CN111046589A

CN111046589A - 一种智能产线可试验数字孪生体建模方法

Info

Publication number: CN111046589A
Application number: CN201911406959.4A
Authority: CN
Inventors: 李�浩; 李兵; 王昊琪; 文笑雨; 李客; 罗国富
Original assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Current assignee: Zhengzhou University of Light Industry
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2039-12-31
Also published as: CN111046589B

Abstract

本发明提出一种智能产线可试验数字孪生体建模方法，首先，利用数字化建模软件建立智能产线中设备的三维模型，并导入数字化产线仿真软件中得到智能虚拟产线；其次，规划设备的运动路径，对智能虚拟产线进行仿真，得到仿真节拍，直至遍历所有的运动路径，导出仿真节拍最小的运动路径以构建与智能虚拟产线相同的智能物理产线；最后，根据智能虚拟产线的仿真过程设置PLC控制逻辑方案，以驱动智能虚拟产线的设备进行生产动作仿真；使智能物理产线与智能虚拟产线的生产动作保持一致，完成智能产线可试验数字孪生体的构建。本发明通过运行智能虚拟产线能够实时反映智能物理产线的关键信息和运行数据，减少了产线搭建及调试时间，节约项目周期和成本。

Description

一种智能产线可试验数字孪生体建模方法

技术领域

本发明涉及产线数字化、智能制造技术领域，特别是指一种智能产线可试验数字孪生体建模方法。

背景技术

随着“工业4.0”和智能制造的兴起，新的技术手段和工具不断涌现，这些新技术和工具助力传统制造业的转型升级，以此来推动制造业的高质量发展。智能化技术的应用对传统机械产品生产线的改造升级也提出了新的要求。数字孪生是近几年智能制造的新兴技术，也是智能制造落地应用的手段之一。

数字孪生技术是指利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能进行描述和建模，在虚拟空间中存在一个与物理空间中的物理实体对象完全一样的数字镜像，使得产品和生产系统的数字空间模型和物理空间模型处于实时交互中，使二者能够及时地掌握彼此的动态变化并实时地做出响应。数字孪生体是指与物理实体模型在几何参数和性能参数一模一样的数字化模型；在产品运行阶段，数字孪生体可与其实际物理模型形成实时动态的联动。可试验数字孪生体是指无需驱动智能物理实体就可以通过数字孪生体进行反复测试与实验以验证物理实体的功能与性能。为了达到能在运行阶段与物理实体的功能和性能一致，在设计阶段必须能完成数字孪生体的可试验性，也就是在生产前就能验证物理实体的几何尺寸、功能与性能。然而，经过对目前已有的相关专利和论文进行研究发现，目前可试验数字孪生体的实现在可视化、控制逻辑一致和数据实时交互方面仍有许多不足，尤其在智能产线数字孪生领域，往往只能做到外层相似，而在内层逻辑控制难以一致，数据流通不畅，且实际产线现场调试环节所需周期长，成本大。因此，目前缺乏针对智能产线的可试验数字孪生体的建模方法。

发明内容

针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种智能产线可试验数字孪生体建模方法，解决了现有智能产线数字孪生技术存在内层逻辑不一致、数据流通不畅的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种智能产线可试验数字孪生体建模方法，其步骤如下：

S1、利用数字化建模软件建立智能产线中设备的三维模型；

S2、将步骤S1中设备的三维模型导入数字化产线仿真软件中，并设置设备的位置、设备的动作参数和设备的运动路径，得到智能虚拟产线；

S3、根据智能产线的生产过程对智能虚拟产线进行仿真，得到仿真节拍；

S4、重新规划设备的运动路径，循环执行步骤S3至步骤S4，直至遍历所有的运动路径，导出仿真节拍最小的运动路径以构建与智能虚拟产线相同的智能物理产线；

S5、根据智能虚拟产线和智能物理产线构建包括逻辑模型映射客户端和PLC控制硬件的逻辑模型，其中，逻辑模型映射客户端与智能虚拟产线相连接，逻辑模型映射客户端通过逻辑模型映射服务器与PLC控制硬件相连接，PLC控制硬件与智能物理产线相连接；

