一、前言
1、应用背景
通常情况下，数字化工厂生产线建设周期长、投资大、自动化控制逻辑复杂，现场调试的难度与工作量比较多。按照常规生产线建设规律，越早发现问题，整改的成本就越低，因此有必要在生产线正式生产、安装和调试之前，在虚拟环境下对生产线进行模拟调试，解决生产线的规划、干涉、PLC程序控制等问题。在模拟调试完成之后，再把调试好的程序移植到真实的生产线上。
2、实现目的
智能工厂生产线虚拟调试仿真系统，是数字化双胞胎技术的应用拓展，可实现生产线在实际投入生产或集成之前，即可在虚拟环境中进行仿真及测试，通过将产线的机械、自动化、电气系统的仿真技术结合，打造生产线的数字孪生体，实现在虚拟环境中即可对产线进行全方位的仿真及调试，助力企业缩短产线设计与调试周期，降低风险，节约成本，提升质量与灵活性。
3、系统概述
虚拟调试系统可分Software inLoop（SIL）与Hardware inLoop（HIL）两类环境。SIL把所有设备资源虚拟化，由虚拟控制器VRC、虚拟HMI、虚拟PLC模拟器、虚拟讯号及算法软件等等进行模拟仿真。HIL则是把全部设备硬件连接到仿真环境中，使用真实物理控制器、真实HMI、真实的I/O讯号与虚拟环境交互仿真。
木棉树MCD一体化虚拟调试仿真系统是属于SIL类型，我们可以在SIL环境中验证通过后，可替换任一虚拟资源为真实设备，进行部分验证，最终全替换为HIL，完成物理与虚拟映射的调试。
4、系统优势
借助木棉树MCD的VRC虚拟控制器实现与木棉树MMSDT数字孪生的联合虚拟调试，不需要真实的PLC硬件，即可完成PLC程序调试和生产线仿真验证。此种方式只需一台PC即可完成联合调试工作，不需要复杂的设置。运用联合虚拟调试相较于基于传统可编程控制器的调试具有以下优点：
①.缩短了现场调试周期，减少停产时间；
②.更好的PLC程序和机器人轨迹质量，并可重复测试；
③.在室内即可完成调试，对现场工程师的技能要求降低；
④.降低了调试成本；
⑤.在虚拟环境中测试程序，验证干涉区，降低碰撞事故与风险；
⑥.数字孪生仿真，直观表达，所见及所得；
⑦.WebGPU高性能三维可视化渲染，自然光效真实还原，沉浸式体验。
5、结构特点
木棉树MCD一体化虚拟调试仿真系统支持四层系统仿真，分别是：控制层仿真、信号层仿真、设备层仿真、工艺层仿真。具有：卓越的易用性和设计便捷性、高度灵活的组态方式与开放性、高设计效率、良好的可扩展性和互操作性等主要特点。
（系统拓扑图）
二、虚拟控制器
1、实现目的
; 虚拟控制器是木棉树MCD虚拟调试仿真系统的核心驱动模块，它可以模拟各种传感器的输入，执行器的输出和控制器的算法逻辑，它也可以模拟与实际控制器之间的通信接口，以便与其他ECU进行交互，如CAN总线通信等。这样就可以使用虚拟控制器驱动实时仿真和测试，验证生产线的规划、干涉、PLC程序控制的功能和性能，同时优化相应的控制策略。
2、PLC高级仿真器
木棉树MCD的VRC模块可以作为虚拟控制器对 S7、ET200等常用的PLC功能进行全方位仿真。通过它可以在电脑中虚拟出一台 PLC，它不仅可以实现对PLC基本的程序逻辑模拟，还可以仿真通讯，安全程序等功能；通过PLCSIM Advanced，可以实现在电脑中虚拟出PLC，用于PLC仿真调试，还可以与 TIA Portal WinCC Runtime和经典WinCC进行通讯联调。
3、三维仿真驱动
它与MMSDT数字孪生三维仿真场景连通，形成一体化的仿真流程，进行联合仿真调试，从而对PLC程序进行全面验证，直观表达，所见及所得。
4、开放式API
同时，它支持开放式的应用程序编程接口（API），可以用于将虚拟PLC连接到其他软件，或其他高级语言编写的应用。
三、节拍云图
1、实现目的
节拍云图是木棉树软件在FEA有限元应力云图上的扩展表达，它是一种用于显示生产线中的节拍频率、物理干涉所产生的交变应力分布情况的三维立体图表。它源于广义的冯米塞斯应力准则，用于分析和解读产品在自动化生产过程中的交变应力状态，帮助工程师评估生产节拍的周期频率和稳定性。
2、三维云图
节拍云图是一种三维的Mises应力云图，区别于简单的平面热力图，它能在三维立体的维度上渲染三维空间中的应力结构，表达更为全面。
3、颜色表示
; Mises节拍云图使用颜色来表示交变应力的强度。通常，高应力区域使用红色或暖色调表示，表示较高的应力值，而低应力区域使用蓝色或冷色调表示，表示较低的应力值。通过观察颜色的变化，可以了解生产线中应力的分布情况。
4、表达解读
最大破坏点：节拍云图中最明显的特征是最大主应力所在的区域。最大主应力是生产线中最大的应力值，通常对应着生产线的破坏点。在节拍云图中，这一区域通常呈现出高应力的颜色，比如红色。
不稳定的集中区域：节拍云图还可以显示出应力集中的区域。这些区域通常是结构中的几何不连续或干涉集中的位置。这些区域可能会出现高应力值，需要特别注意。
节拍均匀性：通过观察节拍云图中颜色的分布情况，可以了解生产线的应力均匀性。如果颜色呈现出较为均匀的分布，表示生产线的频率分布相对均匀；如果颜色出现明显的不均匀性，表示应力集中或不均匀加载的可能性较高。
