基于機械臂3D陶土打印技術(shù)及其數(shù)字孿生工廠構(gòu)建

摘"要：3D打印技術(shù)已經(jīng)成為最具顛覆性的技術(shù)之一，為解決現(xiàn)有3D打印建造模式中依舊存在無法持續(xù)供料的問題，提出了一種新型的機器人3D打印加工系統(tǒng)。借助硬件裝配和軟件設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化、穩(wěn)定和協(xié)同工作。同時，通過對機器人3D打印加工系統(tǒng)的控制對陶土實體進(jìn)行了打印。結(jié)果表明，陶土實體打印誤差控制在2%以內(nèi)，驗證了其在實際工程中的應(yīng)用價值。最后設(shè)計和搭建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的3D打印數(shù)字工廠，引入了數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)了實時監(jiān)控和控制功能，完善了設(shè)計和建造一體化。

關(guān)鍵詞：智能建造；機器人系統(tǒng)；3D打??；數(shù)字孿生

中圖分類號：TU689""""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research"on"the"3D"Clay"Printing"Technology"Based

on"Robotic"Arm"and"Construction"of"Digital"Twin"Factory

GAO"Tian1，CUI"Kaili1，QIAO"Wentao1，2，YANG"Sinan1，WANG"Mengbo1

（1."School"of"Civil"Engineering，Shijiazhuang"Tiedao"University，Shijiazhuang，Hebei"050043，China；

2."Key"Laboratory"of"Roads"and"Railway"Engineering"Safety"Control"（Shijiazhuang"Tiedao"University），

Ministry"of"Education，"Shijiazhuang，"Hebei"050043，China）

Abstract：3D"printing"technology"has"become"one"of"the"most"disruptive"technologies."To"address"the"persistent"issue"of"unsustainable"feeding"in"current"3D"printing"construction"methods，"a"novel"robotic"3D"printing"processing"system"has"been"proposed."Through"hardware"assembly"and"software"design，"the"system’s"automation，"stability，"and"collaborative"work"have"been"achieved."Simultaneously，"control"over"the"robotic"3D"printing"processing"system"was"applied"to"print"ceramic"entities."The"results"indicate"that"the"printing"error"of"ceramic"entities"is"controlled"within"2%，"validating"its"practical"engineering"application."Finally，"a"3D"printing"digital"factory"based"on"digital"twin"technology"was"designed"and"established，"introducing"realtime"monitoring"and"control"function"through"digital"twin"technology，"thereby"enhancing"integration"between"design"and"construction.

Key"words："intelligent"construction；"robot"system；"3D"printing；digital"twin

隨著現(xiàn)代科技的蓬勃發(fā)展，建筑行業(yè)所面臨的生產(chǎn)效率低、設(shè)備落后、勞動力短缺、重硬件輕軟件等問題亟待解決[1]。建筑行業(yè)迫切需要實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，不僅需要從粗放式、碎片化的建造模式轉(zhuǎn)向信息化、智能化的高質(zhì)量建造[2]，提供更高品質(zhì)的工程，還需要轉(zhuǎn)變建造動力，從依靠資源與勞動力等要素投入轉(zhuǎn)為創(chuàng)新性建造實現(xiàn)綠色化、工業(yè)化、智能化建造[3]。如今，智能建造和信息技術(shù)的快速發(fā)展以及在建筑業(yè)的應(yīng)用，也使建造過程中開展對“人、機、料、法、環(huán)”的管理成為現(xiàn)實[4]，逐步實現(xiàn)對傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和資源優(yōu)化[5]。參數(shù)化設(shè)計的出現(xiàn)改變現(xiàn)有的建模方式和思維，在未來的建筑設(shè)計研究方面有很大的發(fā)展前景[6]。其中3D打印技術(shù)完美地呈現(xiàn)了一種新的想法，從原先的減材建造思維中創(chuàng)造出的新型增材建造思維[7]。3D打印技術(shù)經(jīng)過持續(xù)多年的發(fā)展，開發(fā)了許多種成型技術(shù)，并由此衍生了許多種加工過程穩(wěn)定、成型精度高的3D打印裝置。將3D打印技術(shù)與機械臂相結(jié)合，機械臂作為多自由度的運動裝置，具備高度靈活性和精確性，為實現(xiàn)建筑設(shè)計與建造的一體化、智能化提供了有力支持。同時，數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了對建造過程的實時監(jiān)控、掌控和終止等，進(jìn)一步完善了設(shè)計與建造的協(xié)同性。

