基于機械臂3D陶土打印技術及其數字孿生工廠構建

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

關鍵詞：智能建造；機器人系統；3D打印；數字孿生

中圖分類號：TU689""""""文獻標識碼：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

隨著現代科技的蓬勃發展，建筑行業所面臨的生產效率低、設備落后、勞動力短缺、重硬件輕軟件等問題亟待解決[1]。建筑行業迫切需要實現高質量發展，不僅需要從粗放式、碎片化的建造模式轉向信息化、智能化的高質量建造[2]，提供更高品質的工程，還需要轉變建造動力，從依靠資源與勞動力等要素投入轉為創新性建造實現綠色化、工業化、智能化建造[3]。如今，智能建造和信息技術的快速發展以及在建筑業的應用，也使建造過程中開展對“人、機、料、法、環”的管理成為現實[4]，逐步實現對傳統建筑產業的技術升級和資源優化[5]。參數化設計的出現改變現有的建模方式和思維，在未來的建筑設計研究方面有很大的發展前景[6]。其中3D打印技術完美地呈現了一種新的想法，從原先的減材建造思維中創造出的新型增材建造思維[7]。3D打印技術經過持續多年的發展，開發了許多種成型技術，并由此衍生了許多種加工過程穩定、成型精度高的3D打印裝置。將3D打印技術與機械臂相結合，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，為實現建筑設計與建造的一體化、智能化提供了有力支持。同時，數字孿生技術的出現，實現了對建造過程的實時監控、掌控和終止等，進一步完善了設計與建造的協同性。

基于機械臂的3D陶土打印技術及其數字孿生工廠構建，通過硬件裝配和軟件設計的優化，搭建完整的機械臂3D陶土打印加工系統，通過實體打印實驗驗證機械臂3D陶土打印加工系統的可行性。同時，設計構建數字孿生技術應用的3D打印數字工廠，運用數字孿生技術實現實時監控和控制，實現對整個生產過程的智能化管理和優化。

1"機器人3D打印加工系統

機器人3D打印加工系統由3D打印系統和機器人系統組成。3D打印系統包括供料系統和傳送擠出系統。供料系統通過剛性連接固定在傳送系統上方，傳送系統則通過螺栓緊固于高鋁型材框架上，以確保可靠和連續地輸送打印材料。傳送擠出系統通過連接件與機器人系統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，以實現機械手臂的操作半徑全覆蓋打印。整體系統結構如圖1所示。

1.1"系統各硬件構成

傳統的3D打印系統通過直接向擠出裝置添加打印材料進行實體打印。本文所提出的機器人3D打印加工系統中，采用了獨立的供料系統，通過向供料系統注入打印材料來實現3D打印的持續性。該供料系統由供料桶、升降結構、擠壓結構和調節結構組成。具體結構如圖2所示。

擠壓結構和調節結構是供料系統的核心。擠壓結構通過氣孔擠壓板的分布控制儲料桶的氣壓。調節結構通過齒輪和步進旋轉電機調節擠壓板的角度，通過大小齒輪的轉動控制氣孔位置，實現對供料桶氣壓的控制。

當需要向傳送裝置輸送打印材料時，通過步進轉動電機轉動小齒輪帶動大齒輪和上側擠壓板順時針旋轉90°實現氣孔錯位分布，形成擠壓空間，向下擠壓材料。材料輸送完畢后，逆時針旋轉90°實現氣孔交疊分布，保持氣壓一致，避免材料反流。為確保3D打印材料的穩定輸送，采用步進轉動電機驅動機制，通過升降結構將擠壓結構移出儲料桶，加入新材料，循環操作實現連續打印。同時也確保了3D打印過程的穩定性和質量。擠壓結構的不同狀態如圖3所示。

傳送擠出系統由57步進轉動電機驅動的螺桿、豎形桶、機械連接件和柔性管道組成。系統采用螺桿驅動類方式實現連續傳送和擠出打印材料，利用57步進旋轉電機提供持續轉動動力。螺桿通過Arduino微控制器控制轉動速度，并與機器人系統進行信號協同交互，實現對打印速度和質量的控制。

