建模，得到磁轭装配气缸和对应的限位气缸的数字化三维模型；其中，1-限位气缸；2-磁轭装配气缸；

第二步，根据磁轭装配单元的设备层级结构对模型进行层次关系建模。以图4所示的限位气缸1为例，限位气缸由滑块、活塞杆、止动块、限位杆、缸筒、导轨、底座等组成。其工作原理是滑块、活塞杆、止动块、限位杆向右运动使限位杆与载具的载具槽相切，达到定位载具的目的，待磁轭装配完毕后，活塞反向运动，达到放行载具的目的。其中，11-滑块、12-活塞杆、13-止动块、14-限位杆、15-缸筒、16-导轨、17-底座。

根据限位气缸的工作原理，将滑块11、活塞杆12、止动块13、限位杆14组合为一个整体，缸筒15、导轨16、底座17建立组合为另一个整体，且前者与后者为子与父的关系。

第三步，对完成层级关系建模的模型进行优化处理，在模型不失真的前提下对其进行模型优化，包括模型纹理优化和网格面片优化。选定需要优化的模型部分，计算出模型的顶点数和面片数，设置相应的顶点数值，使得模型在不失真的前提下达到顶点数最少。这样可以减少模型面片数和顶点数，大大减轻了系统硬件的运行压力，同时节省大量内存。

第四步，根据磁轭装配单元的动力学模型及其运动行为关系，通过运动轨迹关键帧，设计磁轭装配单元的限位气缸和磁轭装配气缸的运动逻辑模型。根据“子动父不动，父动子必动”的规则在限位气缸和磁轭装配气缸的层级关系之间建立父子关系，实现磁轭装配单元各个气缸的运动轨迹。

第五步，根据限位气缸和磁轭装配气缸的运动逻辑，对其进行运动轨迹剪辑，根据运动轨迹关键帧数将模型运动轨迹剪辑为不同的帧段，赋予其相关的名称。按照剪辑的帧数段和名称建立对应的状态机，状态机的基本思想是使模型在某一给定时刻进行一个特定的动作，通过给限位气缸和磁轭装配气缸添加Animator组件实现气缸的仿真动作。将剪辑好的运动轨迹赋给相应的状态机，再将状态机赋予Animator组件，通过给状态机添加代码实现多个状态之间的变换。

如图5所示，为磁轭装配单元的限位气缸和磁轭装配气缸的状态逻辑图。其中，限位气缸moveback表示限位气缸由阻挡动作变为退回动作、限位气缸backidle表示限位气缸处于退回静止状态、限位气缸moveon表示限位气缸由退回动作变为阻挡动作、限位气缸onidle表示限位气缸处于阻挡静止状态；磁轭上料气缸move表示磁轭上料气缸完整的磁轭上料动作，磁轭上料气缸idle表示磁轭上料完毕的静止状态。通过设定状态机的速度值可以改变状态机运动轨迹的播放速度。

气缸动作播放以后，限位气缸进入到限位气缸onidle阻挡等待状态，当满足运动条件，限位气缸会开始播放限位气缸moveon状态机运动轨迹，给限位气缸moveon状态机添加代码.Play，使得限位气缸moveon播放完毕后立即播放磁轭上料气缸move状态机运动轨迹，再给磁轭上料气缸move状态机添加代码.Play，使得磁轭上料气缸move播放完毕后播放限位气缸moveback状态机运动轨迹。通过代码连接限位气缸和磁轭装配气缸的状态机来模拟和完成完整的磁轭装配动作。

第六步，利用碰撞检测、父子关系、载具定位等方法实现磁轭装配单元的状态机动作控制，使系统的控制和动作原理按照真实物理设备的动作逻辑运动，具有真实性。碰撞检测主要使用碰撞器和触发器来实现，其中碰撞器(Collider)是模型的物理组件之一，用来模拟真实产线载具与限位气缸的碰撞效果，碰撞器可用于触发模型运动轨迹，同时忽略物理碰撞，转变为触发器。触发器是碰撞器的一个属性，将碰撞器设定为触发器，以实现触发的功能。

本发明实施方法中，根据断路器自动化装配过程的真实物理动作，对触发器添加相应的条件判断代码，以实现触发器动作，触发限位气缸状态机动作。如图6所示。当断路器载具所添加的碰撞器与触发器发生碰撞后，触发器对流水线的运动状态逻辑进行判断，包括判断前方单元出口是否发生堵塞，装配对象为断路器，触发器检测的载具是否被重复检测，气缸是否为等待状态等条件是否都满足，当所有条件都满足时，才可触发限位气缸状态机动作，加载相应的装配单元动作，否则保持等待，直到条件满足。部分气缸在气缸的动作完成之后，直接将断路器载具定位在指定位置，实现载具的定位，以实现装配逻辑性、稳定性的提高和保证。当气缸与载具之间需要解除父子关系时，如需要回流气缸时，可以在回流气缸状态机里添加函数Detach.Children()实现父子关系的解除。

基于图6的工作原理，得到图7所示的磁轭装配单元的运行逻辑流程图。当加载了碰撞器的断路器载具与轨道上添加触发代码的触发器发生碰撞时，触发限位气缸的moveon动作状态机，起到定位载具的作用，当载具停下来之后，通过move on动作状态机的.Play代码播放磁轭装配气缸，对载具上的断路器进行磁轭装配的运动动作，当装配气缸装配运动轨迹状态机播放完毕，再通过.Play代码播放限位气缸的move back运动轨迹状态机，最后对装配完成的断路器载具放行，从而实现完整的可以模拟真实断路器自动化装配生产过程的数字孪生模型。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