基于機械臂的3D陶土打印技術(shù)及其數(shù)字孿生工廠構(gòu)建，通過硬件裝配和軟件設(shè)計的優(yōu)化，搭建完整的機械臂3D陶土打印加工系統(tǒng)，通過實體打印實驗驗證機械臂3D陶土打印加工系統(tǒng)的可行性。同時，設(shè)計構(gòu)建數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的3D打印數(shù)字工廠，運用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)控和控制，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的智能化管理和優(yōu)化。

1"機器人3D打印加工系統(tǒng)

機器人3D打印加工系統(tǒng)由3D打印系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)組成。3D打印系統(tǒng)包括供料系統(tǒng)和傳送擠出系統(tǒng)。供料系統(tǒng)通過剛性連接固定在傳送系統(tǒng)上方，傳送系統(tǒng)則通過螺栓緊固于高鋁型材框架上，以確?？煽亢瓦B續(xù)地輸送打印材料。傳送擠出系統(tǒng)通過連接件與機器人系統(tǒng)的六軸機械手臂連接，打印平臺在低鋁型材框架上通過螺栓牢固固定，以實現(xiàn)機械手臂的操作半徑全覆蓋打印。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1"系統(tǒng)各硬件構(gòu)成

傳統(tǒng)的3D打印系統(tǒng)通過直接向擠出裝置添加打印材料進(jìn)行實體打印。本文所提出的機器人3D打印加工系統(tǒng)中，采用了獨立的供料系統(tǒng)，通過向供料系統(tǒng)注入打印材料來實現(xiàn)3D打印的持續(xù)性。該供料系統(tǒng)由供料桶、升降結(jié)構(gòu)、擠壓結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)組成。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

擠壓結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)是供料系統(tǒng)的核心。擠壓結(jié)構(gòu)通過氣孔擠壓板的分布控制儲料桶的氣壓。調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)通過齒輪和步進(jìn)旋轉(zhuǎn)電機調(diào)節(jié)擠壓板的角度，通過大小齒輪的轉(zhuǎn)動控制氣孔位置，實現(xiàn)對供料桶氣壓的控制。

當(dāng)需要向傳送裝置輸送打印材料時，通過步進(jìn)轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)動小齒輪帶動大齒輪和上側(cè)擠壓板順時針旋轉(zhuǎn)90°實現(xiàn)氣孔錯位分布，形成擠壓空間，向下擠壓材料。材料輸送完畢后，逆時針旋轉(zhuǎn)90°實現(xiàn)氣孔交疊分布，保持氣壓一致，避免材料反流。為確保3D打印材料的穩(wěn)定輸送，采用步進(jìn)轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動機制，通過升降結(jié)構(gòu)將擠壓結(jié)構(gòu)移出儲料桶，加入新材料，循環(huán)操作實現(xiàn)連續(xù)打印。同時也確保了3D打印過程的穩(wěn)定性和質(zhì)量。擠壓結(jié)構(gòu)的不同狀態(tài)如圖3所示。

傳送擠出系統(tǒng)由57步進(jìn)轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動的螺桿、豎形桶、機械連接件和柔性管道組成。系統(tǒng)采用螺桿驅(qū)動類方式實現(xiàn)連續(xù)傳送和擠出打印材料，利用57步進(jìn)旋轉(zhuǎn)電機提供持續(xù)轉(zhuǎn)動動力。螺桿通過Arduino微控制器控制轉(zhuǎn)動速度，并與機器人系統(tǒng)進(jìn)行信號協(xié)同交互，實現(xiàn)對打印速度和質(zhì)量的控制。

機器人系統(tǒng)由機械手臂、邏輯控制柜、手持示教器和連接線纜組成。采用工業(yè)庫卡（KUKA）機器人KR10R1100six。機器人作為3D打印加工系統(tǒng)的運動裝置，通過執(zhí)行SRC文件指令控制加工過程，借助手持示教器進(jìn)行指令轉(zhuǎn)譯和驅(qū)動機械手臂運動。

1.2"機器人3D打印加工系統(tǒng)協(xié)同控制

機器人3D打印加工系統(tǒng)在實際打印過程中，其核心部分為控制系統(tǒng)，其中各個系統(tǒng)的自動化控制，涉及機器人系統(tǒng)和外部3D打印系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)。具體機器人3D打印加工系統(tǒng)協(xié)同控制如圖4所示。