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

1.2"機器人3D打印加工系統協同控制

機器人3D打印加工系統在實際打印過程中，其核心部分為控制系統，其中各個系統的自動化控制，涉及機器人系統和外部3D打印系統的相互協調。具體機器人3D打印加工系統協同控制如圖4所示。

機器人系統采用封閉型結構，通過機器人離線編程和路徑規劃實現打印對象的參數化建模和模擬。除機器人系統以外的系統設備需通過PLC自動化技術來實現與機器人系統進行信號協同交互，從而實現機器人3D打印加工系統的自動化控制。

3D打印系統的自動化控制以Arduino微控制器為中心，控制各個電子元件的工作狀態。通過設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技術和機械臂控制系統協同控制。確保機械臂與外設硬件之間穩定協同運行。

2"3D陶土實例打印建造

2.1"參數化模型及路徑模擬

結合Grasshopper軟件和Rhino軟件采用參數化建模方法構建模型，通過操控節點、尺寸和形狀參數來實現最佳建構方案。雖然Grasshopper軟件可用于路徑設計，但在轉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，并通過參數化設計方法對路徑進行調整和優化，以找到完成加工任務的最佳路徑方案。通過對機器人進行仿真模擬，可以預處理碰撞和軸限位等問題，從而提高實際建造過程的效率。

基于參數化模型建構，將打印模型的第一層作為參數化的第一項，當初始層面確立后，將打印層數、中間層凹陷程度和中間層位置作為下一步參數化指數，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，容易導致角部出現折角問題，極容易造成打印路徑折斷，影響美觀。因此，通過采用“回”字形打印路徑法優化打印效果，避免折角和路徑中斷等問題的出現。

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

2.2"機器人3D打印加工系統的組裝與調試

機器人3D打印加工系統通過將3D打印系統、機器人系統和高低鋁型材框架固定裝置組合搭建完成原型機的組建。系統之間通過機械、線纜和螺栓連接相互關聯，并進行位置調整以滿足實際打印需求。在程序參數設置與調試階段，通過Arduino"IDE編寫清晰的程序代碼，實現多運行流程的協同控制。Grasshopper軟件中的KUKA|prc生成于控制工業機器人運動的SRC文件。根據實際需求進行參數化設計和調整打印路徑，調整電機轉速以控制擠出量。通過穩定的信號傳輸和協同交互實現系統間的協調工作。調試過程中，插入數字信號和等待時間確保打印材料傳送到位。最終，程序按預設步驟運行，完成3D打印任務，機器人3D打印加工系統組裝調試完成后如圖6所示。

2.3"陶土材料及打印參數選用

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性能后進行選擇。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陶土打印應用。同時，對陶土打印過程中的擠出質量進行評估，包括擠出均勻性、層間間距和實際輪廓。通過調整陶土材料的含水率、步進轉動電機的轉動速度和擠出裝置的向上偏移路徑距離來優化打印參數。

根據陶土材料的含水率計算公式選擇并結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，步進轉動電機驅動器選擇1、2/A、4、16細分。進行第一組模擬試驗。陶土材料擠出結果對比如圖8所示。

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

2.4"實際建造流程

在基于模型、硬件和軟件的基礎上，使用FDM層積成型方法進行3D打印。通過調整參數和協同運行，機器人3D打印加工系統能夠根據實體模型進行精準的3D打印。具體步驟如下：

1）調整擠出裝置并測量工具坐標。

2）測定基坐標。

3）路徑和Arduino程序的導出和輸入。

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"基于數據可視化3D打印數字工廠

3.1"3D打印數字工廠的整體布置

為了滿足建筑行業向信息化和數字化轉型的需求，數字孿生技術應運而生，信息物理系統利用信息化技術和自動化控制技術，將信息世界和物理世界的對應數據和要素進行有效融合，實現物理世界向信息世界的數據映射，并通過這些數據和要素建立一個實時交互、協同合作的系統。在此基礎上提出一種基于3D打印技術和數字孿生技術相結合的3D打印數字工廠設計。

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

3.1.1"陶土工藝品生產線區域布置

現代陶土工藝品生產面臨效率低下、質量不穩定和成本增加的挑戰。為了應對這些問題，提出了陶土智能生產線。該生產線涵蓋了陶土工藝品加工生產的全過程，包括多個加工工藝和功能分區。

