一种基于数字化AR技术的虚拟工厂制造执行系统的制作方法

本发明涉及对现实工厂的可视化监控和管理，具体的说是一种数字化ar技术的虚拟工厂制造执行系统。

背景技术：

目前对于工厂的制造执行系统，普通的制造执行系统多采用2d图片加文字说明的方式来管理生产车间，生产人员可以在图片上看到生产线的样子、零部件的装配方式，通过图文来理解各种设备的功能以及生产顺序。不过这种方式不够直观，没有受过培训的人仅通过图文说明很难理解某类设备或工具的使用方法。同时，在日常生产过程中，当工厂发生事件，普通的制造执行系统很难快速、准确定位设备故障位置，从而无法及时排出故障。这些都无形中降低了企业的生产效率，增加了企业的开销和成本。

而有了虚拟工厂制造执行系统，就可以设置不同的情景提早对生产线进行调整，找到最有效率的解决方案，从被动的计划改成主动的计划调整。将物理工厂的运行数据映射到虚拟工厂，从而驱动虚拟工厂运行，工作人员只需要面对虚拟工厂的动态三维模型就能全面掌控工厂中物流运送进度、生产装配进度、设备运行状态等工厂事件。

技术实现要素：

针对现有制造执行系统的监控和管理需求，本发明提供了一种基于数字化ar技术的虚拟工厂制造执行系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于数字化ar技术的虚拟工厂制造执行系统，包括过程控制模块、通讯接口模块、虚拟增强模块；

所述过程控制模块，用于驱动现场设备动作，并采集现场设备的运动状态；

所述通讯接口模块，用于实现过程控制模块和虚拟增强模块的通信；

所述虚拟增强模块，用于构建虚拟工厂场景，并根据现场设备的运动状态实时显示现场设备动作。

所述过程控制模块包括plc、agv、生产线传送带、rfid、传感器、无线pda；现场设备包括plc、agv、生产线传送带。

所述通讯接口模块包括opc-ua接口、websocket接口和ajax接口。

所述虚拟增强模块包括可视化过程监控模块、生产订单跟踪模块、场景建模模块、设备要素建模模块、3d图形引擎和平台架构服务模块；

场景建模模块，用于根据对车间现场设备表面进行扫描，得到现场设备的三维坐标，并根据三维坐标构建现场设备模型，实现场景建模；

设备要素建模模块，用于根据过程控制模块采集的运动状态数据，将运动状态数据与现场设备模型关联，即现场设备的运动状态数据转换成与其对应的现场设备模型的运动轨迹；

生产订单跟踪模块，用于根据生产计划选择现场设备；

可视化过程监控模块，用于获取生产任务信息并显示；

3d图形引擎和平台架构服务模块，用于将选择的现场设备模型根据运动状态数据进行3d动态显示。

一种基于数字化ar技术的虚拟工厂制造执行方法，包括以下步骤；

所述过程控制模块驱动现场设备动作，并采集现场设备的运动状态；

所述通讯接口模块实现过程控制模块和虚拟增强模块的通信；

所述虚拟增强模块构建虚拟工厂场景，并根据现场设备的运动状态实时显示现场设备动作。

所述虚拟增强模块执行以下步骤；

场景建模模块根据对车间现场设备表面进行扫描，得到现场设备的三维坐标，并根据三维坐标构建现场设备模型，实现场景建模；

设备要素建模模块根据过程控制模块采集的运动状态数据，将运动状态数据与现场设备模型关联，即现场设备的运动状态数据转换成与其对应的现场设备模型的运动轨迹；

生产订单跟踪模块根据生产计划选择现场设备；

可视化过程监控模块获取生产任务信息并显示；

3d图形引擎和平台架构服务模块将选择的现场设备模型根据运动状态数据进行3d动态显示。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.摒弃了普通制造执行系统依靠2d图片加文字说明的方式来管理生产车间，采用将工厂虚拟增强化，采用3d建模，更加直观、方便的展示了工厂场景；

2.可以使人员快速了解工厂结构、设备功能、设备运行状态、工艺流程，缩短人员培训和学习时间，降低企业的开销；

3.日常生产过程中、当发生工厂事件时，虚拟工厂能运用动态的3d模型运动变化实现快速、准确定位工厂事件地点、工厂事件说明，提高工厂生产效率和装配质量，提高企业利润；

4.虚拟工厂制造执行系统符合工业4.0和未来人工智能技术与ar技术、云数据技术相结合的发展方向，便于今后系统的升级和扩展。

附图说明

图1为本发明的虚拟工厂制造执行系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明共包含4个功能模块，由下至上分别是过程控制模块、通讯接口模块、虚拟增强模块、制造执行模块。

过程控制模块是工厂数据的来源，主要依靠传感网络技术与plc逻辑控制实现设备的逻辑动作和提供自动化工厂过程数据。采用profinet、工业以太网等多种工业总线技术实现工厂设备物联。

