基于參數(shù)化模型的生產(chǎn)線協(xié)同仿真與應(yīng)用*

李愛平 徐辰杰 魯 力 周豐旭

(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，以三維實體建模技術(shù)為核心的CAD 軟件、虛擬樣機技術(shù)和有限元技術(shù)為核心的CAE 軟件日趨成熟，已廣泛應(yīng)用于機械產(chǎn)品的設(shè)計［1］。兩種軟件的發(fā)展各有側(cè)重，雖然現(xiàn)有的仿真工具可以解決大部分單一領(lǐng)域的分析評估問題，但在一定程度上沒能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。因此，協(xié)同仿真作為新興的仿真手段，其應(yīng)用也越來越廣。

協(xié)同仿真方法是采用異構(gòu)仿真的思路，將不同建模工具和方法融合在一起，以充分利用每種方法對于特定問題和領(lǐng)域的實用性，從而能夠提高復(fù)雜系統(tǒng)的模型粒度和置信度。國內(nèi)外學(xué)者在協(xié)同仿真方面做了大量的研究。文獻［2］針對水下機器人仿真的實際應(yīng)用，引入?yún)f(xié)同仿真技術(shù)，提出了水下機器人協(xié)同仿真框架和配套的開發(fā)方法，在VC ++環(huán)境中協(xié)同Matlab、Simulink 等不同的異構(gòu)軟件，并行完成各個仿真模塊的協(xié)同工作。文獻［3］提出基于HLA 的多學(xué)科協(xié)同仿真平臺，并對其中關(guān)鍵技術(shù):基于同步數(shù)據(jù)的協(xié)同算法和擴展HLA 接口技術(shù)等進行了詳細(xì)闡述。生產(chǎn)線作為復(fù)雜的制造系統(tǒng)，在生產(chǎn)線三維建模及布局優(yōu)化方面，相關(guān)學(xué)者也做了不少研究。文獻［4］利用E -factory 仿真軟件對某減速箱制造企業(yè)車間布局進行設(shè)計優(yōu)化，但該軟件只提供平面設(shè)計功能，不能為設(shè)計人員提供形象的參考。文獻［5］以消失模鑄造生產(chǎn)線的三維參數(shù)化設(shè)計為主要研究內(nèi)容，設(shè)計了一套軟件系統(tǒng)使其能夠在參數(shù)的驅(qū)動下，完成設(shè)備的選型，最終得到生產(chǎn)線的三維圖。

以上文獻的研究，在協(xié)同仿真方面主要集中在產(chǎn)品的設(shè)計過程，而對于生產(chǎn)線本身的協(xié)同仿真涉及較少;在生產(chǎn)線參數(shù)化建模方面，主要是針對單一物流模型，設(shè)計過程很大程度上依靠設(shè)計人員手動布置，這樣既降低精度又延長了設(shè)計時間。因此，研究基于生產(chǎn)線參數(shù)化三維模型的協(xié)同仿真技術(shù)，尋求有效的生產(chǎn)線干涉檢測機制，具有重要意義。

本文在分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際加工生產(chǎn)線布局規(guī)劃設(shè)計，提出了基于Plant Simulation的物流模型和二次開發(fā)FactoryCAD 的生產(chǎn)線參數(shù)化建模模塊的協(xié)同仿真技術(shù)。對包括生產(chǎn)線參數(shù)化建模技術(shù)，協(xié)同仿真數(shù)據(jù)交互技術(shù)和干涉檢測技術(shù)3 部分進行展開，給出了相應(yīng)的實現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)框架

基于FactoryCAD 直觀的三維建模和Plant Simulation 物流模型仿真，以協(xié)同仿真技術(shù)為手段通過三維模型與物流模型的一一映射，導(dǎo)出Plant Simulation 中優(yōu)化后的布局信息，在FactoryCAD 中建立相應(yīng)的生產(chǎn)線三維模型，利用掃掠等手段定性分析生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的干涉，最終將三維模型反饋至Plant Simulation 中進行動畫演示，該協(xié)同仿真過程的總體框架如圖1 所示。

