柔性制造及虚拟实验系统的设计与实现

尹念东，李艳丽，2，何 彬

（1湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石4350032；2湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉430068）

柔性制造系统是能适应加工对象变化的自动化机械制造系统，由统一的信息控制系统、物料储运系统和数字控制加工设备组成，是现代信息、先进制造、自动控制、计算机技术在机械电子系统中的集成应用。建立能够体现先进制造技术的柔性制造实验（实训）系统十分必要［1－2］。本文根据教学的需求，面向生产实际，设计一套完全模拟工业现场的柔性制造（实训）系统，并在网络环境下构建一个虚拟的、与实际柔性制造系统一致的柔性制造（实训）系统。该系统具有实时性和交互性，既可相互独立运行，又可以并行运行。

1 系统的功能

在模拟工业现场的柔性制造系统下构建一个虚拟的三维柔性制造环境，包括虚拟加工设备、虚拟控制单元、虚拟生产线、虚拟车间等［3－4］，系统能够实现柔性加工实验。

1.1 模拟工业现场的柔性制造系统

1.1.1 数控加工 由数控车床与数控铣床、并联机器人等组成。

1.1.2 运储物料 由自动化立体仓库与码垛机、自动化输送线系统、上下料搬运机器人、气电混合机器人分拣及装配构成。

1.1.3 计算机控制 由CCD视觉形状颜色检测、检测与条码打印扫描、总控制系统等组成。

1.1.4 网络与软件 由工业现场总线、组态软件、信息管理软件等组成。

1.2 虚拟柔性制造实验系统

1.2.1 虚拟设备的建模与控制 实现与柔性制造系统一致的虚拟加工设备、虚拟传感器、虚拟输送单元、虚拟生产线等图形的建模与控制。

1.2.2 虚拟三维实时仿真 对数控加工设备和物料运储装置的加工、控制、运动等过程进行虚拟三维实时仿真。

1.3 虚拟实验及实训

1）了解柔性制造／自动化物流系统（工业自动化）的基本组成和基本原理。

2）掌握先进制造技术的应用开发和技术集成。

3）完成电机驱动及控制技术、PLC控制系统的设计与应用、计算机网络通信技术和现场总线技术、高级语言编程等技能的训练。

4）基于虚拟的三维柔性制造环境和设备，评价产品的外观和功能，修正产品设计。

5）改进生产计划和生产工艺，验证NC程序，完善加工方案，对新的产品制造过程模拟并进行综合评价，从而实现产品设计、制造过程的优化。

2 系统的结构

为了满足机械工程专业的实验（实训）教学，培养学生掌握机械电子系统研究开发能力的需要，设计一套完全模拟工业现场实际的柔性制造系统和与之一致的虚拟实验系统。

虚拟实验系统集成了虚拟场景建模、数据采集、实时通信等技术，建立起与柔性制造实物系统实际运行过程一致的三维实时虚拟仿真场景。通过虚拟实验系统可以进行虚拟实验，可以对产品的设计、评价、工艺、生产控制工程等进行研究与实验。虚拟实验系统具有重复性、实时性、交互性、知识性、沉浸性和扩展性的特点。

图1 柔性制造及虚拟实验的系统结构

虚拟仿真时，通过总线接口发送启动视景模拟请求和相关状态参数，并从主控机接收仿真训练过程同步数据，控制显示元件与视景图像进程一致，虚拟实验系统控制计算机通过TCP／IP协议和主控计算机联接，实现虚拟制造过程与实际制造过程的映射（图1）。

3 系统的实现及关键技术

3.1 总体规划设计

柔性制造及虚拟实验系统要完成全模拟工业现场实际应用，实现虚拟加工设备、虚拟生产线的等图形建模与控制，建立虚拟设备的运动学和动力学模型，实时地对柔性制造过程进行数据采集、处理与仿真，利用传感器技术实现虚拟设备与真实设备的接口对实际加工过程进行控制，实现虚拟制造过程与实际制造过程的映射［5－6］。系统总体规划设计如图2所示。

