智能制造教學(xué)場(chǎng)景機(jī)械臂數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)研究

劉百辰

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

受到智能化的影響，對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)具有更好的要求，機(jī)械臂需要具有智能制造的條件，保障機(jī)械制造的穩(wěn)定性。數(shù)字孿生（DT）是數(shù)字化與仿真的結(jié)合，可以有效地對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行分析，提高機(jī)械臂對(duì)加工場(chǎng)景的適用性。

1 智能制造教學(xué)場(chǎng)景機(jī)械臂數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架

1.1 機(jī)械臂物理實(shí)體

通過機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)流水化生產(chǎn)，對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)行具有較高的要求。通常情況下，機(jī)械臂關(guān)節(jié)越多，機(jī)械控制越久越靈活。在物理實(shí)體設(shè)計(jì)時(shí)，需要做好關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)工作，使關(guān)節(jié)之間能夠有效配合，使機(jī)械臂能夠完成各種操作，保障機(jī)械臂的工作質(zhì)量。以KUKAKR6sixx系列的六軸機(jī)械臂為例，各個(gè)關(guān)節(jié)之間具有良好的協(xié)調(diào)性，能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行準(zhǔn)確抓取，并且可以對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而快速地對(duì)物體進(jìn)行操作。機(jī)械臂對(duì)控制效果具有較高要求，其運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性將會(huì)影響到控制的效率，因而需要做好機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，使其具有良好的物理結(jié)構(gòu)，能夠承擔(dān)各種機(jī)械操作[1]。

1.2 機(jī)械臂DT模型

機(jī)械臂需要采用多模型結(jié)構(gòu)，使各個(gè)模型能夠獨(dú)立工作，同時(shí)注重模型之間的配合，共同組成穩(wěn)定的DT模型。機(jī)械臂需要具有完善的模型結(jié)構(gòu)，需要注重三維設(shè)計(jì)模型的實(shí)現(xiàn)，為其他模型的工作提供重要基礎(chǔ)，形成有效的控制手段。在機(jī)械臂DT模型中，需要注重機(jī)械臂的串聯(lián)特性，使其具有良好的傳動(dòng)效果，并且需要提高數(shù)字化的應(yīng)用，為機(jī)械臂的運(yùn)行搭建良好的仿真環(huán)境。通過這種方式，可以對(duì)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程進(jìn)行展示，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作的進(jìn)行。而且，可以將仿真過程制作成動(dòng)畫形式，使機(jī)械臂的仿真效果更加的直觀，可以起到較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)展示作用。

1.3 虛實(shí)雙向交互

物理實(shí)體與DT虛擬實(shí)體需要具有交互能力，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行有效的控制，提高機(jī)械臂的控制效果。在虛實(shí)雙向交互過程中，需要做好數(shù)據(jù)的處理工作，使機(jī)械臂具有虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的效果，提高DT模型對(duì)物理實(shí)體的控制能力，保障虛實(shí)雙向交互的控制精度，建立有效地?cái)?shù)字控制手段。另外，通過虛實(shí)雙向交互可以對(duì)誤差進(jìn)行仿真，能夠?qū)C(jī)械臂的運(yùn)行誤差進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的機(jī)械臂控制效果。

1.4 模型集成仿真

機(jī)械臂需要基于多模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，注重對(duì)模型信息的轉(zhuǎn)化，對(duì)DT虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建，保證各個(gè)模型能夠有效集成。在機(jī)械臂系統(tǒng)中存在著較多的模型結(jié)構(gòu)，對(duì)模型之間的工作具有較高的要求，需要采用仿真的方式對(duì)模型進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)流程化生產(chǎn)，對(duì)機(jī)械臂形成有效控制。而且，通過集成仿真形式，使機(jī)械臂能夠穩(wěn)定地工作。對(duì)模型進(jìn)行集成仿真時(shí)，需要注重模型數(shù)據(jù)的可視化，便于對(duì)數(shù)據(jù)的控制效果進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)，可以對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1.5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

在構(gòu)建機(jī)械臂教學(xué)資源時(shí)，需要做好資源的組建工作，注重虛擬空間模型的應(yīng)用。首先，需要合理進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，保障機(jī)械模型具有良好的物理結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的完整性。其次，需要做好DT仿真模型的構(gòu)建，建立完善的交互形式，使模型之間能夠協(xié)同工作。最后，需要注重教學(xué)資源庫的構(gòu)建，將機(jī)械臂DT試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在資源庫中，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，提高教學(xué)資源的全面性。

2 智能制造教學(xué)場(chǎng)景機(jī)械臂數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型

2.1 機(jī)械臂設(shè)計(jì)模型

機(jī)械臂需要采用三維設(shè)計(jì)模型，以3D模型作為機(jī)械設(shè)計(jì)的載體，提高機(jī)械臂設(shè)計(jì)的規(guī)范性。機(jī)械臂設(shè)計(jì)過程中，需要注重制造和維護(hù)過程，將其考慮在模型設(shè)計(jì)中，賦予機(jī)械臂易于維護(hù)的特征。機(jī)械臂具有較多的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，雖然可以提高機(jī)械臂的運(yùn)行能力，但也會(huì)增加其控制的困難程度。因此，做好機(jī)械臂模型的設(shè)計(jì)工作較為重要，是保障機(jī)械臂穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[2]。

