一种虚实结合数字孪生仿真实验平台构建方法技术

本发明专利技术公开一种虚实结合数字孪生仿真实验平台构建方法。包括如下步骤：(1)设计设备三维模型，并将其导入仿真软件；(2)在仿真软件中添加运动控制脚本与数据接口；(3)编写PLC控制器的控制程序或机器人的运动控制器程序，编写完成后下载至相应控制器中进行编译运行，运行程序、获得数据信号；(4)将步骤(3)获得的数据信号传输至步骤(1)中的仿真软件中，进行数据交互，驱动仿真软件中的虚拟设备运动；(5)根据虚拟设备运动状态与控制器的实际编程效果相比较，获得控制器的直观调试结果。本发明专利技术提出的构建方案能够显著降低开发成本与实验平台的构建成本，并且展示效果良好，提高了生产车间与生产线的设计调试效率。间与生产线的设计调试效率。间与生产线的设计调试效率。

【技术实现步骤摘要】
一种虚实结合数字孪生仿真实验平台构建方法


[0001]本专利技术属于生产制造信息化领域，具体涉及一种虚实结合数字孪生仿真实验平台构建方法。

技术介绍

[0002]随着“工业4.0”概念的深入，智能制造与智能工厂已然成为制造业发展的重要方向与趋势。数字孪生系统作为对物理实体或系统的精确数字化拷贝，包括了物理对象的各类属性，对实现智能制造、数字化工厂有着重要意义。同时自动化生产线作为实现智能制造的核心组成之一，对提高企业经济效益，增强企业制造能力有着重要的作用。然而，传统的自动化生产线在设计阶段往往无法预演设计结果，同时无法直观体现出工控设备如PLC、机器人运动控制器实际编程对自动化生产线的影响。
[0003]在自动化生产设计阶段过程中，必然要涉及到工控设备编程的实际效果的体现。PLC设备在PC端完成编程后需部署至实际物理设备上，控制物理实体进行运动，通过实际运动效果反馈对程序进行进一步的改进，在大型自动化生产线的设计过程中，该种设计方案将花费大量的时间对实体设备进行调试。同时在涉及到机械臂等大型自动化设备的调试时，将花费大量的成本采购实体设备，无法做到灵活调试与实验。
[0004]目前，通过虚拟仿真手段设计多机器人和多台加工设备的自动化生产线已有一定的发展，这些手段以全虚拟仿真为研究手段，能够通过遗传算法、模拟退火算法等方法获得最佳排产或生产节拍的设备布局与优化工艺流程，以该种研究手段能够大大简化自动化生产线设计流程。然而在涉及到加工装备的动作控制时，上述手段将会暴露对真实场景还原度不足、无法提供有力的调试方案等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种虚实结合数字孪生仿真实验平台的构建方法，通过结合真实的运动控制器设备与虚拟仿真环境，建立能够实时在线的虚拟调试实验平台，能够解决仿真设计阶段真实程度不足与调试阶段效率低下等问题。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种虚实结合数字孪生仿真实验平台构件方法，包括如下步骤：
[0007]步骤(1)：设计设备三维模型，并将其导入仿真软件；
[0008]步骤(2)：在仿真软件中添加运动控制脚本与数据接口；
[0009]步骤(3)：编写PLC控制器的控制程序或机器人的运动控制器程序，编写完成后下载至相应控制器中进行编译运行，运行程序、获得数据信号；
[0010]步骤(4)：将PLC控制器或近期人的运动控制器与仿真软件建立通信连接，将步骤(3)获得的数据信号传输至步骤(1)中的仿真软件中，进行数据交互，驱动仿真软件中的虚拟设备运动；
[0011]步骤(5)：根据虚拟设备运动状态与控制器的实际编程效果相比较，获得控制器的
直观调试结果。
[0012]进一步的，所述步骤(1)中的仿真软件为CoppeliaSim。
[0013]进一步的，所述步骤(1)“设计设备三维模型，并将其导入仿真软件”具体包括如下步骤：
[0014]步骤(11)：利用三维建模软件对被控制的设备进行三维建模；
[0015]步骤(12)：通过CAD软件对步骤(11)建立的模型进行轻量化处理；
[0016]步骤(13)：三维模型导入仿真软件后，对模型进行拆解，将关键部件单独拆分，将相对不重要的零部件进行整合。
[0017]进一步的，所述步骤(12)的轻量化处理具体为：利用简单凸形状对原始三维模型进行等效替换，在可能发生计算的部位用薄片状实体替换。
[0018]进一步的，所述步骤(13)中将机械臂和卡爪单独拆分，将机械底座和底盘进行整合。
[0019]进一步的，步骤(4)中的数据信号传输具体为：控制器将工作状态以及一系列I/O口控制信号通过标准通信协议进行数据传输。