S6、根据智能虚拟产线的仿真过程设置PLC控制逻辑方案；

S7、通过在PLC控制硬件中运行PLC控制逻辑方案，并发出设备动作信号经逻辑模型映射客户端转化为驱动模型动作的信号，驱动智能虚拟产线中的设备进行生产动作仿真；

S8、判断智能虚拟产线中生产动作的仿真结果是否达到预期要求，若是，执行步骤S9，否则，调整PLC控制逻辑方案，返回步骤S7；其中，预期要求是指工件加工质量达到要求、物料流动顺畅的情况下，生产节拍最快；

S9、PLC控制硬件向智能物理产线发送设备动作信号，使智能物理产线与智能虚拟产线的生产动作保持一致，完成智能产线可试验数字孪生体的构建。

所述逻辑模型映射服务器为OPC UA通讯方式。

所述智能产线可试验数字孪生体包括智能虚拟产线、仿真模型、逻辑模型、数据模型和智能物理产线，智能虚拟产线通过仿真模型、逻辑模型、数据模型与智能物理产线相连接，仿真模型与逻辑模型相连接，逻辑模型与数据模型相连接。

所述智能虚拟产线包括虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备，虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备均与逻辑模型相连接，虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备均与数据模型相连接；所述智能物理产线包括生产设备、输送设备、监控设备和其他设备；生产设备、输送设备、监控设备和其他设备均与逻辑模型相连接，生产设备、输送设备、监控设备和其他设备均与数据模型相连接。

所述数据模型包括智能产线数据模型服务平台、虚拟传感器和传感器，智能产线数据模型服务平台分别与虚拟传感器和传感器相连接；所述虚拟传感器设置在智能虚拟产线上，虚拟传感器分别与虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备相连接；所述传感器设置在智能物理产线上，传感器分别与生产设备、输送设备、监控设备和其他设备相连接。

所述智能虚拟产线与智能物理产线之间数据交互的方法为：在智能虚拟产线的运行过程中，虚拟传感器实时采集虚拟生产设备的数据，并将数据传输至智能产线数据模型服务平台，传感器从智能产线数据模型服务平台中读取数据并作用于生产设备；生产设备进行生产动作得到智能物理产线的数据，将智能物理产线的数据传输至智能产线数据模型服务平台与智能虚拟产线的数据进行对比，如果生产设备和虚拟生产设备的数据存在差异，调整虚拟生产设备的路径和位置，使智能虚拟产线和智能物理产线的运行结果一致，实现智能产线可试验数字孪生体的数据交互。

本技术方案能产生的有益效果：本发明利用仿真模型、逻辑模型与数据模型的共同作用建立起一种智能虚拟产线与智能物理产线高度一致的数字孪生体，实现了通过运行智能虚拟产线实时的反映智能物理产线的关键信息和运行数据，从而减少产线搭建、调试时间，大大节约项目周期成本。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的总体流程图；

图2为本发明的总体结构示意图；

图3为本发明的仿真模型的构建步骤图；

图4为本发明的逻辑模型的运行原理图；

图5为本发明的数据模型的运行原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种智能产线可试验数字孪生体建模方法，具体步骤如下：

S1、利用数字化建模软件建立智能产线中设备的三维模型；在汽车车身自动焊接生产线中，为了满足高质量的焊接需求，在NX或CATIA软件中建立焊接夹具、自动焊接机器人，传送带的三维模型。

S2、将步骤S1中设备的三维模型导入数字化产线仿真软件中，并设置设备的位置、设备的动作参数和设备的运动路径，得到智能虚拟产线，如图3所示；根据汽车车身自动焊接线和焊接点位要求，将焊接夹具、焊接机器人、传送带的三维模型导入PROCESSSIMULATION软件中，在PROCESS SIMULATION软件中设置焊接机器人、自动焊钳、传送带的焊接速度、温度、力的参数，设置夹具的夹紧动作，规划机器人和焊钳的运动轨迹、传送带的物料输送路径，完成对焊接生产线的工艺布局，得到智能虚拟焊接生产线。

S3、根据智能产线的生产过程对智能虚拟产线进行仿真，确定生产设备、输送设备在仿真中设定的路径在实际中可以到达，排除生产设备、输送设备在仿真过程中与其他设备发生碰撞干涉的情况，得到仿真节拍；根据实际的焊接生产线的生产过程在PROCESSSIMULATION软件中按照设置的焊接生产线运行顺序将各设备的仿真动作有序连接，从而实现对智能虚拟焊接生产线进行整体仿真，得到焊接生产线的生产节拍，在PROCESSSIMULATION软件中每设置一个仿真动作都会得到相应的时间进度条，在完成一次焊接生产线的仿真后，PROCESS SIMULATION软件会自动计算出运行时间，即得到生产节拍。

