数字工厂系统的建模仿真方法技术方案

本发明专利技术实施例中公开了一种数字工厂系统的建模仿真方法

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】数字工厂系统的建模仿真方法、系统和存储介质


[0001]本专利技术涉及工业领域，特别是一种数字工厂系统的建模仿真方法
、
系统和计算机可读存储介质
。

技术介绍

[0002]数字孪生
(DT
，
Digital Twin)
是工业
4.0
的一项重要技术，数字孪生支持从机站到装配线或生产线，再到整个工厂的各种数字模型的创建和仿真
。
目前，有些物理引擎为重力
、
碰撞检测
、
刚体动力学
、
摩擦建模等物理系统提供了近似仿真
。
该仿真可能旨在尽可能接近真实世界的物理模型，并在过去几年中被广泛应用于计算机游戏中
。
然而，在工业自动化环境中，系统可能包括大量的机械
、
设备和控制器，在使用这些物理引擎来模拟此类大规模机器人参与的机械操作
、
制造过程或生产线流程时，其性能
、
稳定性和准确性方面会存在一些问题，目前还没有一个普适的物理引擎在任何给定的情况下都能表现良好，每个物理引擎都有优缺点
。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术实施例中一方面提出了一种数字工厂系统的建模仿真方法，另一方面提出了一种数字工厂系统的建模仿真系统和计算机可读存储介质，以提高虚拟数字工厂的性能
、
稳定性和精度
。
[0004]本专利技术实施例中提出的一种数字工厂系统的建模仿真方法，包括：接收用户基于一建模库创建的数字模型；在所述建模库中，整个数字工厂系统被划分为多个子系统，且每个子系统所包括的运动关节设置有所支持的求解参数项；所述求解参数包括动力学
、
运动学和铰接学求解参数中的至少一种；对所述数字模型进行解析，得到具有一定执行顺序的解析模型；其中，所述对数字模型进行解析包括：针对所述数字模型中的每个运动关节，根据所述运动关节的求解参数，为所述运动关节在一模拟引擎中关联对应的算法引擎；所述模拟引擎中设置有分别针对运动学
、
动力学和铰接学的算法引擎；根据所述解析模型中的执行顺序，对所述解析模型进行求解，并根据求解结果进行仿真；其中，所述对解析模型进行求解包括：利用对应的算法引擎对所关联的运动关节进行求解
。
[0005]在一个实施方式中，所述建模库中，每个子系统所包括的可能发生碰撞的刚体设置有碰撞标识项；所述模拟引擎中进一步设置有不同刚体之间碰撞的碰撞逻辑，且所述碰撞逻辑包括：运动学刚体
‑
动力学刚体碰撞逻辑
、
动力学刚体
‑
运动学刚体碰撞逻辑
、
运动学刚体
‑
运动学刚体碰撞逻辑和动力学刚体
‑
动力学刚体碰撞逻辑；所述对数字模型进行解析进一步包括：针对具有碰撞标识的刚体，根据所述刚体所连接的运动关节的求解参数，为所述刚体在所述模拟引擎中关联对应的碰撞逻辑；所述对解析模块进行求解进一步包括：利用对应的碰撞逻辑对所关联的刚体进行求解
。
[0006]在一个实施方式中，所述对数字模型进行解析进一步包括：首先检查与地面相连的关节；从与地面相连的关节开始搜索关节链，得到所有关节及其连接的刚体的信息；检查
连接到关节的耦合器；检查驱动关节的电机；检查关节链是开环还是闭环；将实际质量和惯性矩添加到由动力学关节和铰接学关节连接的刚体上；将由运动学关节连接的刚体的质量和惯性矩设置为0；移除由运动学关节连接的刚体的碰撞标识
。
[0007]在一个实施方式中，所述根据所述解析模型中的执行顺序，对所述解析模型进行求解，并根据求解结果进行仿真，包括：根据所述解析模型中的执行顺序确定出各个仿真步骤；利用对应的算法引擎和
/
或碰撞逻辑计算每个仿真步骤中关节链中所有刚体的运动和动力参数，在每个仿真步骤中根据所述运动和动力参数将所有刚体移动到对应的计算位置，并显示所有刚体的位置
、
速度
、
加速度
、
加加速度
、
力
、
力矩以及碰撞信号中的至少一项
。