四、物理干涉
1、实现目的
干涉检查是虚拟仿真调试工作中非常重要的一个步骤，尤其是机器人工具与工件、工装夹具之间的碰撞干涉，更是重中之重。
木棉树MCD的物理干涉检查模块，通过设置生产线虚拟装配的约束关系，利用路径轨迹跟踪、空间分解、包围盒碰撞、叶子节点递归等数学算法，实现生产线上各生产单元的物理运动状态检查，帮助工程师对安全区、干涉区的优化验证，降低碰撞事故与风险。
2、路径轨迹跟踪
木棉树MCD使用TCP路径轨迹跟踪功能来实现机器人的干涉检查，这个功能能够在机器人的TCP运动路径上实时生成轨迹线条，通过观察轨迹线条与周边物体的交叉情况，就能快速的判断出是否发生了干涉。
路径轨迹指令支持关节运动指令、线性运动指令、圆弧运动指令和绝对位置运动指令。
3、包围盒碰撞
碰撞检测是为了判断多个物体（几何体）是否发生相交，由于任何一个物体都有可能与其他物体发生碰撞，则包含n个物体的碰撞检测过程中，最坏的情况可能需要进行n(n-1)/2 = O(n^2)次测试，平方时间复杂度通常会降低程序的运行速度。为了减少这种情况的发生，木棉树MCD的物理干涉检查把碰撞检测分为两个阶段。粗略测试阶段（broad phase）-> 精确测试阶段（narrow phase），包围盒碰撞属于粗略测试阶段。
粗略测试阶段会通过简单的算法将即将可能会发生碰撞的物体划分出来，在将这些物体送到精确测试阶段，经过精确测试判断这些即将可能会发生碰撞的物体是否真的会发生碰撞，不去处理在这一时刻不会发生碰撞的物体。这样可以降低精确测试的物体数，从而降低检测的时间。木棉树MCD的包围体包括轴对齐包围盒（AABB）、有向包围盒（OBB）两种计算方法。
4、空间分解
在物理干涉检查中，木棉树MCD使用了空间分解的方法来计算碰撞的精确测试阶段，核心思想是将一个复杂的大空间划分成若干个较小的、更易于处理或分析的小空间。我们采用了有限元法作为空间分解的计算方法，通过将连续的物理场离散化为有限数量的相互连接的元素（这里采用的是立方体），对每个元素建立方程并求解整个系统的近似解。
5、叶子节点递归
生产线中的自动化设备，特别是工业机器人的动作使用了树形结构，在树形结构中，机器人的基座、腰部、臂部、手腕、指部各节点存在父子关系。我们从叶子节点到根节点，通过递归的方式遍历树形结构，获取节点的父节点、祖先节点等信息，并计算各节点的路径轨迹，从而判断各节点可能存在的碰撞干涉，优化验证。
6、可视化仿真呈现
有别于欧美虚拟调试软件平淡的三维视觉画面，木棉树MCD集成了MMS3D渲染引擎和MMSDT数字孪生库，加强了3D可视化的仿真表达，从干涉告警的光效表达，到物体移动的环境光线追踪，灵活的镜头控制、实时动作仿真、破坏点标注，更好的帮助了工程师优化生产节拍消除干涉问题。
五、生产节拍
1、实现目的
生产平衡与生产节拍是工业生产中提高产能的重要指标，生产平衡能提升效率、降低成本，需把握工序时间并改善瓶颈工序。生产节拍是连续完成相同产品的时间间隔，可用于合理分配人力或自动化设备的工作频率。
而通过调节生产节拍，达到生产平衡，提高生产线的产能是木棉树MCD虚拟调试仿真系统的核心能力。从而有效平衡各单元的工作负荷，减少设备闲置和等待时间，提升生产线的整体生产效率，确保在满足生产需求的同时，实现资源的合理配置。
2、分割作业
如何让流水线生产平衡，解决生产断流、瓶颈工序的问题，是木棉树MCD生产节拍调试模块的主要作用。
我们把各个生产单元作业分割，并行调节，整体串联运行，实时更新单元的运行动作，并且实时联动“节拍云图”、“物理干涉检查”等模块，可视化生产节拍仿真动作。
3、集成化仿真器
生产节拍的调试是由木棉树VRC虚拟控制器驱动，针对快速调试、零代码调试的需求，在同时满足PLC模拟编程的同时，木棉树MCD也同时内置了集成化的PLC仿真器，把复杂的PLC模拟编程简化为简单的API数值，通过简单的参数加减就能实现生产节拍的实时调节。
4、生产看板
通过数据图表的方式展示生产线的平衡状态，包括工位信息：每个生产单元的工作状态（工作中、待机中）、生产节拍数值、设备状态统计。生产进度：每分钟的计划进度和实际进度的图表、计划产量和完成率、计划产量和实际产量的时间图表走势。告警信息：告警时间、位置和类型，正常工作、空闲待机、异常干涉的时间图表走势等。
六、总结
总之，数字孪生生产工艺的虚拟调试，工程师可以在物理生产线启动之前，通过数字孪生系统的虚拟调试直观发现潜在的问题，并进行相应的调整和优化，确保生产线在启动时能够正常运行，并且能够模拟生产线的各种运行状态和参数，使得工程师可以在虚拟环境中测试和优化生产工艺，确保产品在生产过程中的质量稳定，减少生产线的停机时间，提高整体生产效率。
木棉树MCD虚拟调试仿真系统，结合了VRC虚拟控制器、MMSDT数字孪生、MMS3D三维渲染引擎、FEA有限元分析等多种技术栈，实现了生产节拍调节、物理干涉检查、交变应力云图分析等主要功能，满足了在智能制造中提高生产效率，节省建设成本的目的。
