智能制造教學場景機械臂數字孿生實驗研究

劉百辰

（常州信息職業技術學院，江蘇 常州 213164）

受到智能化的影響，對機械臂系統具有更好的要求，機械臂需要具有智能制造的條件，保障機械制造的穩定性。數字孿生（DT）是數字化與仿真的結合，可以有效地對機械臂進行分析，提高機械臂對加工場景的適用性。

1 智能制造教學場景機械臂數字孿生實驗系統框架

1.1 機械臂物理實體

通過機械臂可以實現流水化生產，對關節運行具有較高的要求。通常情況下，機械臂關節越多，機械控制越久越靈活。在物理實體設計時，需要做好關節的設計工作，使關節之間能夠有效配合，使機械臂能夠完成各種操作，保障機械臂的工作質量。以KUKAKR6sixx系列的六軸機械臂為例，各個關節之間具有良好的協調性，能夠對物體進行準確抓取，并且可以對運行狀態進行調控，進而快速地對物體進行操作。機械臂對控制效果具有較高要求，其運轉的靈活性將會影響到控制的效率，因而需要做好機械臂結構的設計工作，使其具有良好的物理結構，能夠承擔各種機械操作[1]。

1.2 機械臂DT模型

機械臂需要采用多模型結構，使各個模型能夠獨立工作，同時注重模型之間的配合，共同組成穩定的DT模型。機械臂需要具有完善的模型結構，需要注重三維設計模型的實現，為其他模型的工作提供重要基礎，形成有效的控制手段。在機械臂DT模型中，需要注重機械臂的串聯特性，使其具有良好的傳動效果，并且需要提高數字化的應用，為機械臂的運行搭建良好的仿真環境。通過這種方式，可以對機械的運轉過程進行展示，有助于實驗教學工作的進行。而且，可以將仿真過程制作成動畫形式，使機械臂的仿真效果更加的直觀，可以起到較強的實驗展示作用。

1.3 虛實雙向交互

物理實體與DT虛擬實體需要具有交互能力，對機械臂進行有效的控制，提高機械臂的控制效果。在虛實雙向交互過程中，需要做好數據的處理工作，使機械臂具有虛實聯動的效果，提高DT模型對物理實體的控制能力，保障虛實雙向交互的控制精度，建立有效地數字控制手段。另外，通過虛實雙向交互可以對誤差進行仿真，能夠對機械臂的運行誤差進行控制，實現穩定的機械臂控制效果。

1.4 模型集成仿真

機械臂需要基于多模型結構進行實現，注重對模型信息的轉化，對DT虛擬現實場景進行構建，保證各個模型能夠有效集成。在機械臂系統中存在著較多的模型結構，對模型之間的工作具有較高的要求，需要采用仿真的方式對模型進行調節，使機械臂能夠實現流程化生產，對機械臂形成有效控制。而且，通過集成仿真形式，使機械臂能夠穩定地工作。對模型進行集成仿真時，需要注重模型數據的可視化，便于對數據的控制效果進行檢驗，同時，可以對機械臂的運行數據進行展示，實現良好的實驗教學效果。

1.5 實驗教學資源

在構建機械臂教學資源時，需要做好資源的組建工作，注重虛擬空間模型的應用。首先，需要合理進行模型設計，對機械臂的結構進行完善，保障機械模型具有良好的物理結構，提高機械臂結構的完整性。其次，需要做好DT仿真模型的構建，建立完善的交互形式，使模型之間能夠協同工作。最后，需要注重教學資源庫的構建，將機械臂DT試驗數據存儲在資源庫中，方便對數據進行展示，提高教學資源的全面性。

2 智能制造教學場景機械臂數字孿生實驗系統模型

2.1 機械臂設計模型

機械臂需要采用三維設計模型，以3D模型作為機械設計的載體，提高機械臂設計的規范性。機械臂設計過程中，需要注重制造和維護過程，將其考慮在模型設計中，賦予機械臂易于維護的特征。機械臂具有較多的關節結構，雖然可以提高機械臂的運行能力，但也會增加其控制的困難程度。因此，做好機械臂模型的設計工作較為重要，是保障機械臂穩定運行的基礎[2]。

