基于智能装备制造的联合虚拟仿真调试系统及其方法与流程

本发明涉及智能智造测试技术领域，特别涉及一种基于智能装备制造的联合虚拟仿真调试系统及其方法。

背景技术：

智能装备是指具有感知、分析、推理、决策、控制功能的制造装备，是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合的产物。

传统的智能装备制造在设计完成后，需要等待设备组装调试完成后进行现场调试。对于首次设计的智能装备，要实现客户产品生产工艺，通常会存在一些设计缺陷，存在发现异常问题后改善成本高、零件修改重做影响项目进度等问题，对于一些程序控制缺陷，可能会造成撞机等严重事故，因此，机械结构、控制程序的提前验证要求越来越高。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种基于智能装备制造的联合虚拟仿真调试系统及其方法，采用本发明提供的技术方案能够减少现场调试出现的异常，提高研发质量和现场调试效率。

为了达到上述发明目的，本发明一方面提供基于智能装备制造的联合虚拟仿真调试系统，包括

3d建模模块，用于将设计好的智能设备完成3d建模，形成3d模型；

仿真平台，用于接收所述3d建模模块导入的3d模型，并依次对所述3d模型定义运动组件、约束已定义的运动组件的运动类型以及绑定运动组件的具体参数，并通过虚拟i/o信号驱动所述运动组件完成工艺动作；以及

上位机，调用所述仿真平台的通讯接口，与所述仿真平台之间实现信号连接，输入与所述运动组件、运动类型以及具体参数相对应的控制信号，驱动所述仿真平台中的3d模型的运动组件完成设定的工艺动作。

优选的，所述仿真平台依次对所述3d模型定义运动组件、约束已定义的运动组件的运动类型以及绑定运动组件的具体参数；其特征在于：包括对所述3d模型的运动组件进行定义编码，建立用于约束已定义的运动组件运动类型的信号解释器，以及建立用于绑定所述运动类型具体参数的信号绑定器。

优选的，预装于所述上位机中的控制软件为mvc架构；包括用于处理应用程序数据逻辑的model模块，用于处理数据显示的view模块，以及用于处理用户交互的controller模块。

本发明另一方面还提供一种联合虚拟仿真调试方法，包括以下步骤：

s100、将设计好的智能设备在3d建模模块内完成3d建模，形成3d模型并导入至仿真平台；

s200、仿真平台依次对所述3d模型定义运动组件、约束已定义的运动组件的运动类型以及绑定运动组件的具体参数，并通过虚拟i/o信号驱动所述运动组件完成工艺动作；

s300、上位机调用所述仿真平台的通讯接口，与所述仿真平台之间实现信号连接，输入与所述运动组件、运动类型以及具体参数相对应的控制信号，驱动所述仿真平台中的3d模型的运动组件完成设定的工艺动作；

s400、观察3d模型在各个工艺环节是否满足要求；

s500、工艺环节若出现问题，则修改3d模型结构或上位机的控制信号，重复步骤s300中的驱动步骤；

工艺环节若满足工艺要求，则判定所述3d模型合格；

s600、制造车间将合格的3d模型按1:1的零件加工和装配位置要求，对3d模型实现实体化。

在步骤s200中，仿真平台依次对所述3d模型定义运动组件、约束已定义的运动组件的运动类型以及绑定运动组件的具体参数；优选的，包括根据电气控制原理和机构运动原理，对3d模型中的运动组件进行定义编码；编写程序代码建立信号解释器，约束已定义的运动组件的运动类型；以及编写程序代码建立信号绑定器，根据plc的i/o信号，绑定各运动类型的具体参数。

优选的，所述运动类型的具体参数包括位移、速度、加减速时间、运动时间、运动频率、旋转角度、旋转速度。

在步骤s300中，上位机调用所述仿真平台的通讯接口，与所述仿真平台之间实现信号连接；优选的，包括通过编写程序代码调用仿真平台的通讯接口，实现仿真平台的信号与信号绑定器连接和上位机的软件连接。

优选的，在步骤s300驱动仿真平台中的3d模型的运动组件完成设定的工艺动作之前；通过触发上位机的触摸屏按钮，仿真实际设备的控制，测试运动组件与输入的控制信号是否一一对应。

优选的，在步骤s500重复步骤s300中的驱动步骤的同时；上位机采集生产数据，完成上位机软件与仿真平台的信号对接及验证。

优选的，所述运动组件的编码、信号解释器和绑定器的程序代码均采用c#编程语言编程。

由上可知，应用本发明提供的技术方案可以得到以下有益效果：联合虚拟仿真调试系统及其方法通过在研发阶段，对自动化生产线中的智能装备结合电气控制原理、上位机软件、plc控制程序和数字化模型进行联合仿真，在虚拟空间中仿真智能装备生产产品过程，验证机械结构合理性、程序控制逻辑及安全功能，提前进行虚拟调试，发现现场设备调试时可能出现的异常问题，反复进行仿真验证，达到满足工艺要求，加快了涉及机械、电气和软件设计学科的项目的开发速度，提前验证程序准确性，提高现场调试效率，减低制造成本，缩短实际项目的调试周期。