在打印材料制備區，通過抽樣檢測和配比攪拌工藝，準備符合要求的陶土打印材料。陶土工藝品打印及后處理區負責實際的打印和后續處理，通過機器人3D打印加工系統實現精確打印，然后進行烘烤成型、質量檢測和最終的打磨修飾。通過構件掃描區進行單體成品掃描，然后進行拼裝和最終裝配。陶土智能生產線利用配套機械臂的協同作業，實現了自動化和高效化的生產過程。

3.1.2"陶土模板及混凝土加工生產線區域布置

該生產線由陶土模板及鋼筋加工生產線和混凝土打印生產線組成，為解決傳統模板成本高、回收利用率低的問題而設計。陶土模板及鋼筋加工生產線負責制作構件模板和鋼筋排布，而混凝土打印生產線則負責混凝土打印和養護工作。通過協同工作，這條生產線實現了高效、低成本的混凝土構件制造，并充分利用原料，實現可持續發展。

3.2"基于MES系統的3D打印數字工廠虛實交

互設計

3.2.1"3D打印數字工廠數據映射

基于3D打印數字工廠的產線布置和裝置設計，采用了模塊化和層次化的方法，開發MES（制造執行系統）平臺頁面，旨在實現智能化管理。

該平臺集成了數據采集、可視化展示和設備管理功能，并建立了主要功能頁面模塊。人員登錄MES系統平臺后，能夠對3D打印數字工廠進行全面管理，如圖12所示。

通過對3D打印數字工廠MES系統平臺的布局和規劃，結合與數據庫的數據交互，能夠實時提取和分析數據，并在平臺上進行展示，實現了對3D打印數字工廠的數據映射。

3.2.2"工廠生產與設備物聯與大數據交互

數字工廠的產線與設備物聯與大數據交互是實際生產中的重要問題。通過實時監控生產線情況、實時交互生產數據和實時分析設備運行狀況，可以預防故障和問題的發生，提高生產效率和質量，降低成本。3D打印數字工廠的功能需求包括生產線展示、生產流程、設備工具等模塊。

在生產線展示頁面中，通過實時填寫產品信息和展示原材料供需情況，實現定制化生產和優化供應鏈管理。

生產流程頁面展示了原材料處理、構件加工和養護存放的實時交互數據，幫助實時調整和優化生產流程。設備工具頁面展示設備基本信息、運行狀態和能耗監測，實現設備的實時分析和管理。這些功能能夠實現數字工廠產線與設備物聯與大數據的實時交互，提升生產效率和效益。生產流程中原材料處理平臺頁面如圖13所示。

3.2.3"工廠運維與環保物聯與大數據交互

3D打印數字工廠的運維和環保是確保其正常運行和可持續發展的關鍵。為實現有效管理和協調工廠運營活動，對運營維護系統和環保監測系統進行開發。

運營維護系統是綜合管理系統，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，旨在科學制定生產計劃、優化采購流程、提高財務效率和優化資源配置，如圖14所示。

環保監測系統通過實時監測工廠產線中的廢氣、廢水、廢料和噪聲等環境污染因素，對生產過程中所產生的超標情況進行實時記錄、控制和治理，如圖15所示。

運營維護和環保檢測系統通過合理的頁面布局和功能設計，能夠有效管理和協調工廠運營活動，確保環境保護措施的執行，實現工廠的高效運行和可持續發展。

4"結"論

提出了一種基于機器人的3D打印加工系統，對該系統進行了原型機的建造與實體性能評估，同時引入3D打印數字工廠，并對該數字工廠的產線布置、數字孿生和MES管理系統頁面進行設計和構建，可得出以下結論：

1）基于機器人的3D打印加工系統通過軟硬件信號交互控制，實現了高度一體化和穩定的協同工作，可以實現其預設功能，其誤差控制在2%以內，驗證了該系統的可行性。

2）通過設計多條協同生產線，對數字工廠布局進行了合理規劃。

3）使用MES管理系統實時操作、監控和管控，實現物理工廠向信息管理平臺的數據映射，從而提升生產效率和提高產品質量；通過實時數據分析和數據模擬來把握生產進度和安排，從而降低生產成本和生產風險。

參考文獻

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