該系統(tǒng)主要包括4 個模塊:①設(shè)計生產(chǎn)線所需的基礎(chǔ)設(shè)備，即構(gòu)建參數(shù)化設(shè)備模型庫。②在FactoryCAD 中根據(jù)不同類別，分別實現(xiàn)機床、導(dǎo)軌、機械手等的參數(shù)化布局。③數(shù)據(jù)交換機制。數(shù)據(jù)交換是協(xié)同仿真的橋梁，主要涉及到在FactoryCAD 中根據(jù)Plant Simulation 所提供的布局信息構(gòu)建生產(chǎn)線三維模型，以及在Plant Simulation 中通過JT 格式獲取已經(jīng)建立的三維模型進行動畫演示。④干涉檢測。針對生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的干涉進行定性的預(yù)判，給予設(shè)計人員更多車間布局信息。

圖1 總體框架

2 主要功能實現(xiàn)

針對上述系統(tǒng)框架，分別對主要的4 個模塊進行研究，并給出每個模塊的實現(xiàn)過程和方法。

2.1 生產(chǎn)線參數(shù)化建模

生產(chǎn)線作為復(fù)雜的制造系統(tǒng)，所涉及的設(shè)備不同于通用零件的參數(shù)化建模，具有復(fù)雜程度高，通用性差等特點。因此，作為生產(chǎn)線參數(shù)化建模的基礎(chǔ)，設(shè)備模型庫(相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)件庫)具有重要作用。FactoryCAD提供了龐大、詳細(xì)的參數(shù)化模型庫(導(dǎo)軌、桁架、機械手，貨架等)，并且支持各類機床模型通過JT 格式調(diào)用，可以滿足生產(chǎn)線建模的需要。其次，根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)，驅(qū)動模型庫中相應(yīng)的模型尺寸參數(shù)之后，依據(jù)已有的生產(chǎn)線布局信息(位置坐標(biāo)、角度)，將生產(chǎn)設(shè)施布置在指定位置。因此，將生產(chǎn)線參數(shù)化建模主要分為生產(chǎn)設(shè)施參數(shù)化選型和生產(chǎn)線參數(shù)化布局兩個方面。

(1)生產(chǎn)設(shè)施參數(shù)化選型。主要涉及到加工設(shè)備、物流設(shè)施以及基礎(chǔ)設(shè)施，針對不同的模型采取不同的建模方法。①對于生產(chǎn)設(shè)備，主要涉及到加工機床、珩磨機、清洗機等設(shè)備。該類設(shè)備通用性差，不宜使用參數(shù)化建模，因此，通過JT 格式調(diào)用已經(jīng)建立的模型即可，設(shè)計人員只需根據(jù)加工信息選擇合適的設(shè)備，即設(shè)備的選型。②對于物流設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施，主要采取參數(shù)化建模的方式。其中涉及的模型參數(shù)可分為驅(qū)動參數(shù)和聯(lián)動參數(shù)，驅(qū)動參數(shù)是指由用戶在交互界面設(shè)定參數(shù)值，用于驅(qū)動聯(lián)動參數(shù)變化從而驅(qū)動模型的參數(shù)類型［6］。

在FactoryCAD 中，驅(qū)動參數(shù)包括物流設(shè)施的形狀尺寸以及相關(guān)設(shè)計屬性等，例如輥道的類型和長度;聯(lián)動參數(shù)是指不需要用戶直接設(shè)定參數(shù)值、隨驅(qū)動參數(shù)變化的參數(shù)，例如輥子的數(shù)量由輥道的長度而確定等。因此，F(xiàn)actoryCAD 只需讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，便可生成相對應(yīng)的設(shè)備，最終完成生產(chǎn)線上加工設(shè)備的選型以及物流設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施的參數(shù)化建模。

(2)生產(chǎn)線參數(shù)化布局。這里所提到的參數(shù)化布局是指基于Plant Simulation 設(shè)計優(yōu)化后的布局信息，在FactoryCAD 中建立生產(chǎn)線三維模型，給出直觀的、可供參考的生產(chǎn)線實況。生產(chǎn)線參數(shù)化布局過程中，數(shù)據(jù)主要涉及到設(shè)備的位置信息和角度等。在FactoryCAD 的基礎(chǔ)上，開發(fā)生產(chǎn)線參數(shù)化布局模塊，該模塊主要是在設(shè)備選型后，依據(jù)布局信息，可以實現(xiàn)大量相同設(shè)備同時布局，主要涉及到的操作有移動M 指令和旋轉(zhuǎn)RO 指令，而數(shù)據(jù)的獲取主要是通過API 接口讀取存放在Excel 中的布局信息。

