本文就工厂数字化仿真软件的开发所需要的技术进行了论述，并详细说明了软件架构组成及实现的技术方法。

当今随着先进的管理理念、制造技术及信息技术的不断发展和深入，许多企业已认识到如果要提高企业的核心竞争力就必须致力于学习和推广先进的管理理念，并与先进的制造技术及信息技术相结合来更加科学系统地推动企业的全面发展。其中基于产品生命周期管理策略的数字化制造技术更具有代表性。

现在，汽车制造车间的自动化程度普遍都在提高，冲压车间正在用封闭式的全自动冲压线来取代人工上下件，焊装车间采用自动化手段来传输、抓取和夹持金属薄板并将其焊接成复杂的白车身结构，在夹具以及传输和夹持零件所需的自动化设备、进行焊接作业的机器人及验证质量所需的测量/测试设备等方面投资巨大，因此必须对设备的布局和配置进行分析优化，提高设备的柔性、运行可靠性和利用率，实现现有资本设备的价值最大化。

国外有成熟的数字化工厂软件，目前正在各家汽车企业中使用，例如达索公司的Delmia软件、Quest软件，西门子公司的Robcad，Siemens PLM Software公司的Tecnomatix软件等。这类软件功能强大，但使用比较复杂，价格高昂，培训时间较长并有附加成本，在某些方面开放性不足，诸多因素决定了如果企业自身具备此类软件的开发实力，根据自身的需要开发自己所需的仿真模拟功能，对企业来说无论是软件成本还是软件的实用性都是购买昂贵的国外软件无法相比的。

数字化仿真软件组成

数字化仿真软件基本由以下几个部分组成（见图1）：事件、任务管理器负责虚拟环境中虚拟设备的运动管理，实现驱动仿真系统；3D引擎负责底层3D模型的绘制工作；运动参数、时间管理负责模型运动学参数的设置；环境中元素类、对象管理负责仿真环境中各类元素的创建、管理等功能；运动机构管理负责仿真环境中运动机构按照相互配合关系沿着特定的轨迹运动；生产信息管理负责在仿真模拟过程中收集生产信息，并负责数据文本的管理工作；数据库、文件管理负责仿真项目的文件打开、保存等功能。

图1  数字化仿真软件基本架构

图2  工件的传输路径

1．事件、任务管理器

事件、任务管理在整个仿真循环中起决策作用。当一个触发条件成立时，会启动相应的任务，驱动3D模型运动。在软件内部建立事件、任务的存储列表，事件列表内存储各个事件结构，每个事件结构中包含事件的触发对象、事件的内容等信息。任务列表存储各个任务结构，每个任务结构中包含任务的执行对象，任务的执行内容等。每个事件指向一个任务，每个任务对应与环境中某一个运动单元模块。任务又分为设备任务和传输任务（见图2），设备任务完成机器的机构运动，传输任务完成工件在输送设备上的运动。下面是事件、任务的结构定义。

Struct Event
{
BaseObject *object;
bool *Valid;
…
}
Class Task
{
…
Bool m_valid;
BaseObject *object;
Double X_Pos;
Double y_Pos;
Double z_Pos;
Double A_Pos;
Double B_Pos;
Double C_Pos;
Int MoveType;
Float MoveSpd;
…
Bool Implement();
}

2．3D引擎

如今，3D引擎技术发展迅速，本文基于OpenGL技术进行底层模型的绘制，使用其他建模软件创建的数据模型可以通过数据格式转化成能够读取的格式文件，使用OpenGL引擎在虚拟环境中绘制。

3．运动参数、时间管理

仿真环境中运动物体的速度必须和实际物体的速度尽可能地相近，从而保证仿真数据的精确度，这样就要求仿真环境中物体的运动速度要与仿真时间相匹配。使用仿真时间来指代仿真环境中的运动时间，按照物体的实际速度换算成每一帧运动的距离，这样即使由于帧频的变化也不会影响到仿真数据的真实性。如果仿真时间停住了，那么仿真也会停住。当时间继续的时候，仿真中的物体就不会觉察任何不连续。仿真开始的时候仿真时间被置为零。

4．运动机构管理

车间内设备的运动机构的仿真是仿真模拟的关键部分，如何能够在仿真环境中模拟真实机构的运动过程，首先必须建立运动机构的数学模型，不同机构的各个部件遵循一定的运动规则，通过与3D模型的关联可以实现在仿真环境中的运动。本文以自动化冲压线为例，来说明仿真环境中机构模型仿真的实现。

5．工业机器人

目前，在汽车生产中使用最多的是6轴串联式机器人（见图3），进行6轴三维空间末端点的空间计算，得出6个关节的角度值，启动仿真引擎达到机器人的仿真运动功能。

6.搬运机械手

4自由度机械手机构（见图4）由2个平移运动副和2个转动运动副组成，通过控制4个运动副位置参数，达到机械手的仿真运动。

7．压机滑块

在机械压力机（见图5）仿真方面，为简化步骤只对滑块的运动进行仿真模拟（见图6），滑块只有一个直线运动副，通过控制运动距离的轨迹曲线来控制滑块按照360°的周期往复运动。

图3  6轴工业机器人机构

图4  高速线机械手机构

图5  压机滑块机构

图6  滑块运动任务定义

8．生产信息管理

在仿真循环周期中，要为每个设备添加状态收集功能，并把原料总量、原料消耗量、运行时间以及各设备的运行时间、闲置时间、使用率、原料消耗量、生产节奏以及生产率等信息保存在生产信息存储单元中，在仿真结束后将相关的信息输出成报表文档。

9．数据库、文件管理

使用Access数据库保存3D环境中各元素对象的3D模型路径以及环境中的位置信息如表所示，使用文档序列化读写仿真环境中各相关的信息，通过两种存储方式实现对整合仿真项目的读写功能。

以机器人元素为例，说明对项目中元素的序列化，下面是程序源码：

void CRobotObject::Serialize(CArchive &ar)
{
if(ar.IsStoring())
ar<<ppp[0]<<ppp[1]<<ppp[2]<<ppa<<kindTool<<strcatafilename;
else
ar>>ppp[0]>>ppp[1]>>ppp[2]>>ppa>>kindTool>>strcatafilename;
}

以上介绍了数字化工厂软件的基本组成及技术方法，通过笔者的努力已经完成了具备基本仿真功能的软件产品。图7是机器人冲压自动化线。

图7  机器人冲压自动化线仿真

结语

采用虚拟仿真技术可以保证更好的产品设计和工艺规划质量，模拟和仿真实际的制造过程，以实现制造工艺的分析和优化、精确的设备设计和模拟、精确的生产节拍，从而缩短调试与试运行时间，减少变更的影响。