论文题目：机电一体化虚拟调试系统关键技术研究与实现
摘要：作为数字孪生技术在制造业的一个重要应用,机电一体化虚拟调试技术可以在数字模型中对设计方案和控制程序进行充分的仿真验证和优化,从而摆脱了传统调试模式对物理设备的过度依赖,对于一些创新性或者控制复杂度较高的自动化设备的设计和制造,具有明显的优势。目前只有一些国外软件企业推出了虚拟调试软件,但是昂贵的价格和封闭的软硬件生态阻碍了这些软件的推广。为了促进虚拟调试技术在国内自动化设备行业的应用和发展,本文在解决了实时运动驱动、动态干涉检查和工件移载等关键技术问题的基础上,开发了一套机电一体化虚拟调试软件。主要研究内容和结果如下:（1）在虚拟调试系统中实现了开环机构和闭环机构的运动学建模和求解。对于树状拓扑结构的开环机构,根据控制信号计算运动副的相对变换矩阵,采用多刚体系统运动学的方法实现了机构的实时运动;对于非树状拓扑结构的闭环机构,采用最大生成树算法切除部分运动副,转换为开环机构,并引入切除运动副的约束方程进行求解,将闭环机构转换为开环机构统一处理。（2）为了满足虚拟调试实时性的要求,提出了一种离线动态干涉检查技术。该方法由运动记录、离线干涉计算和干涉回放三个部分组成。首先在调试过程中记录每个时间步中所有运动副的广义坐标;在调试结束后,还原每个时间步零件的位姿,进行单步干涉计算;最后通过干涉回放功能,将其还原为动态过程。这种方法较好地解决了干涉计算实时性和计算精度的矛盾。（3）针对基于动力学的移载仿真计算量大,效果不稳定的问题,提出了一种基于运动学的移载方法。采用接触对的触发和解除改变工件与其他运动部件的连接关系,并开发了专门用于工件的位置更新算法,实现了工件的移载。（4）在Solid Works平台上开发了机电一体化虚拟调试系统,支持软件在环和硬件在环两种虚拟调试模式。制作了一个桌面型的自动化仓储系统,数字设备和物理设备的并联运行结果显示在整个虚拟调试过程中物理设备和数字模型运动位置始终保持一致,证明了在数字空间内进行设备虚拟调试的可行性。
关键词：虚拟调试;多刚体系统运动学;干涉检查;移载仿真
学科专业：机械工程（专业学位）
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 虚拟调试技术研究现状
1.2.2 空间机构的运动学建模与求解技术研究现状
1.2.3 碰撞检测技术研究现状
1.3 课题来源
1.4 论文研究的主要内容
第二章 机电一体化虚拟调试系统设计
2.1 引言
2.2 机电一体化虚拟调试系统的应用
2.2.1 虚拟调试对产品开发流程的改变
2.2.2 软件在环和硬件在环
2.2.3 虚拟调试系统与运动仿真的异同
2.3 机电一体化虚拟调试系统的需求分析
2.3.1 功能需求
2.3.2 系统性能需求
2.4 系统框架及模块功能划分
2.4.1 系统框架
2.4.2 系统功能模块
2.5 系统开发环境与控制信号接口
2.5.1 系统开发环境
2.5.2 控制信号接口
2.6 本章小结
第三章 虚拟调试系统的运动学建模和求解
3.1 引言
3.2 机构的运动副和信号映射
3.2.1 运动副与运动组
3.2.2 运动副的信号映射
3.3 空间机构的数学模型与数据结构
3.3.1 刚体的位形坐标
3.3.2 运动副约束的数学表达
3.3.3 约束模型的数据结构
3.4 虚拟调试系统的运动学位置求解
3.4.1 开环机构求解算法
3.4.2 切除运动副算法
3.4.3 闭环机构求解算法
3.5 计算验证
3.6 本章小结
第四章 虚拟调试系统的动态干涉检查和移载技术
4.1 引言
4.2 离线动态干涉检查技术的实现
4.2.1 调试过程的信息记录和输出
4.2.2 离线动态干涉计算
4.2.3 干涉结果回放
4.3 工件移载仿真技术的实现
4.3.1 移载仿真中的工件运动约束状态转移
4.3.2 约束状态转移的判断
4.3.3 移载问题中的运动副更新
4.3.4 工件位置更新
4.4 本章小结
第五章 虚拟调试系统应用实例
5.1 引言
5.2 自动化仓储物理系统的物理模型和数字模型
5.2.1 物理模型
5.2.2 数字模型
5.2.3 出入库动作流程设计
5.3 虚拟调试系统的前置处理功能和软件界面
5.3.1 运动副定义
5.3.2 运动组定义
5.3.3 传感器定义
5.3.4 工件定义
5.4 自动化仓储系统软件在环调试
5.4.1 控制信号交互
5.4.2 调试过程
5.4.3 干涉检查
5.4.4 程序优化
5.5 自动化仓储系统并联调试
5.5.1 调试验证
5.5.2 性能测试
5.5.3 实时性测试
5.6 本章小结
结论与展望
一、主要工作及结论
二、不足与展望
参考文献
附录1 并联调试的视频链接与过程截图
致谢
附件