[0008]在一个实施方式中，所述计算每个仿真步骤中关节链中所有刚体的位置包括：将第一个仿真步骤确定为当前仿真步骤；利用对应的算法引擎计算关节链中第一个刚体当前的运动和动力参数；将第一个刚体作为当前刚体；判断当前刚体是否为关节链中的最后一个刚体，如果当前刚体是关节链中的最后一个刚体，则判断当前仿真步骤是否为最后一个仿真步骤，如果是，则结束；否则，将下一个仿真步骤作为当前仿真步骤，并返回执行所述计算关节链中第一个刚体当前的运动和动力参数的操作；如果当前刚体不是关节链中的最后一个刚体，则将下一个刚体作为当前刚体，并利用对应的算法引擎和
/
或碰撞逻辑根据上一个刚体的运动和动力参数计算当前刚体的当前运动和动力参数；之后，返回执行所述判断当前刚体是否为关节链中的最后一个刚体的操作
。
[0009]在一个实施方式中，所述多个子系统包括如下子系统中的至少一个：常规关节子系统，其包括：固定关节
、
铰链关节
、
滑动关节
、
圆柱关节
、
螺纹关节
、
曲线上的点关节
、
球关节和平面关节；所述常规关节子系统中各个关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；一端连接地面的开环子系统，其包括：位于开环链路中的刚体和关节；所述开放链条中的关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；两端连接地面的闭环子系统，其包括：位于闭合回路中的刚体和多个关节；所述回路中的关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；曲线上的点关节链子系统，其包括：由曲线上1至3个点运动学关节控制的主刚体和至少一个跟随所述主刚体运动的从刚体；所述曲线上的点运动学关节设置有运动学求解参数；耦合传输子系统，其包括：齿轮
、
齿条和小齿轮
、
三关节耦合器
、
皮带轮和皮带
、
机械凸轮；所述耦合传输子系统中的关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；驱动子系统，其包括：位置控制
、
速度控制
、
逆向运动学控制
、
姿态控制和传送带；所述驱动子系统中的关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；液动气动子系统，其包括：力和
/
或扭矩控制
、
液压缸
、
液压阀
、
气动缸和气动阀；所述液动气动子系统中的关节设置有动力学求解参数；动力学关节子系统，其包括：角弹簧关节
、
线性弹簧关节
、...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
数字工厂系统的建模仿真方法，其特征在于，包括：接收用户基于一建模库创建的数字模型；在所述建模库中，整个数字工厂系统被划分为多个子系统，且每个子系统所包括的运动关节设置有所支持的求解参数项；所述求解参数包括动力学
、
运动学和铰接学求解参数中的至少一种；对所述数字模型进行解析，得到具有一执行顺序的解析模型；其中，所述对数字模型进行解析包括：针对所述数字模型中的每个运动关节，根据所述运动关节的求解参数，为所述运动关节在一模拟引擎中关联对应的算法引擎；所述模拟引擎中设置有分别针对运动学
、
动力学和铰接学的算法引擎；根据所述解析模型中的执行顺序，对所述解析模型进行求解，并根据求解结果进行仿真；其中，所述对解析模型进行求解包括：利用对应的算法引擎对所关联的运动关节进行求解
。2.
根据权利要求1所述的数字工厂系统的建模仿真方法，其特征在于，所述建模库中，每个子系统所包括的可能发生碰撞的刚体设置有碰撞标识项；所述模拟引擎中进一步设置有不同刚体之间碰撞的碰撞逻辑，且所述碰撞逻辑包括：运动学刚体
‑
动力学刚体碰撞逻辑
、
动力学刚体
‑
运动学刚体碰撞逻辑
、
运动学刚体
‑
运动学刚体碰撞逻辑和动力学刚体
‑
动力学刚体碰撞逻辑；所述对数字模型进行解析进一步包括：针对具有碰撞标识的刚体，根据所述刚体所连接的运动关节的求解参数，为所述刚体在所述模拟引擎中关联对应的碰撞逻辑；所述对解析模块进行求解进一步包括：利用对应的碰撞逻辑对所关联的刚体进行求解
。3.