图2 系统的总体规划设计

3.2 柔性制造系统的组成

3.2.1 加工单元 改造现有数控车床与数控铣床、并联机器人等实现柔性制造控制接口。

3.2.2 自动化立体仓库与码垛机单元 由双排钢结构大型立体化仓库、托盘与毛坯工件、检测传感器、挂壁式码垛机、支架、出入库平移台与西门子PLC控制系统组成。

3.2.3 自动化输送线系统单元 由多种电机控制调速皮带输送机、辊筒输送机、90°转角输送机、三菱PLC控制系统组成。

3.2.4 CCD视觉形状颜色、尺寸检测单元 由CCD镜头机身、PCI视频采集卡等组成。

3.2.5 计算机控制系统 基于计算机网络通信技术和现场总线，实现CCD视觉形状、尺寸、颜色等检测，检测与条码打印扫描，位置、速度和加速度控制，完成系统总控等。

3.3 柔性制造虚拟实验系统的开发

柔性制造虚拟实验系统的开发与实现的关键技术包括虚拟加工设备、虚拟制造环境、虚拟柔性生产线等图形建模与图形控制，虚拟设备的运动学和动力学模型的研究。

3.3.1 三维建模 采用 MultiGen Creator、3DS MAX建立虚拟设备及虚拟制造环境的几何模型。

3.3.2 虚拟制造环境的建立 采用OpenGVS对场景模型数据库进行管理，建立分布式虚拟制造环境，实现网络加工数据的传输以及多机协同工作的虚拟制造。OpenGVS是Quantum3D公司开发的实时视景管理软件，具有良好的模块性、编程灵活性和可移植特性。在 Microsoft Visual C＋＋编程环境下，通过OpenGVS SDK，用户可以方便地对场景模型进行驱动、控制和管理，同时结合 MFC（Microsoft foundation Class Library）和Sockets API通信类函数实现网络通信（图3）。

图3 虚拟制造环境图形建模及控制

3.3.3 柔性制造过程的数据采集、处理 基于柔性制造系统的ProfiBus－DP工业现场总线，实时采集系统中的物流装备和加工装备的数据，虚拟实验的数据（虚拟系统控制计算机）通过以太网络和Profi－Bus－DP，按照TCP／IP协议进行数据交换，实现虚拟制造过程与实际制造过程的映射。

3.3.4 虚拟设备的运动学和动力学模型的建立运用MATLAB工具软件，实时采集系统中的物流装备（全自动堆垛机、皮带线、滚筒线、倍速连线和分拣线等）和加工装备（数控机床等）的数据，进行仿真研究，建立虚拟设备运动学和动力学模型。柔性制造及虚拟实验系统如图4－图7所示。

图4 柔性制造及虚拟实验系统

图5 气电混合机器人及检测系统

图6 数控机床加工单元

图7 柔性制造虚拟实验过程

4 结束语

构建的完全模拟工业生产的柔性制造系统和与之对应的虚拟实验系统是一个双向映射的系统，既可独立运行，也可以并行运行。在柔性制造系统上能够完成实验与实训，在虚拟实验系统上可以对柔性制造系统及运行过程虚拟仿真。由于虚拟实验是实际制造过程的映射，虚拟实验在“体验”试验过程、分析理解实验的结果、减少试验费用、缩短实验时间等方面具有独特的优势，学生能够直接感受产品生产过程，可以改进生产计划和生产工艺，验证NC程序，完善加工方案。柔性制造及虚拟实验系统为学生提供了一个开放、创新、交互的实验平台。

［1］ 尹念东.汽车节能控制模型的虚拟实验技术研究［J］.黄石理工学院学报，2010（02）：1－4

［2］ 王丽娟，胡青泥，舒宏.机械加工虚拟实验技术的研究［J］.东华大学学报，2011，37（04）：462－466

［3］ 彭良友，张李超，赵祖烨，李 敏，周强.虚拟折弯机及板料动态柔体仿真的研究与实现［J］.锻压技术，2011，36（01）：82－87

［4］ Yin Niandong，Chen Dingfang.Research and development of distributed interactive vehicle simulation system for driving training［C］.Proceedings of the 2007 11th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design，Melbourne，Australia

［5］ Yin Niandong ，Xia Ping，Tao Qing.Construction of virtual experiment platform for research about vehicle driving control at energy－saving［C］.The 14th International Conference on Computer Supported Cooperative Work in Design 2010，Shanghai，China.

［6］ 刘 杰.面向快速成型的设备控制、工艺优化及成型仿真研究［D］.广州：华南理工大学，2012.