機器人系統(tǒng)采用封閉型結(jié)構(gòu)，通過機器人離線編程和路徑規(guī)劃實現(xiàn)打印對象的參數(shù)化建模和模擬。除機器人系統(tǒng)以外的系統(tǒng)設(shè)備需通過PLC自動化技術(shù)來實現(xiàn)與機器人系統(tǒng)進(jìn)行信號協(xié)同交互，從而實現(xiàn)機器人3D打印加工系統(tǒng)的自動化控制。

3D打印系統(tǒng)的自動化控制以Arduino微控制器為中心，控制各個電子元件的工作狀態(tài)。通過設(shè)計完整的硬件線路連接并形成有效的信號交互控制，借助Arduino技術(shù)和機械臂控制系統(tǒng)協(xié)同控制。確保機械臂與外設(shè)硬件之間穩(wěn)定協(xié)同運行。

2"3D陶土實例打印建造

2.1"參數(shù)化模型及路徑模擬

結(jié)合Grasshopper軟件和Rhino軟件采用參數(shù)化建模方法構(gòu)建模型，通過操控節(jié)點、尺寸和形狀參數(shù)來實現(xiàn)最佳建構(gòu)方案。雖然Grasshopper軟件可用于路徑設(shè)計，但在轉(zhuǎn)譯機器人可識別程序時存在一些問題。通過使用KUKA|prc插件，可以解決這個問題，并實現(xiàn)對庫卡機器人的全方位工程實踐模擬，同時能夠以圖形形式映射機器人所有軸的運動，并通過參數(shù)化設(shè)計方法對路徑進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以找到完成加工任務(wù)的最佳路徑方案。通過對機器人進(jìn)行仿真模擬，可以預(yù)處理碰撞和軸限位等問題，從而提高實際建造過程的效率。

基于參數(shù)化模型建構(gòu)，將打印模型的第一層作為參數(shù)化的第一項，當(dāng)初始層面確立后，將打印層數(shù)、中間層凹陷程度和中間層位置作為下一步參數(shù)化指數(shù)，得到最終模型的中間層面和最終層面。

因為在實際打印過程中需要頻繁地改變方向，容易導(dǎo)致角部出現(xiàn)折角問題，極容易造成打印路徑折斷，影響美觀。因此，通過采用“回”字形打印路徑法優(yōu)化打印效果，避免折角和路徑中斷等問題的出現(xiàn)。

同時，通過對實際打印過程中層與層之間轉(zhuǎn)換位置可能引起的打印材料堆積問題進(jìn)行分析，利用Grasshopper軟件進(jìn)行路徑優(yōu)化，如圖5所示。以獲取最佳的打印路徑，進(jìn)而生成最終打印路徑。

2.2"機器人3D打印加工系統(tǒng)的組裝與調(diào)試

機器人3D打印加工系統(tǒng)通過將3D打印系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)和高低鋁型材框架固定裝置組合搭建完成原型機的組建。系統(tǒng)之間通過機械、線纜和螺栓連接相互關(guān)聯(lián)，并進(jìn)行位置調(diào)整以滿足實際打印需求。在程序參數(shù)設(shè)置與調(diào)試階段，通過Arduino"IDE編寫清晰的程序代碼，實現(xiàn)多運行流程的協(xié)同控制。Grasshopper軟件中的KUKA|prc生成于控制工業(yè)機器人運動的SRC文件。根據(jù)實際需求進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和調(diào)整打印路徑，調(diào)整電機轉(zhuǎn)速以控制擠出量。通過穩(wěn)定的信號傳輸和協(xié)同交互實現(xiàn)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)工作。調(diào)試過程中，插入數(shù)字信號和等待時間確保打印材料傳送到位。最終，程序按預(yù)設(shè)步驟運行，完成3D打印任務(wù)，機器人3D打印加工系統(tǒng)組裝調(diào)試完成后如圖6所示。

2.3"陶土材料及打印參數(shù)選用

3D陶土打印加工過程中，陶土材料需要通過分析其材料特性和力學(xué)性能后進(jìn)行選擇。建水白陶具有高硬度、適中黏稠度和多樣化的塑形特性，適用于3D陶土打印應(yīng)用。同時，對陶土打印過程中的擠出質(zhì)量進(jìn)行評估，包括擠出均勻性、層間間距和實際輪廓。通過調(diào)整陶土材料的含水率、步進(jìn)轉(zhuǎn)動電機的轉(zhuǎn)動速度和擠出裝置的向上偏移路徑距離來優(yōu)化打印參數(shù)。