[0020]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0021](1)本方案通过建立在尺寸、功能与行为逻辑上忠实于物理实体的虚拟设备，基于Lua脚本编写数据传输接口，获得控制器实时传输的运动数据，驱动仿真虚拟设备运行。该方案能够显著提高仿真运行效果与速度，增强仿真程度；同时利用虚拟仿真与真实物理运动控制器结合，建立半实物半虚拟数字孪生实验平台，能够在保证真实设备的基础上，尽量减少调试周期，削减设计成本，并能够直观清晰的反映出PLC与机器人运动控制器的编程效果，提高了调试效率。
[0022](2)本方案通过模型轻量化的手段对建立完成的孪生模型进行处理，基于等效替代的过程削减孪生模型中的三角面片数量，实现了大幅度提升了仿真运行效果并提高三维模型导入仿真环境中的速度。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的实验平台构建示意图。
[0024]图2为本专利技术的优化改善模型示意图。
[0025]图3为本专利技术的机械臂数据信息模型。
[0026]图4为本专利技术的运动控制器与虚拟机械臂连接方案。
[0027]图5为本专利技术的运动控制器与仿真环境通讯过程。
具体实施方式
[0028]一种虚实结合数字孪生仿真实验平台，包括：PLC控制器、运动控制器、虚拟仿真环境，上述PLC与运动控制器通过以太网分别接入仿真PC。
[0029]进一步地，所述PLC为三菱PLC，型号为FX5U
‑
64M。
[0030]进一步地，所述运动控制器为三菱运动控制器，型号为CR800。
[0031]进一步地，所述仿真环境为仿真软件CoppeliaSim。
[0032]进一步地，上述实体设备与PC机利用网线进行连接。
[0033]进一步地，PC端建立所控设备的具体三维模型，并进行轻量化处理。
[0034]进一步地，将三维模型导入虚拟环境中，并进行逻辑建模与数据接口脚本编写。
[0035]进一步地，编写PLC控制程序与机器人运动控制程序，并下载运行，将生成的实时数据传输至已建立完成的虚拟环境中，驱动被控模型，验证调试结果。
[0036]根据上述的虚实结合数字孪生仿真实验平台建立方法，具体包括以下步骤：
[0037](1)利用SolidWorks等三维建模软件对被控设备进行三维建模，该模型将忠实于实体模型，在尺寸、形状、细节等方面进行等比例还原。建模完成后，通过Rhino等CAD软件对模型进行轻量化处理。由于三维模型导入仿真软件中会存在大量三角面片，这将极大的减慢导入速度，给仿真环境造成巨大负担，过多的面片计算将导致模型无法正常运动，故通过CAD手段删除多余的三角面片，尽可能在形状与尺寸几近实体的状态下减少三角面片的数量，提高导入模型速度。
[0038](2)导入OBJ、STL等格式的三维模型后，对模型进行拆解，将关键零部件如：机械臂卡爪、机械臂等单独拆分出来，相对不重要的零部件：如机器人底座、试验工作台铝合金框架等进行整合。上述操作有利于对重要零部件进行数字化逻辑建模，添加相应的运动控制脚本与数据接收接口，实现对关键零部件的外部控制；整合非重要零部件将其设置为非凸模型，减少在运动过程中的实时计算，提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种虚实结合数字孪生仿真实验平台构件方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：设计设备三维模型，并将其导入仿真软件；步骤(2)：在仿真软件中添加运动控制脚本与数据接口；步骤(3)：编写PLC控制器的控制程序或机器人的运动控制器程序，编写完成后下载至相应控制器中进行编译运行，运行程序、获得数据信号；步骤(4)：将PLC控制器或近期人的运动控制器与仿真软件建立通信连接，将步骤(3)获得的数据信号传输至步骤(1)中的仿真软件中，进行数据交互，驱动仿真软件中的虚拟设备运动；步骤(5)：根据虚拟设备运动状态与控制器的实际编程效果相比较，获得控制器的直观调试结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的仿真软件为CoppeliaSim。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)“...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪惠芬，高昀稷，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：