任务5.2 面向数字孪生的智能虚拟生产线多维建模技术
1.任务引入
针对数字孪生机床的模型问题，主要从三维建模、数字孪生建模两个方面进行设计。其中，数字孪生模型又分为信息模型、运动建模、控制模型、通信建模和物理模型。利用Solid Works建模降低了模型制作的复杂程度，并在VE2中利用其建模和渲染的功能，提高了模型的运行流畅度，增强了零件材料的质感，同时对整体模型做了轻量化处理，提高了在大型智能生产线仿真过程中的运行速度，最后通过完善数字孪生机床的数据驱动模块，实现数字孪生机床对数据的采集、处理和融合功能。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解数字孪生建模要求。
（2）理解数字孪生建模内容。
2）技能目标
能够按照数字孪生设备的建模流程建模。
3）素养目标
培养学生严谨认真、钻研刻苦、吃苦耐劳的精神。
3.任务分析
从组成设备的各个零部件到数字孪生设备建模，必须符合客观，基于数字孪生的数控设备建模需要遵循以下的设计要求。
1）层次性与集成度
数字孪生模型是由多个子模型共同构成的，利用三维绘图软件对所有的装置进行建模。在此基础上，将模型导入VE2，以实现各子模型间的关联，例如旋转关联、平行关联、传输关联等。然后，经过逐步的合并、反馈和修正，将整个系统整合起来。在采用数据驱动模式的情况下，各子系统可以进行相应的驱动，以方便分级调节。
2）面向对象与模块化设计
在对复杂装置进行建模时，可以采用面向对象的方法。在复杂的CNC加工过程中，可以采用面向对象的建模方法。对于不能进行分层分解的子模型，进行特征提取和模块化分析，从而简化复杂问题。在VE2中，可以对各个子模型执行不同的动作，例如渲染、脚本、属性、行为、控制器等。基于面向对象的建模技术具有封装性、继承性、多态性等特点，能够为相似的子模型赋予相同的脚本，并对其进行局部化，实现子模型的定义，使其更加灵活、高效，同时也方便了开发人员操作。
3）轻量化
由于数字孪生设备的零件很多，所以在建立数学模型时，不仅要考虑其几何形状，还要考虑材料和绘制的要求。如果一个模型的文档太大，那么当建立一个智能生产线时，大量的模型导入会给CPU和显卡带来很大的压力，进而影响整个模拟的效果。因此，要使用实时数据驱动的数字化模型，不仅要进行大量的数据运算，还要进行模型的驱动，在进行数字孪生建模时，要兼顾模型的绘制和模拟的要求。在进行数字孪生建模时，可以对模型进行轻量级的处理，并对不会影响整个模拟的子模型进行优化，提高驱动脚本的性能，并降低对其特性的显示，以确保总体的操作效果，减轻计算机的负担。
4）交互性
数字孪生模型的互动，就是使用者对模型进行操作，模型根据使用者的反馈来完成相应的功能。根据使用者的不同要求，在建立模型时，必须要设计出各种不同的界面，比如控制器的选择、运动模式的定义、颜色的修改、交互信号的编辑、通信端口的选择等。虚拟训练系统需要对虚拟训练操作进行开放，比如单击模型、选择模型、驱动、提示、选择需要监测的数据，这可以大大提高虚拟训练的体验感。
5）物理特性
数字孪生模型在运动时，必须遵循客观规律，以防止产生奇异的、不正确的动作，如数控机床的换刀、开关门、五轴联动等。因此，在进行虚拟现实系统的建模时，要将虚拟现实中的重力、速度、加速度、质量等物理特性加入虚拟现实系统。
4.相关知识
1）数字孪生建模内容
基于数字孪生的数控机床建模主要分为三维模型绘制、数字孪生建模。面向数字孪生的智能虚拟生产线具备众多设备模型，虽然每个设备的功能都是不同的，但是在数字孪生建模时可以将它们的共同特征在数字模型中体现出来。在此定义多元数据模型：
DT={GM,IM,MM,C trM,ComM,PM}
上式中各元素的意义分别为：三维模型、信息模型、运动模型、控制模型、通信模型、物理模型。其中GM，IM，C trM，PM还可以进一步建模，分别设定如下：
GM={G_Point,G_Line,G_Surface,G_Body,G_Coo}
上式中各元素分别表示点、线、面、体、坐标，用于数字孪生模型在虚拟空间中的可视化显示和运动关系。