參數(shù)化布局的流程如圖2 所示，在讀取Excel 存儲的布局信息后，按加工設(shè)備分類，針對相同的設(shè)備，采用批量布局，即選取這批機床對應(yīng)的布局信息統(tǒng)一布局;針對單臺的設(shè)備則選擇依次布局。完成設(shè)備布局后檢測未被分配設(shè)備位置的，若有遺漏，重復(fù)上述兩種布局方式。

2.2 數(shù)據(jù)交換機制

圖2 參數(shù)化布局流程

2.2.1 數(shù)據(jù)交換的數(shù)學(xué)描述

在數(shù)據(jù)交換中，一個以源Schema(結(jié)構(gòu))組織的源數(shù)據(jù)被重構(gòu)、翻譯為以另一個不同的源Schema 組織的目標(biāo)數(shù)據(jù)［7］。這里所指的數(shù)據(jù)可以是文件、數(shù)據(jù)庫、界面元素等，Schema 是指能定義一類數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)施加約束以區(qū)別于其他數(shù)據(jù)的模式。

數(shù)據(jù)交換過程可以用一個四元組(S，T，∑st，∑t)描述。其中:S 為源Schema;T 為目標(biāo)Schema;∑t 為T 上施加約束的集合;∑st 為S 到T 轉(zhuǎn)換關(guān)系的集合。

Schema 是一個有限的關(guān)系集合，R={R1，R2，…，Rk}，S={S1，S2，…，Sn}，T={T1，T2，…，Tm};Si為源Schema 關(guān)系集合中的子關(guān)系;Tj為目標(biāo)Schema 關(guān)系集合中的子關(guān)系。

令I(lǐng) 是S 的一個實例，J 是T 的一個實例，K=＜I，J ＞滿足S∪T，則

因此，數(shù)據(jù)交換問題可以歸結(jié)為給一個I，求J 的問題，使得J 滿足∑t，＜I，J ＞滿足∑st。J 稱為I的一個方案，J 可能沒有解，也可能存在多個方案。

2.2.2 協(xié)同仿真中數(shù)據(jù)的主要特點

協(xié)同仿真過程中，存在大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)的主要特點有:①數(shù)據(jù)形式復(fù)雜多樣，有結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，也有非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，具體包括幾何圖形、圖像、圖表、文檔等等;②頻繁的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)流量大;③對數(shù)據(jù)的一致性要求高。

本文所研究的FactoryCAD 與Plant Simulation 之間的協(xié)同仿真，即一個源組織的數(shù)據(jù)被翻譯成另一個不同的源組織的目標(biāo)數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)交換的類型和主要特點，可將這兩個軟件之間的數(shù)據(jù)交換，按交換方式分為基于接口的直接數(shù)據(jù)交換和基于共同語言的間接數(shù)據(jù)交換。

2.2.3 基于接口的直接數(shù)據(jù)交換

基于接口的方法，充分發(fā)揮各領(lǐng)域商用仿真軟件在各自領(lǐng)域的特長，利用它們分別完成各自領(lǐng)域仿真模型的構(gòu)建，然后基于各個不同領(lǐng)域商用仿真軟件之間的接口，實現(xiàn)不同模型之間的協(xié)同仿真運行［8］，原理圖如圖3 所示。

圖3 基于接口的協(xié)同仿真原理圖

FactoryCAD 利用其豐富的資源設(shè)備庫構(gòu)建生產(chǎn)線三維模型，通過輕量化JT 模型，將生產(chǎn)線設(shè)備按不同類別分別導(dǎo)出，基于JT 格式的直接數(shù)據(jù)交換如圖4所示。例如分別以粗加工島、精加工島為整體導(dǎo)出機床單元模型，具有整體性、更快捷等優(yōu)勢。然后基于共用的JT 接口，由Plant Simulation 讀取三維模型，取代其中所建立的邏輯二維物流模型，提供更為直觀的可視化物流模型，以便于后期的車間動畫演示。