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，下面将对本发明实施例或现有技术的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部分实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例联合虚拟仿真调试方法流程图；

图2为本发明实施例联合虚拟仿真调试方法流程框图。

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作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。

为了解决现有技术的问题，本发明实施例中提出了一种基于智能装备制造的联合虚拟仿真调试系统以及相应的调试方法。在说明本发明实施例之前，先介绍现有智能装备的研发及调试过程，以帮助理解本发明实施例中的相关方案。

在传统的智能装备制造过程中，完成设计后，需要等待设备组装调试完成后进行现场调试。对于首次设计的智能装备，要实现客户产品生产工艺，通常会存在一些设计缺陷，存在发现异常问题后改善成本高、零件修改重做影响项目进度等问题，对于一些程序控制缺陷，可能会造成撞机等严重事故。

为此，本发明实施例中提供了一种基于智能装备制造的联合虚拟仿真调试系统，通过结合机、电、软联合虚拟仿真的调试手段，在智能装备研发阶段发现并解决问题，进而达到减低制造成本，缩短项目调整周期的目的。该联合虚拟仿真调试系统包括3d建模模块、仿真平台和上位机。

其中，3d建模模块用于将设计好的智能设备完成3d建模，形成3d模型。该3d模型需在智能装备根据方案进行详细设计后形成的，并且与实际装备的尺寸、装配关系相对应。

仿真平台，用于接收3d建模模块导入的3d模型，并依次对3d模型定义运动组件、约束已定义的运动组件的运动类型以及绑定运动组件的具体参数，并通过虚拟i/o信号驱动运动组件完成工艺动作。

具体的，包括对3d模型的运动组件进行定义编码，建立用于约束已定义的运动组件运动类型的信号解释器，以及建立用于绑定运动类型具体参数的信号绑定器。

上位机，预装有mvc架构的控制软件，用于调用仿真平台的通讯接口，与仿真平台之间实现信号连接，输入与运动组件、运动类型以及具体参数相对应的控制信号，驱动仿真平台中的3d模型的运动组件完成设定的工艺动作。

控制软件的操控流程如下所述：软件启动后，进入主界面，自动寻找plc地址，建立连接后实时刷新设备状态数据，软件中模型同步更新动作状态，进行信号配置，完成信号对点后，确定运动组件动作与plc信号匹配正确后开始进入虚拟调试，完成整机上料运行后，关闭软件。

其中mvc结构的控制软件包括用于处理应用程序数据逻辑的model模块，用于处理数据显示的view模块，以及用于处理用户交互的controller模块。model模块为应用程序的核心；view模块为视图逻辑；controller模块则负责处理用户与model模块间的交互，确保model模块和用户修改的数据同步，一旦model模块改变，view模块应该同步改变。该架构有功能模块化，代码逻辑清晰，方便修改，提高可读性，方便测试的优势；使用mvc架构，model模块与view模块不直接交互，起到解耦作用，提供维护性，当用户的需要发生改变时，可实时更新数据，提高柔性化应用。

请参见图1-2，另一方面，基于上述联合虚拟仿真调试系统，本发明实施例还提供一种联合虚拟仿真调试方法，本本方法中，相关名词定义与上述实施例中的一致，此处不做一一描述，如图所示，该方法包括流程：

s100、将设计好的智能设备在3d建模模块内完成3d建模，形成3d模型并导入至仿真平台。

在本实施例中，3d建模模块包括但不限于3dmax、creo、solidworks、nx等，故可支持多种格式的数字化模型。

s200、仿真平台依次对3d模型定义运动组件、约束已定义的运动组件的运动类型以及绑定运动组件的具体参数，并通过虚拟i/o信号驱动运动组件完成工艺动作。具体包括：

s201、对3d模型进行运动组件定义。

在模拟智能设备工艺动作时，需要将3d模型中的运动组件拆分并分别进行模拟控制，通过所有运动组件的运动，令3d模型完成完整的工艺工作，因此需要先对运动组件进行定义。在运动组件定义过程中，由于在智能设备的设计过程中，还包括对智能设备中的各项运动组件的机构运动原理设计，以及对其电气控制原理完成设计，因此存在与该智能设备相匹配的电气控制原理图，为此在对运动组件进行定义时，根据电气控制原理和机构运动原理进行定义编码。

智能设备中有多种驱动单元和执行机构，如气缸组件、线性模组组件、机器人组件等，需根据组件类型，按工位代号和动作执行顺序，将其中运动的零件进行组合并命名，作为后续的程序控制对象名。如下表所示：

s202、约束已定义的运动组件的运动类型。

在约束已定义的运动组件的运动类型过程中，编写程序代码建立信号解释器。其中运动类型包括物理属性和运动属性。

为仿真实际设备在重力作用下的运动特性，需要对已定义好的运动组件进行重量、惯量、不同材料之间的摩擦系数、弹性模量等物理属性的定义，为此需要对运动组件的运动类型进行约束，对已定义的运动组件赋予其物理属性。需要说明的是，以上物理属性的定义在材料添加后会自动生成，同时允许用户进行编辑修正。