相比于传统断路器生产车间纸质和报表式的管理方法，本发明采用数字化的方法建立全尺寸的断路器自动化装配车间，基于运动轨迹设计、状态建模、碰撞检测和物理引擎开发等方法，构建了与现实物理车间进行全尺寸虚拟映射的数字化断路器装配车间，通过数字化方法再现断路器装配生产线的真实动作逻辑及其全作业流程，实现物理环境和虚拟场景的全尺寸、全动作形态、全物理逻辑的再现，可以显著提高断路器装配车间的实时操作水平，增强车间的透明化程度和管理水平。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、收集断路器自动化装配生产线的实际相关信息，并根据所收集到的断路器自动化装配生产线的实际相关信息，构建所述断路器自动化装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型；

步骤S2、获取断路器自动化装配生产线上各机械设备及其零部件之间的实际逻辑配合关系，并根据所获取到的获取断路器实际装配生产线上各机械设备及其零部件之间的逻辑配合关系，对所述断路器自动化装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型进行层级关系建模和优化，得到所述断路器自动化装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型；

步骤S3、对所得到的断路器自动化装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制，并进一步引入数字孪生场景中进行运动仿真，实现所述断路器自动化装配生产线的数字孪生模型与实际的断路器装配生产线虚拟同步。

2.如权利要求1所述的实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，其特征在于，所述步骤S1中的“所收集到的断路器装配生产线的实际相关信息”包括物理车间的布局信息以及每道自动化装配生产工序及其分别对应的各机械设备及其零部件的几何尺寸、运动距离和运动姿态。

3.如权利要求1所述的实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

将所述断路器自动化装配生产线中各机械设备及其零部件的几何模型处理为单独的个体模型，并根据所述断路器自动化装配生产线上各机械设备及其零部件之间的实际逻辑配合关系，将相应的机械设备及其零部件个体模型按照父子关系的层级结构进行层级建模，得到各机械设备及其零部件层级关系建模后的几何模型；

对各机械设备及其零部件层级建模后的几何模型均进行网格面片优化和模型纹理优化处理；

根据实际断路器自动化装配过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，并基于运动轨迹关键帧技术对优化处理后的各机械设备及其零部件层级建模的几何模型进行运动轨迹设计，得到所述断路器自动化装配生产过程中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型。

4.如权利要求3所述的实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，其特征在于，所述将相应的机械设备及其零部件个体模型按照父子关系的层级结构进行层级建模的步骤具体为，将同一机械设备有物理连接且运动轨迹相同的模型组合成为运动层级进行层级建模，或通过链接方式将运动层级之间有物理连接但运动轨迹不同的低层级模型关联成高层级模型的子对象来建立运动关联进行层级建模。

5.如权利要求3所述的实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，其特征在于，所述对各机械设备及其零部件层级建模后的几何模型均进行网格面片优化和模型纹理优化处理的步骤具体为，通过减少各机械设备层级关系建模后的几何模型中所包含多边形的顶点数和面片数来实现网格面片优化，通过层次细节技术及对象静态技术细化各机械设备层级关系建模后的几何模型中所包含的纹理、网格及其贴图来实现模型纹理优化。

6.如权利要求3所述的实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，其特征在于，所述根据实际装配断路器过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，并基于运动轨迹关键帧技术对优化处理后的各机械设备及其零部件层级建模的几何模型进行运动轨迹设计，得到所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型的具体步骤包括：

根据实际断路器自动化装配过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，将各机械设备及其零部件在实际装配断路器过程中的动作均划分为多段运动轨迹，并进一步确定各机械设备及其零部件所划分的多段运动轨迹的先后顺序；

根据各机械设备及其零部件所划分的多段运动轨迹的先后顺序，在各机械设备及其零部件在其各自优化处理后的层级建模的几何模型上，确定出各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型，并记录各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型的初始位置及结束位置；

将所记录的各机械设备及其零部件上各段运动轨迹的最高层级模型的初始位置及结束位置均作为关键帧，并将记录的同一机械设备及其零部件所有的关键帧均按照相应划分的多段运动轨迹的先后顺序依序进行组合，得到所述断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型。

7.如权利要求1所述的实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

结合实际断路器自动化装配过程时所述断路器装配生产线各机械设备实际的物理动作及其零部件之间的动作配合关系，对所得到的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型的逻辑运动轨迹进行动作编辑；

对动作编辑后的断路器装配生产线中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制，并引入数字孪生场景中进行运动仿真，实现所述断路器自动化装配生产线的数字孪生模型与实际的断路器装配生产线虚拟同步。

8.如权利要求1所述的实现断路器自动化装配车间的数字孪生建模的方法，其特征在于，所述对动作编辑后的断路器装配生产线的几何模型中各机械设备及其零部件的运动逻辑模型进行运动控制包括基于实际装配断路器过程时所述断路器自动化装配生产线上每道生产工序对应的机械设备独立的运动控制，以及各机械设备及其零部件相互之间的协调行为关系控制。

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