一种智能制造生产线系统

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，尤其是涉及一种智能制造生产线系统。

背景技术

在高性能的数控技术、制造技术及多功能的控制系统间的高度融合下，智能制造设备如雕刻机、立体仓库、加工中心、三坐标测量仪、数控中心等均可自主进行毛坯料到成品的全加工流程。

传统的生产线系统由于智能化程度不高，随着技术的发展，需要向智能数字化工厂升级，智能制造生产线系统是对自动加工工艺现场大型设备进行提炼和浓缩的一款小型智能制造生产线实训设备，专门为职业院校、教育培训机构及具有数字孪生需求的产业或企业等而研制的。它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、控制工程、测控技术计算机控制、自动化控制等相关专业的教学和培训。通过系统设计的实训实验课程，使学生了解智能制造生产线的基本组成和基本原理，让学生全面掌握技术的应用开发和集成技术，帮助学生从系统整体角度去认识，提供了实验和科研的平台。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中上述问题的不足之处，提出一种智能制造生产线系统，能够精确还原实际生产场景和设备，帮助企业提高生产效率、降低成本并优化产品质量，同时，可供学习进行学习。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种智能制造生产线系统，包括服务器，所述服务器用于数据的处理与存储，所述服务器连接数字化管理层，所述数字化管理层连接设备数据采集层，所述数字化管理层用于接收设备数据采集层采集的数据，并对设备数据采集层发送控制设备的指令数据，所述设备数据采集层分别连接机械臂、毛料检测模块、成品检测模块、仓储货架模块、AGV(物料转运车)、转运传送带、以及激光打标加工模块；通过机械臂从毛料仓抓取物料，毛料质检模块用于物料进行质量检测，转运输送带用于物料运输，激光打标加工模块用于将经过成品物料进行打标加工；AGV(物料转运车)用于加工后物料码垛至转运车；仓储货架模块用于物料存储；

所述数字化管理控制层中设有相机控制模块、加工控制模块、拆解模块、基础模块、以及UI功能模块；

所述加工控制模块通过对机械臂的控制完成产线流程的运动。

进一步的，所述相机模块用于摄像机的移动旋转缩放，同时使用了平滑插值算法让相机的移动和旋转更加平滑和柔顺，并且在摄像机的操作中可以通过按ESC键退出，通过对鼠标右键的按下与释放可以完成对于光标的隐藏与显现。

进一步的，所述加工控制模块采取机器人逆运动学算法，利用余弦定理和反余弦函数推倒轴旋转角度，再利用DOTween的队列和旋转动画代码实现机械臂运动。

进一步的，所述机器人逆运动学算法是已知机器人末端执行器的位姿，通过变换矩阵T得到机器人各关节的角度，根据给定的目标位置或末端效应器的期望位置，计算机器人关节角度或关节配置的过程。

进一步的，对机械臂的控制是通过控制父节点的旋转，带动子节点移动，子节点的旋转再带动自己的子节点移动以此类推。每个节点的旋转单一，通常是水平方向和垂直方向。

进一步的，所述拆解模块通过对机器人机械臂的组装与调换，实现可重构的产线流程。

进一步的，所述基础模块包括任务模块、教学模块、孪生模块、以及考核模块。

进一步的，还包括评分系统，基于学生对产线的操作以及功课的学习来获得相应的分值，评分系统功能是基于DataManager中定义的Dictionary变量储存各个其他功能模块的完成情况，汇总而成的成绩查询功能。

相对于现有技术，本发明所述的一种智能制造生产线系统具有以下优势：

本发明能够帮助生产制造产线企业实现生产过程的模拟与优化，提高生产效率、降低成本并优化产品质量。企业可以在虚拟环境中进行精细的操作和优化，预测和解决潜在问题，减少故障率和停机时间。同时，公司也提供培训和教育服务，帮助企业员工掌握最新的生产技术和操作方法，为企业持续发展提供技术支持和人才培养。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种智能制造生产线系统的结构示意图；