2.2.4 基于Excel 的間接數(shù)據(jù)交換

在Plant Simulation 中所建立的邏輯物流模型可提供大量布局信息供FactoryCAD 建立相應(yīng)車間三維模型，通過遍歷所有物流模型，導(dǎo)出所需的基本屬性至第三方軟件Excel。FactoryCAD 是基于AutoCAD 二次開發(fā)，因此具備開放的API 接口可以調(diào)用Excel 中的數(shù)據(jù)。分析生產(chǎn)線三維建模所需的數(shù)據(jù)，可大致歸為坐標(biāo)信息、設(shè)備角度信息以及工位信息，而Plant Simulation 中的邏輯物流模型僅能提供相對應(yīng)的坐標(biāo)信息和工位信息，因此需要工作人員根據(jù)實際情況輸入角度信息以便限定設(shè)備的自由度。所涉及的數(shù)據(jù)交換如圖5 所示。

在具體實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互時，考慮到簡化數(shù)據(jù)，方便設(shè)計人員實際操作的情況，筆者使用了C/P(Command/Parameter)數(shù)據(jù)交互機制，就是在FactoryCAD 讀取數(shù)據(jù)的過程中，只傳遞操作明命令和參數(shù)，該系統(tǒng)中有一個模塊用于解釋這些C/P 的信息流，稱為命令解釋器，它負(fù)責(zé)映射為FactoryCAD 認(rèn)同的操作，例如針對坐標(biāo)信息采用M 指令、針對角度信息采用RO 指令。這樣大大節(jié)約了設(shè)計者的設(shè)計時間，且方便了后期修改。

在實際交換過程中，對于仿真優(yōu)化后的物流模型，Plant Simulation 并不提供上述數(shù)據(jù)信息的自動提取，因此選擇通過編寫Simtalk 程序語句實現(xiàn)該功能。具體過程是先遍歷整個Frame 中包括Sourse、SingleProc、Line 等仿真模型，將這些對象的名稱、坐標(biāo)信息依次寫入至Tablefile，在此之后導(dǎo)出為Excel 格式供FactoryCAD 調(diào)用，實現(xiàn)該功能的程序如下:

圖4 基于JT 格式的直接數(shù)據(jù)交換

圖5 基于Excel 的間接數(shù)據(jù)交換

2.3 干涉檢測

基于車間設(shè)計的需要，動態(tài)干涉檢測一直是十分熱門的問題，主要發(fā)生在以下兩種情形:設(shè)備和工作人員的活動空間檢測，主要應(yīng)用于機器人手臂的路徑搜索;以及在設(shè)備等放置過程中，檢測是否受車間空間約束發(fā)生干涉。

已有的動態(tài)干涉檢測的方法研究，總的說來可分為下面幾類方法［9］:①多次檢查:在一定的時間間隔，計算物體在這一時刻所處位置的干涉情況;②交叉計算:將物體的運動軌跡用一個時間的函數(shù)來表示，建立一個數(shù)學(xué)方程，通過解方程來得到干涉的精確時間和位置;③掃掠物體:這種方式是建立一個掃掠體，這實際是運動實體沿指定軌跡運動時所占的空間體積。但掃描體的生成是比較困難的，除非實體比較簡單。掃描體一經(jīng)生成，其動態(tài)干涉檢查就可以用一次靜態(tài)干涉檢查來完成。

針對生產(chǎn)線實際情況，相對位置固定，外形尺寸簡單等，故干涉檢測主要考慮動態(tài)干涉發(fā)生的可能。干涉檢查的物體基本上是簡單實體(或可以被簡化為簡單實體)且軌跡確定，也不關(guān)心它們干涉時的精確時間，針對這種特殊情況，采用掃掠物體法較容易發(fā)現(xiàn)干涉問題。FactoryCAD 提供這樣的動態(tài)檢查功能，在設(shè)計初期能夠檢測人或設(shè)備的工作運動軌跡以避免與其他固定設(shè)備等發(fā)生干涉。對于機械手和叉車等設(shè)備提供了不同的掃掠方法。對于機械手主要是采用絕對安全范圍，模擬機械手工作過程中可能到達(dá)的最大范圍;而叉車等物流設(shè)備或人則是采用按照既定路徑掃掠，依據(jù)掃掠體采取靜態(tài)干涉檢測。這樣就從根本上避免了定量分析生產(chǎn)線最優(yōu)布局后，在實際生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的干涉問題。