IM={I_Macid,I_Modid}
上式中各元素分别表示设备的名称、设备所具备的各项属性，用于显示数字孪生模型的信息标识。
MM={C_Vel,C_Vela,C_W,C_Wa}
上式中各元素分别表示速度、加速度、角速度、角加速度，用来描述数字孪生装置的运动。
PM={P_G,P_D,P_F}
上式中各元素分别表示重力、阻尼、摩擦力，用于为数字孪生模型添加物理属性。
2）数字孪生设备的建模流程
数字孪生是虚拟世界对物理世界的映射，在数据处理后进行迭代优化。因此，数字孪生模型就是物理机床的数字孪生体。数字孪生建模流程包括以下3个部分：按照加工要求选取加工设备、对设备进行几何建模、构建数字孪生模型。
5.任务准备
首先根据零件的加工工艺，确定加工设备类型，对加工设备进行三维模型绘制。其中三维建模主要分为以下几个步骤。
1）三维模型绘制(https://www.daowen.com)
基于对实物的测量和使用手册中的有关数据，确定数控机床的构造和具体尺寸。在Solid Works中，先画出各个零部件，然后通过运动关系进行装配，完成整体的三维模型，最后将文件转化成XT的中间格式，以方便在各种绘图和仿真软件中修改。
2）仿真模型轻量化处理
在三维模型的制作过程中，模型的精细程度过高，导致大量的点、线、面冗余，在进行模拟时，其会占用大量的内存，从而导致系统的加载速度变慢、系统卡顿、模型出现错误等。一种可行的方法就是对模型进行简化，在将模型导入VE2之前，对模型进行简化和优化，选择所需导入的文件路径，然后选择所需的模型品质、展示的几何特征、几何元素的完整性、世界坐标等其他选项，在满足模型完整的同时，减小模型文件的大小。
3）仿真模型的特征分解以及渲染
经过轻量化处理的模型是一个没有任何特征的整体。在模拟过程中，要确保细节的显示，必须对每个动作节点进行分解，以便建立相应的特征树。对零件的特征进行分解，要按照具体的几何结构进行分解，比如主轴、驱动轴、防护门等重要的零件，都要经过细致的处理，而如数控面板、钣金外壳、机床底座等固定的机械结构，只需对零件进行一些简单的特性分解。通过对整体的特征进行分解，可以获得其几何结构能够反映实际数控机床的仿真模型。
模型的材料对整个画面的视觉效果有很大的影响，但是在进行了特征分解后，由于没有材质和色彩，需要根据数控机床的实际材质和色彩进行渲染。渲染模型时可以选择不同的材质和颜色，以达到与实际一样的显示效果，并利用贴图和调节相关属性增加模型的真实感。
4）仿真模型的数字化
仿真模型数字化的关键在于加入自定义的脚本。可以添加不同的脚本，实现模型的定制，并且可以对已处理的模型进行进一步的开发，比如增加驱动和通信脚本，完善模型的虚实结合性能，并为以后的虚拟训练提供载体。
5）数字化模型的封装
在构建数字化车间或者搭建生产线的时候，需要大量的数字化模型，因此建立数字化模型库显得尤为重要。VE2可以将所有数据都存储在VCMX中，然后将其封装在自己的数据库中，或者上传到其他数据库中，这样就可以为更多的人提供更多的信息。在画设计图的时候，使用者可以通过单击已创建的模型，将封装好的部件导入虚拟环境，从而迅速地构建一个复杂的场景。
6.任务实施
1）数字孪生模型设计
数字孪生模型是一种多维度真实反映物理设备的数字化模型，参照以上数字孪生数控机床建模内容以及建模流程，这里以五轴数控机床为例，添加三维模型绘制、数字孪生模型定义等方面的内容，完成五轴数控机床的数字孪生建模。
（1）几何模型的构建。
三维建模是数控机床数字孪生模型的基础，模型的绘制效果将直接影响后续的仿真动画流畅程度、数据驱动速率和虚拟培训的教学效果。主要的建模过程分为：三维模型的绘制、模型运动关系的构建、模型的渲染。
①三维模型的绘制。
这里在Solid Works中进行数控机床模型的设计。以五轴数控机床为例，进行三维建模。五轴数控机床需要实现五轴联动，因此各个部件之间需要建立约束。根据上述所提供的数字孪生机床的建模要求，需要对模型进行轻量化处理，以提高模拟时的仿真效果以及计算机模拟的数据处理能力，主要方法是：保留关键的运动部位，如各个运动轴、工作台、丝杠、导轨等；简化不影响仿真效果的部件，如数控系统面板、液压装置、照明系统、排屑系统、冷却系统等；最后还需要依照实际五轴数控机床的各项参数进行一比一的建模，以保证数字孪生的效果。在Solid Works中的建模效果如图5-2所示。
