4. 产线三维模型构建与轻量化处理
虚拟调试的第一步不是写PLC程序，而是让仿真环境里出现一条“像真的一样”的产线。三维模型构建与轻量化处理，决定了后续信号映射、节拍验证和碰撞检测能否顺利开展。本节围绕CAD模型导入、格式转换、装配层级组织、运动学定义、碰撞体简化与实时渲染优化六个环节展开，重点说明每一步的输入、处理方式与判断依据。
一、CAD模型导入与格式转换
虚拟调试常用的三维模型来源包括机械设计部门的原生CAD文件（如SolidWorks的.sldprt/.sldasm、NX的.prt、CATIA的.CATPart）以及供应商提供的中间格式。仿真软件（如Process Simulate、Visual Components、RoboDK、Unity/Unreal配合CAD导入插件）通常无法直接读取所有原生格式，因此需要先做格式转换。
推荐优先使用STEP（.stp/.step，AP214或AP242）作为交换格式，它保留装配层级和实体几何，兼容性最好；JT格式适合超大装配体，支持LOD（细节层次）和PMI信息，在Teamcenter/Process Simulate体系中效率较高；STL/OBJ只保留三角面片，丢失装配结构和颜色，仅适合作为最终轻量化输出或3D打印，不建议作为仿真主模型。IGES对曲面支持较好但装配信息弱，逐步被STEP取代。
转换时需注意单位一致性。CAD常以毫米为单位，而仿真软件可能默认米，导入后模型放大或缩小1000倍是常见问题。建议在导出前统一为毫米，并在导入时核对包围盒尺寸，例如一台六轴机器人本体高度约1.2～1.5 m，若导入后显示为1200 m或1.2 mm，即可判断单位错误。
二、装配层级组织
CAD装配树往往按设计习惯组织，层级深、命名混乱，直接导入仿真会带来选择困难和运动学绑定麻烦。应在导入前或导入后重构层级，原则是“按运动单元分组、按功能命名”。
典型产线可组织为：产线根节点 → 工位（Station）→ 设备（Device）→ 运动单元（Kinematic Unit）→ 零件（Part）。例如“焊接工位”下挂“机器人1”“变位机”“夹具”“安全围栏”，机器人1下再挂“底座”“J1轴”“J2轴”……“法兰”“焊枪”。命名建议采用“设备_类型_编号”，如“R1_BASE_01”“R1_J2_01”，避免“零件1”“副本3”这类无意义名称。层级过深会增加仿真软件遍历负担，一般控制在5～6层以内。
三、运动学定义
运动学定义是把静态模型变成可动机构的关键。对串联机器人，需按DH或厂商提供的关节顺序建立父子关系：底座固定，J1绕Z轴旋转，J2绕水平轴旋转，依次到J6和法兰。每个关节需设置旋转轴方向、零点位置、关节限位（如J1 ±170°、J2 -90°～+155°）和最大速度。
对产线中的其他机构，如气缸、输送带、变位机、夹具，也需定义运动类型：气缸为直线移动（行程示例50 mm），输送带为连续旋转或纹理滚动，变位机为旋转轴。运动学定义完成后，应手动拖动各关节，观察模型是否按预期方向运动、是否出现零件分离或穿插。若J2旋转时小臂绕错误轴转动，通常是父子关系或旋转轴向量设置错误。
四、碰撞体简化
仿真中的碰撞检测如果直接使用高精度CAD网格，计算量会急剧上升，导致卡顿甚至无法实时运行。碰撞体简化的思路是：用简单几何体（包围盒、凸包、圆柱、胶囊体）近似复杂零件，只保留碰撞判断所需的外形轮廓。
具体做法：机器人本体可用若干圆柱和长方体组合近似；焊枪可用一个细长圆柱加球头；安全围栏用薄板包围盒；输送带用长方体。简化后需设置碰撞组，例如“机器人1 vs 围栏”“机器人1 vs 夹具”“机器人2 vs 机器人1”，避免所有对象两两检测。碰撞检测还需设置安全距离余量，例如实际间隙5 mm，仿真中可设2～3 mm余量，防止因简化误差导致误报或漏报。
五、实时渲染优化
轻量化处理的目标是在保证视觉可接受的前提下，把模型面片数、纹理数量和绘制调用降到合理范围。常用手段包括：
- 减面（Decimation）：使用Blender、3ds Max或仿真软件自带工具，将机器人本体从数十万面片降到数万面片，外观基本不变。
- LOD（Level of Detail）：为同一对象建立高、中、低三档模型，近距离用高模，远距离自动切换低模。
- 纹理合并与压缩：把多个小纹理合并为一张图集，减少材质切换；纹理尺寸控制在2048×2048以内。
- 实例化（Instancing）：重复对象（如托盘、工件、护栏立柱）使用同一模型实例，降低内存占用。
判断优化是否达标，可观察仿真运行时帧率。一般要求单工位场景帧率不低于30 FPS，复杂产线不低于20 FPS。若帧率过低，优先检查三角面片总数、纹理数量和碰撞检测频率。
完成以上六步后，产线三维模型应达到：层级清晰、关节可动、碰撞体轻量、帧率达标。此时模型才具备进入虚拟调试信号映射与逻辑验证的条件。