根據(jù)陶土材料的含水率計算公式選擇并結(jié)合陶土原土材料的情況依次劃分含水率分別為5％、10％、15％、20％如圖7所示。

通過分析，選擇含水率為15％的陶土材料，打印口徑為5"mm，噴頭距路徑偏移為8"mm，步進(jìn)轉(zhuǎn)動電機驅(qū)動器選擇1、2/A、4、16細(xì)分。進(jìn)行第一組模擬試驗。陶土材料擠出結(jié)果對比如圖8所示。

通過打印實驗可知，陶土含水率為15％、細(xì)分控制為4和擠出裝置向上偏移路徑距離為7"mm機器人3D打印加工系統(tǒng)最佳的打印參數(shù)，打印時系統(tǒng)運行狀態(tài)最佳。

2.4"實際建造流程

在基于模型、硬件和軟件的基礎(chǔ)上，使用FDM層積成型方法進(jìn)行3D打印。通過調(diào)整參數(shù)和協(xié)同運行，機器人3D打印加工系統(tǒng)能夠根據(jù)實體模型進(jìn)行精準(zhǔn)的3D打印。具體步驟如下：

1）調(diào)整擠出裝置并測量工具坐標(biāo)。

2）測定基坐標(biāo)。

3）路徑和Arduino程序的導(dǎo)出和輸入。

4）控制柜PLC與Arduino微控制器的信號交互。

5）自動化打印工作

模型的3D打印過程如圖10所示。

3"基于數(shù)據(jù)可視化3D打印數(shù)字工廠

3.1"3D打印數(shù)字工廠的整體布置

為了滿足建筑行業(yè)向信息化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運而生，信息物理系統(tǒng)利用信息化技術(shù)和自動化控制技術(shù)，將信息世界和物理世界的對應(yīng)數(shù)據(jù)和要素進(jìn)行有效融合，實現(xiàn)物理世界向信息世界的數(shù)據(jù)映射，并通過這些數(shù)據(jù)和要素建立一個實時交互、協(xié)同合作的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上提出一種基于3D打印技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合的3D打印數(shù)字工廠設(shè)計。

該工廠包含多條生產(chǎn)線，以滿足現(xiàn)代工廠對多樣化和多功能化的需求，如圖11所示。其中，陶土工藝品生產(chǎn)線、陶土模板混凝土加工生產(chǎn)線構(gòu)成了該工廠的核心部分。陶土工藝品生產(chǎn)線和陶土模板生產(chǎn)線通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)和智能化生產(chǎn)。

3.1.1"陶土工藝品生產(chǎn)線區(qū)域布置

現(xiàn)代陶土工藝品生產(chǎn)面臨效率低下、質(zhì)量不穩(wěn)定和成本增加的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些問題，提出了陶土智能生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線涵蓋了陶土工藝品加工生產(chǎn)的全過程，包括多個加工工藝和功能分區(qū)。

在打印材料制備區(qū)，通過抽樣檢測和配比攪拌工藝，準(zhǔn)備符合要求的陶土打印材料。陶土工藝品打印及后處理區(qū)負(fù)責(zé)實際的打印和后續(xù)處理，通過機器人3D打印加工系統(tǒng)實現(xiàn)精確打印，然后進(jìn)行烘烤成型、質(zhì)量檢測和最終的打磨修飾。通過構(gòu)件掃描區(qū)進(jìn)行單體成品掃描，然后進(jìn)行拼裝和最終裝配。陶土智能生產(chǎn)線利用配套機械臂的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)了自動化和高效化的生產(chǎn)過程。

3.1.2"陶土模板及混凝土加工生產(chǎn)線區(qū)域布置

該生產(chǎn)線由陶土模板及鋼筋加工生產(chǎn)線和混凝土打印生產(chǎn)線組成，為解決傳統(tǒng)模板成本高、回收利用率低的問題而設(shè)計。陶土模板及鋼筋加工生產(chǎn)線負(fù)責(zé)制作構(gòu)件模板和鋼筋排布，而混凝土打印生產(chǎn)線則負(fù)責(zé)混凝土打印和養(yǎng)護(hù)工作。通過協(xié)同工作，這條生產(chǎn)線實現(xiàn)了高效、低成本的混凝土構(gòu)件制造，并充分利用原料，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3.2"基于MES系統(tǒng)的3D打印數(shù)字工廠虛實交

互設(shè)計

3.2.1"3D打印數(shù)字工廠數(shù)據(jù)映射

基于3D打印數(shù)字工廠的產(chǎn)線布置和裝置設(shè)計，采用了模塊化和層次化的方法，開發(fā)MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）平臺頁面，旨在實現(xiàn)智能化管理。