将绘制好的三维模型转换成XT格式，然后导入VE2的虚拟场景。经过渲染和轻量化处理后，最终效果如图5-3所示。
图5-2 在SolidWorks中的建模效果
图5-3 最终效果
②模型运动关系的构建。
五轴数控机床是一个复杂的多体系统，由多个柔体和刚体部件以特定的形式互相连接构成。从运动学的角度，可以把五轴数控机床的各个部件按一定的约束条件结合起来，使之成为一个具有5个自由度的系统。图5-4所示为五轴数控机床的拓扑结构。拓扑链由6个拓扑节点构成，以五轴数控机床的床身P1为根节点向两个方向延伸，一个方向连接至摆动工作台P4，另一个方向连接到滑块P6。
③对模型的渲染。
当三维模型制作完成后，需对其进行材质贴图、灯光布置，利用软件将这些元素与模型融合在一起，让模型呈现出实物照片般的质量。
建模是搭建骨架，渲染是为骨架添加肌理、外貌等内容，让它更贴近人们对三维立体事物的认知，利用人在视觉上的误差，使三维模型能够在二维平面空间中凸显立体感。根据物理设备在物理空间中的显示，对数字孪生模型进行渲染。
（2）数字孪生模型的构建。
三维模型建好之后，为了让三维模型能够真实地映射物理机床，需要对三维模型进一步处理。为三维模型添加相应的信息模型、运动模型、控制模型、通信模型、物理模型等。信息模型主要是为三维模型添加相应的信息，例如设备的类别、设备的型号、设备的各个关节可移动的范围等信息。
图5-4 五轴数控机床的拓扑结构
其中运动和控制模型主要是按照物理机床的加工运行逻辑，将数控系统的控制方式投射到数字孪生机床中，构建虚拟的数控系统，使其具有和实际数控系统相同的运动控制逻辑和代码解析功能，从而能够使用实时数据驱动数字孪生机床。
2）CNC代码解析。
数控机床的加工主要是在数控系统的控制下进行的。数控机床能解析ISO6893部分代码，能识别、解析与处理各种CNC代码。根据数控代码的主要功能对其进行分类和使用，例如：数控代码中平动轴和主动轴的控制指令、辅助功能指令（液压系统、照明系统、安全门）、操作状态指令、工艺性指令等。建立与相关指令的执行逻辑相同的规则，用于驱动数字孪生机床进行对应的运动控制，进而完成数控代码的解析，为数字孪生机床的离线仿真和同步仿真功能奠定基础。
3）辅助功能的添加。
数字孪生机床除了具备通信与数据处理的功能，还可以为其扩充PLC虚拟调试、生产统计等功能，从而使数字孪生机床进一步地具备物理机床的功能，发挥更大的作用。
除此之外，通信模型是通过由Python语言编写的通信脚本实现的，通信脚本用于实现调试系统、数控系统、工业机器人控制编辑器之间的信息传输。
PLC的虚拟调试功能为数控机床模型提供了与外部PLC软件通信的连接功能。根据实际工作中数控机床所设定的I/O接口，在数字孪生机床上设定相应的I/O接口，以方便外部PLC软件对数字孪生机床进行虚拟调试。除此之外，通过连接功能可以添加多个服务器，为数字孪生机床配备虚拟调试器，在单台数控机床的基础上实现更为复杂的多设备联合虚拟调试，从而节约调试成本、调试周期。这使数字孪生模型具备了虚拟培训功能。
通过数据计算功能，可以利用数控机床与智能虚拟生产线实时反映在仿真中形成的历史数据，如当前机械加工每个工件所花费的时间、当前加工完成工件的数量、数控机床的使用时间、零部件的总加工时间间隔、数控机床的总机械加工效果、数控机床机械加工各轴的数量等，以多种类型的图标进行可视化展示。除此之外，还可以监控数控机床的转速以及进给速度等。
数字孪生模型的建模质量影响到整体模型的仿真效果，所以在建模时需按照以上所述数字孪生建模的基本要求和流程进行建模。数字孪生模型的建构过程烦琐复杂，需使用多个建模软件协同工作。通过对数字孪生建模过程的分解和整合，构建出既符合仿真效果又反映物理设备细节的数字孪生模型，为后续的工作提供模型支持。
7.任务评价
任务评价见表5-2。
表5-2 任务评价