图2为本发明的数字化管理控制层的结构示意图；

图3为本发明的UI模块中各按钮功能连接示意图；

图4为本发明的一种智能制造生产线系统运行的界面图；

图5为本发明的任务模块的运行界面图；

图6为本发明的实验介绍模块的运行界面图；

图7为本发明的安全教育模块的运行界面图；

图8为本发明的实验场景模块的运行界面图；

图9为本发明的主设备程序编辑模块的运行界面图；

图10为本发明的教学模块的运行界面图；

图11为本发明的演示视频模块的运行界面图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-2所示，本发明提供了一种智能制造生产线系统，包括服务器，所述服务器用于数据的处理与存储，所述服务器连接数字化管理层，所述数字化管理层连接设备数据采集层，所述数字化管理层用于接收设备数据采集层采集的数据，并对设备数据采集层发送控制设备的指令数据，所述设备数据采集层分别连接机械臂、毛料检测模块、成品检测模块、仓储货架模块、AGV(物料转运车)、转运传送带、以及激光打标加工模块；通过机械臂从毛料仓抓取物料，毛料质检模块用于物料进行质量检测，转运输送带用于物料运输，激光打标加工模块用于将经过成品物料进行打标加工；AGV(物料转运车)用于加工后物料码垛至转运车；仓储货架模块用于物料存储；

具体的，所述数字化管理控制层中设有相机控制模块、加工控制模块、拆解模块、基础模块、以及UI功能模块；

具体的，所述相机控制模块用于摄像机的移动旋转缩放，同时使用了平滑插值算法让相机的移动和旋转更加平滑和柔顺，并且在摄像机的操作中可以通过按ESC键退出，通过对鼠标右键的按下与释放可以完成对于光标的隐藏与显现。在摄像机的移动旋转功能中，通过Cinemachine提供的组件，我们实现让摄像头沿着自定义的轨道进行运动，整个功能的实现由三部分构成。①.虚拟摄像机(Virtual Camera)②.轨道路径(Dolly Track)③.主摄像头(Main Camera)实现方式：将虚拟摄像机和主摄像头与轨道进行绑定，然后沿轨道自动运动。

从PackageManager上可以下载Cinemachine插件，它有以下几种类型的虚拟相机可以创建，Cinemachine在性能上非常高效，因为创建出来的是VirturalCamera，它只是一个数据类只存储数据而不是真实的相机。无论创建哪一种VirturalCamera，都会为Camera上添加一个CinemachineBrain脚本，CinemachineBrain每帧通过VirturalCamera计算真实相机的数据，并同步到真实相机上(添加CinemachineBrain后真实相机的部分参数被锁定，由VirturalCamera托管)，之后调整VirturalCamera上的参数去实现相机效果。

(1)点击GameObject，选择创建空物体(命名Dolly Track)屏幕右侧Inspector界面选择添加CinemachineSmoothPath组件(当设置路径弯曲时会自动平滑)，如果选择CinemachinePath的话，路径弯曲可由自己进行调整。

(2)设置主摄像头(Main Camera)，选择主摄像头Add Component为主摄像头添加CinemachineDollyCart组件和CinemachineBrain组件。

(3)创建虚拟摄像头(Virtual Camera)点击左上Component选择Cinemachine的Cinemachine Virtua lCamera。

为主摄像机添加截取图片的cs文件，选择Add component选择写好存放在Assets目录下的cs文件。选择要拍摄的机器，选择Add component选择写好存放在Assets目录下的cs文件。

具体的，所述加工控制模块通过对机械臂的控制完成产线流程的运动。

采取机器人逆运动学算法，利用余弦定理和反余弦函数推倒轴旋转角度，再利用DOTween的队列(Sequence)和旋转动画代码(DOLocalRotate)实现机械臂运动。

DOTween插件通过以下步骤来实现机械臂的运动:

1.创建机械臂模型:首先，在Unity场景中创建一个机械臂的模型。这可以通过使用Unity的3D建模工具或导入现有的机械臂模型来完成。

2.控制机械臂关节:机械臂通常由多个关节组成，每个关节可以旋转或移动。通过脚本控制机械的各个关节，以实现所需的动作。

3.使用DOTween进行动画:将DOTween插件导入到Unity项目中后，使用其提供的功能来创建和控制机械臂的动画效果。使用DOTween的Tween类来设置关键顿动画，并使用DOVirtual类来创建自定义动画曲线。

4.编写脚本控制机械臂:在Unity中，通过使用DOTween的API来设置机减警关节的旋转角度或位置，并将其包装在Tween对象中，以实现平滑的过渡效果。

5.触发机械臂动画:通过触发特定事件或条件，使得机械臂开始执行动画。这可以通过调用Tween对象的Play方法来实现并且设置动画的循环、延迟和持续时间等参数。

。机器人逆运动学算法是已知机器人末端执行器的位姿，通过变换矩阵T得到机器人各关节的角度。是指根据给定的目标位置或末端效应器的期望位置，计算机器人关节角度或关节配置的过程。

机械臂的控制主要是通过控制父节点的旋转，带动子节点移动，子节点的旋转再带动自己的子节点移动以此类推。每个节点的旋转单一，通常是水平方向和垂直方向，即x轴旋转和y轴旋转，也有可能出现z轴旋转，这里可以控制模型的的轴方向实现统一。

可控的旋转是自身的相对旋转，但是实际结果却是其父节点旋转和位移的累加。

具体的，所述拆解模块通过对机器人机械臂的组装与调换，实现可重构的产线流程，并且支持构建设备的运行与运行场景的系统孪生模型。同时该模块还支持智能制造系统与装备定制场景的孪生环境搭建与虚拟调试仿真实训。

具体的，所述基础模块提供四种不同的操作选项，“任务”模块，通过任务路线实验原理等了解基本该产线流程，达到实验目的，了解基本安全注意事项、明确实验意义。“教学”模块帮助用户对实验内容要求进行掌握。结合“孪生”“考核”模块，这些功能能够帮助用户轻松了解该产线流程的各个模块，并在数字孪生环境中进行模拟测试。

具体的，所述UI功能模块负责的是在main中显示各个对应ui的逻辑控制等，基本功能实现均为在点击按钮之后触发button组件，进行下一个ui的或是场景的异步切换等等。

基本路径(BasePanel)：这段代码定义了一个名为BasePanel的类，包含了一些属性和方法用于管理面板。首先创建了PanelPath是一个字符串类型的属性，用于存储面板的路径。Panel是一个GameObject类型的属性，用于存储实例化后的面板对象。Layer是一个枚举类型的属性，用于指定面板的层级。Init()是一个公有的方法，用于初始化面板。它首先通过资源管理器(ResManager)加载指定路径的面板预制体，然后通过Instantiate()方法实例化面板预制体，并将其赋值给Panel属性。Close()是一个公有的方法，用于关闭面板。它根据当前面板实例的类型获取名称，并通过面板管理器(PanelManager)的实例调用Close()方法关闭面板。OnInit()、OnShow()和OnClose()是虚方法，可以在子类中进行重写。它们分别在面板初始化时、面板显示时和面板关闭时被调用，可以在子类中实现具体的逻辑。图3反映了UI模块中各按钮功能连接情况。

本发明的智能制造生产线系统采用模块化自主DIY设计，可以根据需求灵活拆解，这有助于提高机械臂的适应性和可维护性。整个系统分为拆解、孪生两个模块，在拆解过程中，可自主选择选择不同的产线流程自己设计流程，可将其中部分产线调换位置，从整体化实现局部化，将产线中的个别功能进行独立。实现各个部分可以独立设计、制造和更换这样的设计允许用户根据不同的加工需求进行定制。