通讯接口模块是数据的搬运工，将过程控制模块提供的生产数据源源不断的运送给虚拟增强模块和制造执行模块。才能实现呈现给用户的虚拟工厂模型具有栩栩如生的动态效果。

其中，设备通讯接口采用opc-ua方式和第三方厂家sdk方式实现双向通讯，架设opc服务器，支持所有符合opc规范的工厂设备；制造执行系统接口采用webservice、webapi以及内部函数处理的方法实现数据双向通讯，数据的监控、统计和分析；ar虚拟工厂接口采用b/s架构，通过网络设备和浏览器，将虚拟工厂请求以ajax异步通讯方式发送至服务器，制造执行系统处理结果并响应浏览器请求。同时服务器采用websocket方式，为每一个订阅的虚拟工厂，主动推送工厂事件。

虚拟增强模块是可视化动态虚拟工产的展示，虚拟工厂建模采用三维激光扫描技术，可以直接得出真实物体表面的空间采样点—含有三维坐标的“点云”(pointcloud)数据。工程师事先将激光扫描枪安装在可以360度旋转的支架上，然后安置在厂房内。设备3分钟可以完成一次扫描，扫描范围将近100平方米，生成2000万个空间采样点。然后，扫描设备被移动到下一个位置，继续进行扫描，制造出新的点云。在计算机中把所有的点云组合在一起，逐步建立虚拟工厂，与现实工厂相比精确度误差在1毫米至3毫米之间。

其中，虚拟增强模块的可视化过程监控是系统展示给用户的窗口，其展示的数据通过webservice技术从制造执行模块中的工艺信息、物流信息、质量数据、设备数据、人员数据中获取。如工艺文件、物料bom、质量检测结果、质量实时在线spc、设备报警、设备维护、设备点检、人员考勤、人员绩效、人员技能等。

虚拟增强模块的生产订单跟踪通过webservice技术从制造执行模块的生产计划中凝练汇总。之后通过ajax和websocket技术，在可视化过程监控和后台之间双向传输和展示。

虚拟增强模块的场景建模是利用激光测距的原理，通过记录车间设备表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速复建车间设备的三维粗粒度模型及线、面、体等各种图件数据。通过拼接等技术手段，实现整条产线全覆盖的扫描范围。实现所见及所得的效果。最后通过精修数据，完成场景建模。

虚拟增强模块的设备要素建模是通过opc、sdk等手段获取底层过程控制模块数据，将数据与场景模型关联。如将线体托盘的行进距离换算成运动坐标，将拧紧机的旋转头换算成角度。

虚拟增强模块的3d图形引擎和平台架构服务是采用开源跨平台3d应用开发框架minko，minko核心框架拥有高度可扩展性和文档化的编辑器。他集成物理引擎，利用minkostudio创建交互式脚本，将三维激光点云建模后的文件数据与前端开发语言相结合，利用html5实现设计和开发web平台3d应用。

本实施例的虚拟工厂包括一条生产线、线边库的智能料架、多种工业机器人、agv物流运输车、工件、夹具、托盘、传送带等。

以构建的虚拟数字化车间模型库和动画库为基础，在通过定义模型、动画属性及运动部件与模型之间的映射关系，指令库定义生产指令与模型之间的映射关系，数据交换插件完成实时数据与三维仿真平台的数据映射。根据条件触发向三维仿真平台发送实时指令，三维仿真平台解析生产指令，驱动模型矩阵的变化，实现三维模型的运动。包括工厂场景中的位置变化、旋转、碰撞、伸缩、手抓握、表面变形等物理特性。通过复杂建模，虚拟工厂可真实模拟各类工厂设备及逻辑控制的自动化生产线。

本发明可以在虚拟工厂中清晰的看到agv物流运输车的行进轨迹、机器人的装配动作、托盘在传送带上运送流程、设备的报警提示、产品的装配过程、线边库智能料架的物料状态信息等。

通过在虚拟工厂制造执行系统中对工厂构造及设备物理动作和特性的观察、了解和学习，可以使用户在真实的生产现场避免因不熟悉设备而造成的危险和损伤，还可以使用户更加快速进入工厂角色，承担起工厂任务。同时在日常生产装配过程中，迅速了解生产状态、定位生产事件、解决生产故障，提高企业生产率，降低企业成本。

制造执行模块为产线mes系统的一部分，为现有技术。本发明从该模块获取生产计划、生产任务等信息，能对工厂中事件发生时迅速做出反应和处理，并将处理结果通过虚拟工厂进行实时展示的过程。

制造执行系统共包括六大功能：生产计划管理、工艺信息管理、物流信息管理、质量数据管理、人员信息管理和设备信息管理。

生产计划管理的主要功能包括：aps高级排程、生产订单接收与下达、生产条码打印与设置等；

质量数据管理的主要功能包括：在线spc统计分析、产品质量追溯与产品档案等；

设备数据管理的主要功能包括：设备报警信息、设备维护与保养等；

人员信息管理的主要功能包括：权限设置、角色分配、人员考勤等；

物料信息管理的主要功能包括：物料审核、物料正向/反向追溯等；

工艺信息管理的主要功能包括：装配bom、作业指导书、工艺卡片的录入与查询。