2.2 樣機仿真模型

為了對機械臂模型的合理性進行驗證，需要注重虛擬樣機技術的應用，對機械臂的性能進行驗證，同時做好機械臂的優化工作。為此，需要對機械臂的仿真模型進行構建，通過仿真模型來反映樣機的性能，對樣機性能進行有效評估。通過樣機仿真模型，可以直觀地反映機械臂的運行效果，有助于虛實融合過程的進行，便于對樣機仿真過程進行控制，使樣機能夠更好地向實體進行轉化，保障樣機設計的完善性。

2.3 軌跡規劃模型

為了對機械臂的運行軌跡進行探究，需要將軌跡規劃模型應用在功能驗證中，對機械臂的控制效果進行分析，使其能夠在空間中無死角運轉，對物體的移動進行控制，使機械臂能夠實現流程化生產。在分析運行軌跡時，需要基于運動模型進行展開，對機械臂的運動軌跡進行仿真，保障機械臂的工作效率。為了使軌跡規劃更加的精準，需要對軌跡規劃算法進行應用，提高控制系統對機械臂的驅動能力，進而實現軌跡的準確控制。

2.4 故障診斷模型

機械臂運行過程中，將會逐漸發生機械損耗，導致機械的運行精度下降，不利于機械控制的實現。為此，需要建立機械臂的故障診斷模型，采用DT故障診斷的形式，對機械臂的運行數據進行分析，可以起到良好的故障診斷效果。而且，通過故障診斷可以對機械臂運行狀態進行調整，使其運行軌跡更加的精準，促進機械臂控制精度的提升。故障診斷模型可以對歷史數據進行記錄，對機械損耗具有預測功能，進而對機械部件及時進行更換，降低機械損耗對運行精度的影響，提高機械臂的運行控制效果。[3]

3 智能制造教學場景機械臂多模型DT構建

通過DT構建可以促進多模型的融合，提高機械臂工作結構的穩定性，有助于對智能教學場景進行構建，提高機械臂的工作效率。DT模型的構建過程如下：首先，需要應用SolidWorks軟件對機械裝配結構進行分析，獲取模型的結構尺寸信息，提高對機械結構的分析效率。為了提高模型管理的效率，需要將設計模型采用XML文件進行描述，便于對模型參數進行糾正。其次，需要建立模型的映射關系，將設計模型向仿真模型進行轉化，同時需要注重反饋環節的設計，提高模型控制的精準性。最后，需要建立機械臂的仿真模型，對機械臂運行控制效果進行仿真，對控制精度進行驗證，保障模型轉化的實際效果。

4 智能制造教學場景機械臂數字孿生實驗分析

4.1 模型仿真實驗

機械臂需要采用三維模型進行仿真，對關節的運行狀態進行研究，保障關節的運行控制效果。對模型進行仿真時，需要注重SolidWorks裝配模型的應用，使各個關節之間具有良好的耦合關系，對模型控制效果進行驗證。同時，需要將三維模型引入到虛擬仿真環境，在運動學的角度對機械臂進行仿真，保障DT模型構建的合理性。為了提高運行仿真模型的可視性，需要在可視化仿真環境中進行，對機械臂的運行狀況進行動畫展示，使DT實驗控制效果更加的直觀。通過模型仿真實驗，可以對多模型DT仿真進行驗證，確保機械臂模型設計的合理性[4]。

4.2 軌跡仿真實驗

通過軌跡仿真實驗，可以對機械臂的運行軌跡精度進行檢驗，提高機械臂運行的穩定性。機械臂軌跡仿真主要分為兩個方面：一方面，需要對關節角進行仿真，確定機械關節的角度變化，使其在規定時間內對運行角度進行控制，使其能夠穩定地運行。在軌跡仿真時，需要每隔2s對關節所在空間進行一次記錄，確保關節角軌跡的合理性，保證關節能夠快速進行移動。另一方面，需要對末端執行器的線速度進行仿真，對軌跡運行的速度進行控制，保障機械臂運動的穩定性，并且有助于對運行狀態進行調整。[5]

5 結論

綜上所述，通過數字孿生可以保證機械臂的功能性，使機械臂能夠滿足教學實驗的要求，將智能制造理論融入其中，提高機械加工的效率。在機械臂實驗過程中，需要注重數字技術和DT技術的應用，將兩者結合起來展開實驗，可以更好地對機械臂的運行效果進行展示，使機械臂具有多模型的特點，使其功能更加的完善。