S4、重新规划设备的运动路径，循环执行步骤S3至步骤S4，直至遍历所有的运动路径，导出仿真节拍最小的运动路径以构建与智能虚拟产线相同的智能物理产线。根据焊接生产线的周期满足实际焊接需求（设备间不能干涉碰撞、设想的焊接点位焊接机器人都能到达），构建智能物理焊接生产线。

S5、根据智能虚拟产线和智能物理产线构建包括逻辑模型映射客户端和PLC控制硬件的逻辑模型，如图4所示，其中，逻辑模型映射客户端与智能虚拟产线相连接，逻辑模型映射客户端通过逻辑模型映射服务器与PLC控制硬件相连接，PLC控制硬件与智能物理产线相连接；逻辑模型映射服务器为OPC UA通讯方式，PROCESS SIMULATION软件通过OPC UA通讯方式与PLC-1500实现通讯。

S6、根据智能虚拟产线的仿真过程设置PLC控制逻辑方案；利用编程软件编写PLC逻辑控制程序，并将编写好的PLC逻辑控制程序导入PLC控制硬件中；其中，编程软件为博图TIA软件。在编写PLC逻辑控制程序时，每个运动设备都与一个I/O信号一一对应，通过编写PLC逻辑控制程序控制每个I/O信号启动、停止、运行，从而确定设备的启动条件、停止条件和设备运行时间。

S7、通过在PLC控制硬件中运行PLC控制逻辑方案，并发出设备动作信号经逻辑模型映射客户端转化为驱动模型动作的信号，驱动智能虚拟产线中的设备进行生产动作仿真；在PLC空间硬件中运行PLC程序，经OPC UA通讯驱动PROCESS SIMULATION软件中的焊接机器人进行焊接动作，通过PLC控制硬件中的I/O信号使焊接生产线有序运行。

S8、判断智能虚拟产线中生产动作的仿真结果是否达到预期要求，若是，执行步骤S9，否则，调整PLC控制逻辑方案，根据仿真结果中出现的设备运行时发生干涉、物料流动与设计流动路线不一致、在PLC控制下生产节拍慢的问题，修改PLC控制程序调整设备启动顺序、运行时间，返回步骤S7。其中，预期要求是指工件加工质量达到要求（如焊接产线中每个焊点的质量能得到保证，不出现虚焊漏焊等情况）、物料流动顺畅（不会出现产线物料堆积或缺失，待加工件有序流入加工区，已加工成品流进存储区）的情况下，生产节拍最快。

S9、PLC控制硬件向智能物理产线发送设备动作信号，使智能物理产线与智能虚拟产线的生产动作保持一致，完成智能产线可试验数字孪生体的构建。分析智能虚拟焊接生产线的控制是否能满足实际焊接生产线车身焊接质量和生产节拍要求，不断对PLC程序和智能虚拟焊接生产线进行优化，即不断根据仿真过程中发现的问题修改PLC控制程序和调整控制设备启停条件，直至满足要求，将PLC程序应用于智能物理焊接生产线中，构建了焊接生产线可试验数字孪生体。

如图2所示，所述智能产线可试验数字孪生体包括智能虚拟产线、仿真模型、逻辑模型、数据模型和智能物理产线，智能虚拟产线通过仿真模型、逻辑模型、数据模型与智能物理产线相连接，仿真模型与逻辑模型相连接，逻辑模型与数据模型相连接。智能虚拟产线通过仿真模型和逻辑模型构建了智能物理产线的三维模型，所述智能虚拟产线包括虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备，虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备均与逻辑模型相连接，虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备均与数据模型相连接；所述智能物理产线包括生产设备、输送设备、监控设备和其他设备；生产设备、输送设备、监控设备和其他设备均与逻辑模型相连接，生产设备、输送设备、监控设备和其他设备均与数据模型相连接。仿真模型使智能虚拟产线的仿真动作与智能物理产线的运行过程一致；逻辑模型在完成仿真模型的基础上使智能虚拟产线与智能物理产线拥有相同的控制逻辑；数据模型在完成仿真模型和逻辑模型后使智能虚拟产线与智能物理产线数据相互交互，流通顺畅。

