智能制造教学场景机械臂数字孪生实验研究

2023-01-02刘百辰

科教导刊·电子版 2022年29期

关键词：对模型样机故障诊断

刘百辰

（常州信息职业技术学院，江苏常州 213164）

受到智能化的影响，对机械臂系统具有更好的要求，机械臂需要具有智能制造的条件，保障机械制造的稳定性。数字孪生（DT）是数字化与仿真的结合，可以有效地对机械臂进行分析，提高机械臂对加工场景的适用性。

1 智能制造教学场景机械臂数字孪生实验系统框架

1.1 机械臂物理实体

通过机械臂可以实现流水化生产，对关节运行具有较高的要求。通常情况下，机械臂关节越多，机械控制越久越灵活。在物理实体设计时，需要做好关节的设计工作，使关节之间能够有效配合，使机械臂能够完成各种操作，保障机械臂的工作质量。以KUKAKR6sixx系列的六轴机械臂为例，各个关节之间具有良好的协调性，能够对物体进行准确抓取，并且可以对运行状态进行调控，进而快速地对物体进行操作。机械臂对控制效果具有较高要求，其运转的灵活性将会影响到控制的效率，因而需要做好机械臂结构的设计工作，使其具有良好的物理结构，能够承担各种机械操作[1]。

1.2 机械臂DT模型

机械臂需要采用多模型结构，使各个模型能够独立工作，同时注重模型之间的配合，共同组成稳定的DT模型。机械臂需要具有完善的模型结构，需要注重三维设计模型的实现，为其他模型的工作提供重要基础，形成有效的控制手段。在机械臂DT模型中，需要注重机械臂的串联特性，使其具有良好的传动效果，并且需要提高数字化的应用，为机械臂的运行搭建良好的仿真环境。通过这种方式，可以对机械的运转过程进行展示，有助于实验教学工作的进行。而且，可以将仿真过程制作成动画形式，使机械臂的仿真效果更加的直观，可以起到较强的实验展示作用。

1.3 虚实双向交互

物理实体与DT虚拟实体需要具有交互能力，对机械臂进行有效的控制，提高机械臂的控制效果。在虚实双向交互过程中，需要做好数据的处理工作，使机械臂具有虚实联动的效果，提高DT模型对物理实体的控制能力，保障虚实双向交互的控制精度，建立有效地数字控制手段。另外，通过虚实双向交互可以对误差进行仿真，能够对机械臂的运行误差进行控制，实现稳定的机械臂控制效果。

1.4 模型集成仿真

机械臂需要基于多模型结构进行实现，注重对模型信息的转化，对DT虚拟现实场景进行构建，保证各个模型能够有效集成。在机械臂系统中存在着较多的模型结构，对模型之间的工作具有较高的要求，需要采用仿真的方式对模型进行调节，使机械臂能够实现流程化生产，对机械臂形成有效控制。而且，通过集成仿真形式，使机械臂能够稳定地工作。对模型进行集成仿真时，需要注重模型数据的可视化，便于对数据的控制效果进行检验，同时，可以对机械臂的运行数据进行展示，实现良好的实验教学效果。

1.5 实验教学资源

在构建机械臂教学资源时，需要做好资源的组建工作，注重虚拟空间模型的应用。首先，需要合理进行模型设计，对机械臂的结构进行完善，保障机械模型具有良好的物理结构，提高机械臂结构的完整性。其次，需要做好DT仿真模型的构建，建立完善的交互形式，使模型之间能够协同工作。最后，需要注重教学资源库的构建，将机械臂DT试验数据存储在资源库中，方便对数据进行展示，提高教学资源的全面性。

2 智能制造教学场景机械臂数字孪生实验系统模型

2.1 机械臂设计模型

机械臂需要采用三维设计模型，以3D模型作为机械设计的载体，提高机械臂设计的规范性。机械臂设计过程中，需要注重制造和维护过程，将其考虑在模型设计中，赋予机械臂易于维护的特征。机械臂具有较多的关节结构，虽然可以提高机械臂的运行能力，但也会增加其控制的困难程度。因此，做好机械臂模型的设计工作较为重要，是保障机械臂稳定运行的基础[2]。