本发明还将系统软件装载到MR设备上，为了移植到MR设备上，项目使用了燧光RhinoX的开发SDK，将ARCamera替代原有的MainCamera，增添RxPlayerHand实现在MR中的操作，为可互动UI添加MR适配，为可互动物体添加Touchable、Grabable组件实现在MR中的拼装与拆解。将产线搭载到MR设备上，在节省实验室空间的同时避免了在实体中操作试错的成本问题。

实现物理世界和虚拟世界的相互映射，本发明通过KEP Server V6软件搭建OPC-UA服务器，利用C#开发OPC-UA Helper，建立客户端，将各类智能设备嵌入OPC-UA客户端中，将设备采集到的数据信息转换为支持OPC-UA协议的数据并封装到OPC-UA服务器中，实现客户端与服务器的连接并可读取节点数据及节点信息。同时为了方便实时观察产线设备运行过程，将设备模型接入虚拟管理系统，接收来自OPC-UA服务器的启动信号，实时驱动设备模型运动。最终将物理数据传输到数字孪生体中，实现虚拟车间与物理车间的虚实同步。在虚拟环境中进行设备的建模与测试是非常节省成本与时间的，在测试环节可以及时的发现问题，甚至能够预见未来的挑战。

具体的，本发明基于产教融合，首次在数字孪生模型中引入教学评分系统，基于学生对产线的操作以及功课的学习来获得相应的分值。教学评分系统功能是基于DataManager中定义的Dictionary变量储存各个其他功能模块的完成情况，汇总而成的成绩查询功能。

下面通过对系统软件进行操作进一步说明本发明的方案。

当用户点击进入9kt系统后，UI界面会展示四种模块选择，分别为“任务”、“教学”、“孪生”、“考核”如图4所示，用户可根据自己需要选择对应模块进入功能选项。

如图5所示，用户在点击任务模块后，当前界面会展示实验介绍、安全教育、实验操作、实训操作。

如图6所示，用户在点击实验介绍后，会进入下一界面，对应功能有任务路线、实验原理、认识拆解产线设备、产线工作流程、实验目的及意义。而会出现相应提示。比如在任务路线中，即显示：实验开始前，检查软硬件设备状态是否良好，机械臂情况以及场地安全等，通过点击实验介绍，了解该实验基本原理、目的及意义，同时明确实验或实训过程中的安全注意事项，保证自身及设备安全，避免发生危险，在点击不同实验选项后，进行各个实验的单独操作，操作完成后系统将对训练者的实验(实训)的操作结果进行考核评分。

如图7所示为安全教育显示界面。

如图8所示，根据要求进入实验操作，分为实验室场景、视觉实验、命令编辑器、提交。在桌面级嵌入式数字孪生制造产线虚拟实验室中，可进行虚拟搭建和查看连线。可实时查看实体设备当前状态，还可对设备显示的信息及时调整。

如图9所示，进入视觉实验部分，选择相应的实验类别一到九，对相应主设备和辅助设备编程，用代码方式进行设备操控，在编程完成后，可以对程序点击确认或更改。

如图10所示为教学模块显示界面图。

如图11所示，点击教学按钮，即可显示“演示视频”“理论说明”两个选项，演示视频方便用户对特定实验的直观感受，采取视频教学方式，使实验操作更具体、明确；理论说明是采用文字形式，使用户自己阅读基本的实验步骤，达到“自我学习”的目的。

在选定孪生功能后，在配置完软件和硬件设备的通讯连接后可以实现数字孪生的实控虚功能，完成虚实联动的效果。可以让用户可以在虚拟端对产线甚至是机械臂的运行情况进行实时的监测，更加安全和便捷。对于院校来说，通过数字孪生技术，构成虚实结合的教学实训体系。

在完成实验操作后，系统会根据操作者的完成情况进行综合评分，考核系统中不仅显示用户的得分情况，还可查看在实验中的操作误区及修改方案，通过横向纵向对比，对用户本次操作作出综合评判。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。