根据权利要求1或2所述的数字工厂系统的建模仿真方法，其特征在于，所述对数字模型进行解析进一步包括：首先检查与地面相连的关节；从与地面相连的关节开始搜索关节链，得到所有关节及其连接的刚体的信息；检查连接到关节的耦合器；检查驱动关节的电机；检查关节链是开环还是闭环；将实际质量和惯性矩添加到由动力学关节和铰接学关节连接的刚体上；将由运动学关节连接的刚体的质量和惯性矩设置为0；移除由运动学关节连接的刚体的碰撞标识
。4.
根据权利要求3所述的数字工厂系统的建模仿真方法，其特征在于，所述根据所述解析模型中的执行顺序，对所述解析模型进行求解，并根据求解结果进行仿真，包括：根据所述解析模型中的执行顺序确定出各个仿真步骤；利用对应的算法引擎和
/
或碰撞逻辑计算每个仿真步骤中关节链中所有刚体的运动和动力参数，在每个仿真步骤中根据所述运动和动力参数将所有刚体移动到对应的计算位置，并显示所有刚体的位置
、
速度
、
加速度
、
加加速度
、
力
、
力矩以及碰撞信号中的至少一项
。5.
根据权利要求4所述的数字工厂系统的建模仿真方法，其特征在于，所述计算每个仿真步骤中关节链中所有刚体的位置包括：将第一个仿真步骤确定为当前仿真步骤；
利用对应的算法引擎计算关节链中第一个刚体当前的运动和动力参数；将第一个刚体作为当前刚体；判断当前刚体是否为关节链中的最后一个刚体，如果当前刚体是关节链中的最后一个刚体，则判断当前仿真步骤是否为最后一个仿真步骤，如果是，则结束；否则，将下一个仿真步骤作为当前仿真步骤，并返回执行所述计算关节链中第一个刚体当前的运动和动力参数的操作；如果当前刚体不是关节链中的最后一个刚体，则将下一个刚体作为当前刚体，并利用对应的算法引擎和
/
或碰撞逻辑根据上一个刚体的运动和动力参数计算当前刚体的当前运动和动力参数；之后，返回执行所述判断当前刚体是否为关节链中的最后一个刚体的操作
。6.
根据权利要求1所述的数字工厂系统的建模仿真方法，其特征在于，所述多个子系统包括如下子系统中的至少一个：常规关节子系统，其包括：固定关节
、
铰链关节
、
滑动关节
、
圆柱关节
、
螺纹关节
、
曲线上的点关节
、
球关节和平面关节；所述常规关节子系统中各个关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；一端连接地面的开环子系统，其包括：位于开环链路中的刚体和关节；所述开放链条中的关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；两端连接地面的闭环子系统，其包括：位于闭合回路中的刚体和多个关节；所述回路中的关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；曲线上的点关节链子系统，其包括：由曲线上1至3个点运动学关节控制的主刚体和至少一个跟随所述主刚体运动的从刚体；所述曲线上的点运动学关节设置有运动学求解参数；耦合传输子系统，其包括：齿轮
、
齿条和小齿轮
、
三关节耦合器
、
皮带轮和皮带
、
机械凸轮；所述耦合传输子系统中的关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；驱动子系统，其包括：位置控制
、
速度控制
、
逆向运动学控制
、
姿态控制和传送带；所述驱动子系统中的关节设置有动力学
、
运动学和铰接学三个求解参数项；液动气动子系统，其包括：力和
/
或扭矩控制
、
液压缸
、
液压阀
、
气动缸和气动阀；所述液动气动子系统中的关节设置有动力学求解参数；动力学关节子系统，其包括：角弹簧关节
、
线性弹簧关节
、
角极限关节
、
线性极限关节
、
断裂约束和弹簧减震器；所述角弹簧关节
、
线性弹簧关节
、
角极限关节
、
线性极限关节
、
断裂约束和弹簧减震器设置有动力学求解参数
。7.
数字工厂系统的建模仿真系统，其特征在于，包括：建模库，其中包括数字工厂系统的多个子系统中的运动关节的建模块，且每个建模块设置有所支持的求解参数项；所述求解参数包括动力学
、
运动学和铰接学求解参数中的至少一种；模拟引擎，其中包括分别针对运动学
、
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐海峰，曹居璐，史桂蓉，李娜，
申请(专利权)人：西门子工业软件有限公司，
类型：发明
国别省市：