2.2 样机仿真模型

为了对机械臂模型的合理性进行验证，需要注重虚拟样机技术的应用，对机械臂的性能进行验证，同时做好机械臂的优化工作。为此，需要对机械臂的仿真模型进行构建，通过仿真模型来反映样机的性能，对样机性能进行有效评估。通过样机仿真模型，可以直观地反映机械臂的运行效果，有助于虚实融合过程的进行，便于对样机仿真过程进行控制，使样机能够更好地向实体进行转化，保障样机设计的完善性。

2.3 轨迹规划模型

为了对机械臂的运行轨迹进行探究，需要将轨迹规划模型应用在功能验证中，对机械臂的控制效果进行分析，使其能够在空间中无死角运转，对物体的移动进行控制，使机械臂能够实现流程化生产。在分析运行轨迹时，需要基于运动模型进行展开，对机械臂的运动轨迹进行仿真，保障机械臂的工作效率。为了使轨迹规划更加的精准，需要对轨迹规划算法进行应用，提高控制系统对机械臂的驱动能力，进而实现轨迹的准确控制。

2.4 故障诊断模型

机械臂运行过程中，将会逐渐发生机械损耗，导致机械的运行精度下降，不利于机械控制的实现。为此，需要建立机械臂的故障诊断模型，采用DT故障诊断的形式，对机械臂的运行数据进行分析，可以起到良好的故障诊断效果。而且，通过故障诊断可以对机械臂运行状态进行调整，使其运行轨迹更加的精准，促进机械臂控制精度的提升。故障诊断模型可以对历史数据进行记录，对机械损耗具有预测功能，进而对机械部件及时进行更换，降低机械损耗对运行精度的影响，提高机械臂的运行控制效果。[3]

3 智能制造教学场景机械臂多模型DT构建

通过DT构建可以促进多模型的融合，提高机械臂工作结构的稳定性，有助于对智能教学场景进行构建，提高机械臂的工作效率。DT模型的构建过程如下：首先，需要应用SolidWorks软件对机械装配结构进行分析，获取模型的结构尺寸信息，提高对机械结构的分析效率。为了提高模型管理的效率，需要将设计模型采用XML文件进行描述，便于对模型参数进行纠正。其次，需要建立模型的映射关系，将设计模型向仿真模型进行转化，同时需要注重反馈环节的设计，提高模型控制的精准性。最后，需要建立机械臂的仿真模型，对机械臂运行控制效果进行仿真，对控制精度进行验证，保障模型转化的实际效果。

4 智能制造教学场景机械臂数字孪生实验分析

4.1 模型仿真实验

机械臂需要采用三维模型进行仿真，对关节的运行状态进行研究，保障关节的运行控制效果。对模型进行仿真时，需要注重SolidWorks装配模型的应用，使各个关节之间具有良好的耦合关系，对模型控制效果进行验证。同时，需要将三维模型引入到虚拟仿真环境，在运动学的角度对机械臂进行仿真，保障DT模型构建的合理性。为了提高运行仿真模型的可视性，需要在可视化仿真环境中进行，对机械臂的运行状况进行动画展示，使DT实验控制效果更加的直观。通过模型仿真实验，可以对多模型DT仿真进行验证，确保机械臂模型设计的合理性[4]。

4.2 轨迹仿真实验

通过轨迹仿真实验，可以对机械臂的运行轨迹精度进行检验，提高机械臂运行的稳定性。机械臂轨迹仿真主要分为两个方面：一方面，需要对关节角进行仿真，确定机械关节的角度变化，使其在规定时间内对运行角度进行控制，使其能够稳定地运行。在轨迹仿真时，需要每隔2s对关节所在空间进行一次记录，确保关节角轨迹的合理性，保证关节能够快速进行移动。另一方面，需要对末端执行器的线速度进行仿真，对轨迹运行的速度进行控制，保障机械臂运动的稳定性，并且有助于对运行状态进行调整。[5]