該平臺集成了數(shù)據(jù)采集、可視化展示和設(shè)備管理功能，并建立了主要功能頁面模塊。人員登錄MES系統(tǒng)平臺后，能夠?qū)?D打印數(shù)字工廠進(jìn)行全面管理，如圖12所示。

通過對3D打印數(shù)字工廠MES系統(tǒng)平臺的布局和規(guī)劃，結(jié)合與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互，能夠?qū)崟r提取和分析數(shù)據(jù)，并在平臺上進(jìn)行展示，實現(xiàn)了對3D打印數(shù)字工廠的數(shù)據(jù)映射。

3.2.2"工廠生產(chǎn)與設(shè)備物聯(lián)與大數(shù)據(jù)交互

數(shù)字工廠的產(chǎn)線與設(shè)備物聯(lián)與大數(shù)據(jù)交互是實際生產(chǎn)中的重要問題。通過實時監(jiān)控生產(chǎn)線情況、實時交互生產(chǎn)數(shù)據(jù)和實時分析設(shè)備運行狀況，可以預(yù)防故障和問題的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低成本。3D打印數(shù)字工廠的功能需求包括生產(chǎn)線展示、生產(chǎn)流程、設(shè)備工具等模塊。

在生產(chǎn)線展示頁面中，通過實時填寫產(chǎn)品信息和展示原材料供需情況，實現(xiàn)定制化生產(chǎn)和優(yōu)化供應(yīng)鏈管理。

生產(chǎn)流程頁面展示了原材料處理、構(gòu)件加工和養(yǎng)護(hù)存放的實時交互數(shù)據(jù)，幫助實時調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)流程。設(shè)備工具頁面展示設(shè)備基本信息、運行狀態(tài)和能耗監(jiān)測，實現(xiàn)設(shè)備的實時分析和管理。這些功能能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字工廠產(chǎn)線與設(shè)備物聯(lián)與大數(shù)據(jù)的實時交互，提升生產(chǎn)效率和效益。生產(chǎn)流程中原材料處理平臺頁面如圖13所示。

3.2.3"工廠運維與環(huán)保物聯(lián)與大數(shù)據(jù)交互

3D打印數(shù)字工廠的運維和環(huán)保是確保其正常運行和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。為實現(xiàn)有效管理和協(xié)調(diào)工廠運營活動，對運營維護(hù)系統(tǒng)和環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。

運營維護(hù)系統(tǒng)是綜合管理系統(tǒng)，包括人員管理、物料管理、安全管理、消防管理、能耗管理和成本管理等功能模塊，旨在科學(xué)制定生產(chǎn)計劃、優(yōu)化采購流程、提高財務(wù)效率和優(yōu)化資源配置，如圖14所示。

環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)通過實時監(jiān)測工廠產(chǎn)線中的廢氣、廢水、廢料和噪聲等環(huán)境污染因素，對生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的超標(biāo)情況進(jìn)行實時記錄、控制和治理，如圖15所示。

運營維護(hù)和環(huán)保檢測系統(tǒng)通過合理的頁面布局和功能設(shè)計，能夠有效管理和協(xié)調(diào)工廠運營活動，確保環(huán)境保護(hù)措施的執(zhí)行，實現(xiàn)工廠的高效運行和可持續(xù)發(fā)展。

4"結(jié)"論

提出了一種基于機器人的3D打印加工系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進(jìn)行了原型機的建造與實體性能評估，同時引入3D打印數(shù)字工廠，并對該數(shù)字工廠的產(chǎn)線布置、數(shù)字孿生和MES管理系統(tǒng)頁面進(jìn)行設(shè)計和構(gòu)建，可得出以下結(jié)論：

1）基于機器人的3D打印加工系統(tǒng)通過軟硬件信號交互控制，實現(xiàn)了高度一體化和穩(wěn)定的協(xié)同工作，可以實現(xiàn)其預(yù)設(shè)功能，其誤差控制在2%以內(nèi)，驗證了該系統(tǒng)的可行性。

2）通過設(shè)計多條協(xié)同生產(chǎn)線，對數(shù)字工廠布局進(jìn)行了合理規(guī)劃。

3）使用MES管理系統(tǒng)實時操作、監(jiān)控和管控，實現(xiàn)物理工廠向信息管理平臺的數(shù)據(jù)映射，從而提升生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品質(zhì)量；通過實時數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)模擬來把握生產(chǎn)進(jìn)度和安排，從而降低生產(chǎn)成本和生產(chǎn)風(fēng)險。

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