2.2 樣機(jī)仿真模型

為了對(duì)機(jī)械臂模型的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，需要注重虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)機(jī)械臂的性能進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)做好機(jī)械臂的優(yōu)化工作。為此，需要對(duì)機(jī)械臂的仿真模型進(jìn)行構(gòu)建，通過仿真模型來反映樣機(jī)的性能，對(duì)樣機(jī)性能進(jìn)行有效評(píng)估。通過樣機(jī)仿真模型，可以直觀地反映機(jī)械臂的運(yùn)行效果，有助于虛實(shí)融合過程的進(jìn)行，便于對(duì)樣機(jī)仿真過程進(jìn)行控制，使樣機(jī)能夠更好地向?qū)嶓w進(jìn)行轉(zhuǎn)化，保障樣機(jī)設(shè)計(jì)的完善性。

2.3 軌跡規(guī)劃模型

為了對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)行軌跡進(jìn)行探究，需要將軌跡規(guī)劃模型應(yīng)用在功能驗(yàn)證中，對(duì)機(jī)械臂的控制效果進(jìn)行分析，使其能夠在空間中無死角運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)物體的移動(dòng)進(jìn)行控制，使機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)流程化生產(chǎn)。在分析運(yùn)行軌跡時(shí)，需要基于運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行展開，對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，保障機(jī)械臂的工作效率。為了使軌跡規(guī)劃更加的精準(zhǔn)，需要對(duì)軌跡規(guī)劃算法進(jìn)行應(yīng)用，提高控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軌跡的準(zhǔn)確控制。

2.4 故障診斷模型

機(jī)械臂運(yùn)行過程中，將會(huì)逐漸發(fā)生機(jī)械損耗，導(dǎo)致機(jī)械的運(yùn)行精度下降，不利于機(jī)械控制的實(shí)現(xiàn)。為此，需要建立機(jī)械臂的故障診斷模型，采用DT故障診斷的形式，對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以起到良好的故障診斷效果。而且，通過故障診斷可以對(duì)機(jī)械臂運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其運(yùn)行軌跡更加的精準(zhǔn)，促進(jìn)機(jī)械臂控制精度的提升。故障診斷模型可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)機(jī)械損耗具有預(yù)測(cè)功能，進(jìn)而對(duì)機(jī)械部件及時(shí)進(jìn)行更換，降低機(jī)械損耗對(duì)運(yùn)行精度的影響，提高機(jī)械臂的運(yùn)行控制效果。[3]

3 智能制造教學(xué)場(chǎng)景機(jī)械臂多模型DT構(gòu)建

通過DT構(gòu)建可以促進(jìn)多模型的融合，提高機(jī)械臂工作結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有助于對(duì)智能教學(xué)場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建，提高機(jī)械臂的工作效率。DT模型的構(gòu)建過程如下：首先，需要應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)機(jī)械裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲取模型的結(jié)構(gòu)尺寸信息，提高對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析效率。為了提高模型管理的效率，需要將設(shè)計(jì)模型采用XML文件進(jìn)行描述，便于對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行糾正。其次，需要建立模型的映射關(guān)系，將設(shè)計(jì)模型向仿真模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，同時(shí)需要注重反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，提高模型控制的精準(zhǔn)性。最后，需要建立機(jī)械臂的仿真模型，對(duì)機(jī)械臂運(yùn)行控制效果進(jìn)行仿真，對(duì)控制精度進(jìn)行驗(yàn)證，保障模型轉(zhuǎn)化的實(shí)際效果。

4 智能制造教學(xué)場(chǎng)景機(jī)械臂數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)分析

4.1 模型仿真實(shí)驗(yàn)

機(jī)械臂需要采用三維模型進(jìn)行仿真，對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究，保障關(guān)節(jié)的運(yùn)行控制效果。對(duì)模型進(jìn)行仿真時(shí)，需要注重SolidWorks裝配模型的應(yīng)用，使各個(gè)關(guān)節(jié)之間具有良好的耦合關(guān)系，對(duì)模型控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，需要將三維模型引入到虛擬仿真環(huán)境，在運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行仿真，保障DT模型構(gòu)建的合理性。為了提高運(yùn)行仿真模型的可視性，需要在可視化仿真環(huán)境中進(jìn)行，對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)行狀況進(jìn)行動(dòng)畫展示，使DT實(shí)驗(yàn)控制效果更加的直觀。通過模型仿真實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)多模型DT仿真進(jìn)行驗(yàn)證，確保機(jī)械臂模型設(shè)計(jì)的合理性[4]。

4.2 軌跡仿真實(shí)驗(yàn)

通過軌跡仿真實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)行軌跡精度進(jìn)行檢驗(yàn)，提高機(jī)械臂運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)械臂軌跡仿真主要分為兩個(gè)方面：一方面，需要對(duì)關(guān)節(jié)角進(jìn)行仿真，確定機(jī)械關(guān)節(jié)的角度變化，使其在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)運(yùn)行角度進(jìn)行控制，使其能夠穩(wěn)定地運(yùn)行。在軌跡仿真時(shí)，需要每隔2s對(duì)關(guān)節(jié)所在空間進(jìn)行一次記錄，確保關(guān)節(jié)角軌跡的合理性，保證關(guān)節(jié)能夠快速進(jìn)行移動(dòng)。另一方面，需要對(duì)末端執(zhí)行器的線速度進(jìn)行仿真，對(duì)軌跡運(yùn)行的速度進(jìn)行控制，保障機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，并且有助于對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。[5]

5 結(jié)論

綜上所述，通過數(shù)字孿生可以保證機(jī)械臂的功能性，使機(jī)械臂能夠滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，將智能制造理論融入其中，提高機(jī)械加工的效率。在機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)過程中，需要注重?cái)?shù)字技術(shù)和DT技術(shù)的應(yīng)用，將兩者結(jié)合起來展開實(shí)驗(yàn)，可以更好地對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)行效果進(jìn)行展示，使機(jī)械臂具有多模型的特點(diǎn)，使其功能更加的完善。