如图5所示，所述数据模型包括智能产线数据模型服务平台，虚拟传感器和传感器，智能产线数据模型服务平台分别与虚拟传感器和传感器相连接；所述虚拟传感器设置在智能虚拟产线上，虚拟传感器分别与虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备相连接；所述传感器设置在智能物理产线上，传感器分别与生产设备、输送设备、监控设备和其他设备相连接。

智能虚拟产线与智能物理产线之间数据交互的方法为：利用数字化产线仿真软件得到智能虚拟产线中虚拟生产设备的速度、转角、转矩、压力、位移，利用虚拟监控设备实时采集监控范围内是否有外物进入、监控设备之间是否发生碰撞；如果监控范围内有异常，修改数字化产线仿真软件中虚拟生产设备的路径和位置，直至监控范围内正常，导出虚拟生产设备的路径、位置、速度、转角、转矩、压力、位移；再利用虚拟传感器将虚拟生产设备的路径、位置、速度、转角、转矩、压力和位移传输至智能产线数据模型服务平台；智能物理产线利用传感器采集智能产线数据模型服务平台内的路径、位置、速度、转角、转矩、压力和位移，用于指导生产设备，生产设备根据路径、位置、速度、转角、转矩、压力和位移运行智能物理产线，输出智能物理产线中生产设备的路径、位置、速度、转角、转矩、压力和位移，并传输至智能产线数据模型服务平台；对比生产设备和虚拟生产设备的数据，如果生产设备和虚拟生产设备的数据存在差异，调整虚拟生产设备的路径和位置，使智能虚拟产线和智能物理产线的运行结果一致，实现智能产线可试验数字孪生体的数据交互。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种智能产线可试验数字孪生体建模方法，其特征在于，其步骤如下：

S1、利用数字化建模软件建立智能产线中设备的三维模型；

S6、根据智能虚拟产线的仿真过程设置PLC控制逻辑方案；

2.根据权利要求1所述的智能产线可试验数字孪生体建模方法，其特征在于，所述逻辑模型映射服务器为OPC UA通讯方式。

3.根据权利要求1所述的智能产线可试验数字孪生体建模方法，其特征在于，所述智能产线可试验数字孪生体包括智能虚拟产线、仿真模型、逻辑模型、数据模型和智能物理产线，智能虚拟产线通过仿真模型、逻辑模型、数据模型与智能物理产线相连接，仿真模型与逻辑模型相连接，逻辑模型与数据模型相连接。

4.根据权利要求1或3所述的智能产线可试验数字孪生体建模方法，其特征在于，所述智能虚拟产线包括虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备，虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备均与逻辑模型相连接，虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备均与数据模型相连接；所述智能物理产线包括生产设备、输送设备、监控设备和其他设备；生产设备、输送设备、监控设备和其他设备均与逻辑模型相连接，生产设备、输送设备、监控设备和其他设备均与数据模型相连接。

5.根据权利要求3所述的智能产线可试验数字孪生体建模方法，其特征在于，所述数据模型包括智能产线数据模型服务平台、虚拟传感器和传感器，智能产线数据模型服务平台分别与虚拟传感器和传感器相连接；所述虚拟传感器设置在智能虚拟产线上，虚拟传感器分别与虚拟生产设备、虚拟输送设备、虚拟监控设备和虚拟其他设备相连接；所述传感器设置在智能物理产线上，传感器分别与生产设备、输送设备、监控设备和其他设备相连接。

6.根据权利要求5所述的智能产线可试验数字孪生体建模方法，其特征在于，所述智能虚拟产线与智能物理产线之间数据交互的方法为：在智能虚拟产线的运行过程中，虚拟传感器实时采集虚拟生产设备的数据，并将数据传输至智能产线数据模型服务平台，传感器从智能产线数据模型服务平台中读取数据并作用于生产设备；生产设备进行生产动作得到智能物理产线的数据，将智能物理产线的数据传输至智能产线数据模型服务平台与智能虚拟产线的数据进行对比，如果生产设备和虚拟生产设备的数据存在差异，调整虚拟生产设备的路径和位置，使智能虚拟产线和智能物理产线的运行结果一致，实现智能产线可试验数字孪生体的数据交互。