根据运动组件的定义，运动属性包括运动轨迹、速度、方向等运动属性。

s203、绑定运动组件的具体参数。

在完成运动组件的运动类型的约束后，根据现实运动组件的行程，需要限制3d模型中的运动组件的位移范围；根据实际运动组件的运动有效行程，需要对3d模型中的运动组件进行定义其移动或旋转方向、位移的距离和速度等，因此本实施例在绑定运动组件的具体参数过程中，编写程序代码建立信号绑定器，根据仿真平台的i/o信号，绑定各运动类型的具体参数。

上述具体参数中，针对不同的运动组件存在不同的技术参数，例如对于直线运动的组件，存在位移、速度、加减速时间、运动时间、运动频率等不同的技术参数；对于旋转运动的组件，存在旋转角度、旋转速度等技术参数。设计人员可针对智能设备中存在的运动组件绑定与之相对应的具体参数。

在本实施例中，步骤201-203中，运动组件的编码、信号解释器和绑定器的程序代码均采用c#编程语言编程。

s300、上位机调用仿真平台的通讯接口，与仿真平台之间实现信号连接，输入与运动组件、运动类型以及具体参数相对应的控制信号，驱动仿真平台中的3d模型的运动组件完成设定的工艺动作。

上位机调用仿真平台的通信结构过程中，通过编写程序代码调用仿真平台的通讯接口，实现仿真平台的信号与信号绑定器连接和上位机的软件连接。本实施例可采用ads通讯协议。

具体包括信号配置和接口通讯。

其中信号配置，程序io与虚拟信号io进行配置，将运动属性定义的虚拟io信号和位移、速度、通讯等模拟信号，与实际plc定义的io信号进行配置，使每个对象的控制与plc的io信号对应。该功能可根据实际程序的plc信号对虚拟模型进行点对点的信号配置，让每一个控制信号都有其对应控制的虚拟信号，连接方法通过excel表格完成信号变量名定义后直接导入，快速完成现实plc信号与虚拟io信号的交互连接。

接口通讯，根据不同plc品牌进行通讯接口配置，使plc控制程序信号与软件虚拟信号互联互通，建立起连接虚拟模型与信号数据的通道。接口通讯基于软件底层代码的开发，将plc仿真通讯接口与软件接口联结，实现控制程序io信号驱动虚拟运动组件按照产品工艺需求执行动作，将静态的模型利用数据驱动为产品加工过程，使虚拟的plc的控制逻辑具体化，直观的仿真验证机构动作、plc程序的完整性。可支持西门子、三菱、欧姆龙和倍福等plc通讯。

上位机完成与仿真平台之间的信号连接后，在驱动仿真平台中的3d模型的运动组件完成设定的工艺动作之前，通过触发上位机的触摸屏按钮，仿真实际设备的控制，测试运动组件与输入的控制信号是否一一对应。测试通过后，在plc仿真器中运行控制程序，通过信号驱动虚拟模型运动组件完成设定的工艺动作。

s400、观察3d模型在各个工艺环节是否满足要求。

仿真平台接收到控制信号后，输出与运动组件、运动类型和具体参数相对应的虚拟i/o信号至3d模型，3d模型根据上述虚拟i/o信号作出相应的工艺动作，此时可通过观察各个工艺环节，判断各个工艺环节是否满足要求。

s500、根据观察结果判断控制程序和3d模型是否合格。

工艺环节若出现问题，则修改3d模型结构或上位机的控制信号，重复步骤s300中的驱动步骤，在重复步骤s300中的驱动步骤的同时，上位机采集生产数据，完成上位机软件与仿真平台的信号对接及验证。

工艺环节若满足工艺要求，则判定3d模型合格，得到已验证通过的plc控制程序和满足工艺要求的虚拟3d模型。

s600、制造车间将合格的3d模型按1:1的零件加工和装配位置要求，对3d模型实现实体化。

通过联合虚拟仿真调试方法最终得到通过验证的plc控制程序和满足工艺要求的虚拟3d模型，再将上述3d模型通过制造车间实现实体化，即可完成智能设备的研发制造。

综上所述，本实施例提供的联合虚拟仿真调试系统及其方法，通过在研发阶段，对自动化生产线中的智能装备结合电气控制原理、上位机软件、plc控制程序和数字化模型进行联合仿真，在虚拟空间中仿真智能装备生产产品过程，验证机械结构合理性、程序控制逻辑及安全功能，提前进行虚拟调试，发现现场设备调试时可能出现的异常问题，反复进行仿真验证，达到满足工艺要求。可加快涉及机械、电气和软件设计学科的项目的开发速度，使这些学科能够同时工作，专注于包括机械部件、传感器、驱动器和运动的协同设计；提前验证程序准确性，提高现场调试效率，缩短实际项目的调试周期。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。例如仿真平台与上位机，其可以是在仿真平台的软件上虚拟出的上位机，所有上位机的操作步骤均在软件内虚拟仿真实现；也可以是在仿真平台以外增加的上位机硬件。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的，本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术作出贡献的不部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/rsm、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。