鑒于干涉檢測在加工生產(chǎn)過程中的實際應(yīng)用，在多模型協(xié)同仿真后，有必要引入該技術(shù)，對建立優(yōu)化后的三維模型進行干涉檢測。

3 實例應(yīng)用

針對某柴油發(fā)動機企業(yè)新廠房車間布局規(guī)劃后期，在以Plant Simulation 針對瓶頸工位分析優(yōu)化后，利用本文提出的基于FactoryCAD 和Plant Simulation 的協(xié)同仿真技術(shù)，完成生產(chǎn)線三維建模、干涉檢測等環(huán)節(jié)，為后續(xù)優(yōu)化調(diào)整和動畫演示提供支持。

缸體加工生產(chǎn)線主要由機床、導(dǎo)軌、桁架、機械手，貨架等組成。設(shè)計人員根據(jù)不同類型采用不同的三維建模方法，機床和機械手根據(jù)企業(yè)所采用的不同型號調(diào)用已建立的模型數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)軌、桁架和貨架等則是由實際情況進行參數(shù)化建模，方便后續(xù)更改。車間布局信息的獲取主要基于FactoryCAD 與Plant Simulation之間的協(xié)同仿真所進行的數(shù)據(jù)交換，在獲得布局信息后，基于在FactoryCAD 上進行二次開發(fā)的模塊將數(shù)據(jù)進行分類和調(diào)用，最終可以快速且準(zhǔn)確地生成缸體加工生產(chǎn)線，并在此基礎(chǔ)上，為了更真實展示車間信息，利用Plant Simulation 的3D 模塊針對構(gòu)建的加工生產(chǎn)線進行動畫演示，提供了良好的可視化效果。

當(dāng)完成布局和機床信息導(dǎo)入后，進行參數(shù)化布局時，出現(xiàn)如圖6 所示的系統(tǒng)交互界面。用戶可通過界面選擇機床類型，設(shè)定機床信息，選擇需要布局的位置來安排機床布置，最后自動生成缸體生產(chǎn)線的三維模型。相較以往導(dǎo)入JT 模型，再定位的方式，該二次開發(fā)模塊簡化了繁瑣的數(shù)據(jù)輸入，提高了設(shè)計效率。

圖6 參數(shù)化布局界面

過去在生產(chǎn)線布局優(yōu)化后進行可視化建模通常需要4～5 天，而使用該建模模塊以及協(xié)同仿真技術(shù)后，生產(chǎn)線三維模型的建立及演示只需1～2 h，效率提高明顯。圖7 所示是完善生產(chǎn)線及其內(nèi)部設(shè)施后的三維模型，主要涉及到立柱，圍欄，配電箱等，使得車間三維模型更為逼真。

圖7 最終車間三維模型

圖8 機械手掃掠體干涉檢測

在完善整個車間的內(nèi)部設(shè)施后，需對整條生產(chǎn)線進行干涉檢測，本文就加工生產(chǎn)線某一島內(nèi)機械手運動軌跡進行干涉檢測，掃掠機械手可能達(dá)到的最大范圍，生成掃掠體，轉(zhuǎn)化為一次靜態(tài)干涉檢測，通過轉(zhuǎn)動視角，觀察掃掠體是否與其他加工設(shè)備發(fā)生干涉。圖8 為機械手在其工作的島內(nèi)干涉仿真結(jié)果，圖片中央網(wǎng)狀即為機械手掃掠所達(dá)的最大范圍。

4 結(jié)語

針對車間布局設(shè)計過程中物流模型不夠直觀，無法及時發(fā)現(xiàn)和反饋實際生產(chǎn)中可能存在的問題。以某企業(yè)柴油發(fā)動機缸體加工生產(chǎn)線為應(yīng)用背景，通過建立數(shù)據(jù)交換機制，對生產(chǎn)線進行參數(shù)化建模，研究了基于Plant Simulation 與FactoryCAD 之間的協(xié)同仿真技術(shù)，應(yīng)用FactoryCAD 的干涉檢測機制，對車間工作過程中可能發(fā)生的干涉進行了排查，提高了設(shè)計的可信度。實例證明，該方法便捷、高效，能為企業(yè)進行生產(chǎn)線布局規(guī)劃提供有效地支持。

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