[发明专利]一种基于节拍约束的断路器孪生车间模型动力学控制方法

权利要求书

1.一种基于节拍约束的断路器孪生车间模型动力学控制方法，用于包括断路器物理车间、断路器孪生车间、车间孪生数据和车间服务系统的断路器数字孪生车间系统上，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1、根据断路器物理车间生产任务，得到断路器流水线系统中各生产线的工艺流程及其对应的时间节拍；

步骤S2、利用预设的动态八叉树算法对断路器孪生车间中对应断路器流水线系统进行子空间分割，得到碰撞孪生体数量小于或等于预设容量值的子空间；其中，所述断路器孪生车间包括碰撞孪生体和非碰撞孪生体；所述碰撞孪生体包括断路器孪生体和阻挡机构孪生体；所述非碰撞孪生体包括装配机构孪生体和检测机构孪生体；

步骤S3、根据断路器在断路器孪生车间的运动轨迹，对所得到的子空间均进行距离探测，筛选出符合相交检测预设条件的子空间；

步骤S4、根据每一断路器孪生体的几何特点，构造子空间中每一断路器孪生体的上层、中层和下层多层方向包围盒，对包围盒采用层级遍历方式进行相交检测，并进一步对断路器孪生体碰撞方向进行筛选来减少相交检测时碰撞分离轴的检测数量；

步骤S5、(1)在不同生产线的节拍约束过程中，断路器孪生车间包括两条镜像的装配流水线和一条检测流水线，对断路器孪生体进行动力学控制时需要考虑不同生产线的节拍约束；根据断路器实体车间检测线的日工作时间、日产量和不合格率信息，推导检测流水线的生产节拍为k_β，通过下式进行计算：

式中，T表示车间日工作时间，μ为产量，σ为产品不合格率；两条镜像装配线的节拍是检测线的2倍，即：

k_α＝2k_β (2)

进行断路器孪生体运动控制时，需要判孪生体模型处于何种状态，即位于何种工艺步骤，进而通过生产节拍计算相应的传送带运动速度；基于式(1)和式(2)，在检测线传送带末端测量产品间距，进而得到检测线传送带运动速度v_β：

式中，ΔS为传送带末端的产品间距，v_α为装配线传送带速度；以断路器检测线为例，从传送带位移传感器获取断路器点到点的时间t和距离S，其中点到点的时间t包括断路器加速时间t₀和匀速运动时间t₁，进一步得到断路器加速过程的加速度a，再结合牛顿力学公式得到断路器孪生体的驱动力大小，即：

式中，F_β为检测线中断路器所受合力，a为断路器加速运动过程中的加速度；通过动力学方程组求得断路器由静止至匀速运动所需合力F_β，即为加载到断路器的驱动力；当断路器运动速度与传送带匹配时，调整驱动力为0，此时断路器跟随传送带进行匀速运动；采用分析方法，结合式(4)可得到装配线中断路器孪生体的驱动力F_α；

(2)在柔性节拍时的动力学控制中，断路器制造车间进行实际生产时，需要根据需求生产一极至四极不同型号的断路器产品，断路器极数不同时，其生产节拍相应发生变化，因此需要根据订单需求进行柔性节拍的动力学控制；

断路器镜像装配线不涉及产品拼装工艺，其生产节拍无需调整；多极断路器需要对单极断路器进行拼装、铆合操作，不同型号断路器的时间节拍与断路器极数有关；通过式(1)可以得到单极断路器的检测线节拍k_β，则生产多极断路器时检测线的节拍为：

k_n＝λk_β (5)

式中，λ表示断路器极数，k_n为多极断路器检测线节拍；多极断路器检测线的时间节拍随断路器极数柔性调整，对非碰撞孪生体运动产生影响；

为实现一至四极断路器的柔性节拍控制，针对不同型号断路器设计非碰撞孪生体运动逻辑，柔性调整其运动轨迹；其中多极穿钉、多极铆合和多极拼装工艺单元主要作用于多极断路器，对其进行逻辑脚本控制，根据实际工艺编辑不同运动路径；并通过检测不同断路器极数对脚本进行切换和控制，从而实现非碰撞孪生体模型与节拍的柔性化匹配；单极穿钉、移印工艺步骤，单极穿钉机构生产单极断路器时，下料5个铆钉；多极断路器时下料2个铆钉；移印机构内部可以容纳4个单极断路器，或2个二极断路器，或1个三极断路器，或1个四极断路器，通过脚本切换可以执行不同运动动作；

因此，进行多极断路器生产时，断路器孪生体在传送带上的间距与断路器极数成正比，孪生体的运行时间与其间距的比例关系不变，因而不受柔性节拍的影响；但多极断路器的质量增大，由质量m变为λm，此时计算驱动力大小时需要相应乘以极数λ，进而得到相应的驱动力大小；

步骤S6、根据相交检测结果和驱动力的计算，通过运动逻辑脚本控制和切换，进行固定节拍和柔性节拍时断路器孪生体的控制，对出现碰撞情况的子空间内的断路器孪生体进行相应的动力学控制，使出现碰撞情况的子空间内的断路器孪生体的运动行为被冻结或驱动力下降来实现碰撞合力为0。