基于數字孿生的搬運機械手仿真實驗平臺設計

王二敏，馬前帥

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

大數據背景下，社會發展正邁入信息化、智能化、數字化、網絡化等新發展方向。信息與物理的深度融合是智能制造發展戰略的核心目標之一。搬運機械手是工業機器人的一個重要分支[1]，應用在社會生產的各個領域，如汽車生產流水線、食品加工生產線、電子行業流水線等等，自動化生產線大大提高了社會生產效益。同時，搬運機械手可工作在復雜、惡劣的生產環境，滿足現代社會生產需求。

為了解決實際教學中虛實環境結合度不高的問題，提出了基于數字孿生技術建立虛實共生的教學實驗系統。通過虛擬仿真平臺，數字孿生模擬工廠讓學者全方面了解工程項目的實際場景并進行模擬學習。利用數字孿生技術同步實驗系統，可以更加生動形象地表達課程內容，有助于營造體驗感較強又較為真實的教學環境和實驗環境，增強學者對理論知識的認知和理解能力，提高學者的實踐操作能力。結合全生命周期，從幾何模型、物理模型、生產行為模型等多維度構建搬運機械手數字孿生系統，為其他智能生產線孿生系統的構建提供理論指導和實踐驗證。

1 搬運機械手數字孿生系統架構

本文采用數字孿生技術，構建數字孿生搬運機械手仿真實驗系統，設計框架如圖1 所示。該設計框架包括基礎支撐層、數據互動層、模型構建層、仿真分析層和共性應用層五部分[2]。

圖1 搬運機械手數字孿生實驗系統的設計

1.1 基礎支撐層

基礎支撐層為搬運機械手虛擬實體硬件和軟件設計提供技術數據。依托搬運機械手物理實體各單元模塊獲取三維實景建模數據；基于傳感器技術及系統工作過程獲取表征搬運機械手運行狀態及運行環境的各個電氣量，為虛擬實體設計提供運行數據和工作環境數據。

1.2 數據互動層

數據互動層為物理實體和虛擬實體之間的“互動”提供通道。數據互動層用于采集基礎支撐層提供的數據，經過對采集的信息處理，將位置、屬性、狀態性能等數據傳輸到孿生模型構建層，完成對搬運機械手系統數據的高速傳輸、存儲、處理及分析[2]。數據細分為：用于建立三維模型的幾何數據，用于描述三維模型位置、布局等的環境數據，用于三維模型功能設定的動作數據，用于三維模型過程狀態設定的狀態數據。

1.3 模型構建層

模型構建層是將物理實體數字化、模型化的過程。在虛擬仿真空間，基于NX_MCD 平臺建立搬運機械手生產線的數字化工作站模型，在物理形態、行為形態及基本功能等方面能夠真實地映射物理生產線[3]。

1.4 仿真分析層

仿真分析層通過仿真技術，不斷完善物理實體的數字化模型，完成全周期的動態仿真。NX_MCD 和TIA 在線仿真控制，搭建數字孿生虛擬仿真平臺和物理實體共生的教學環境，學者能夠在仿真界面和實際訓練平臺上相互觀察、相互操作，不斷完善物理實體的數字化模型，實現模型構建層與數據層之間的實時精準映射。

1.5 共性應用層

數字孿生體和物理實體之間通過物聯網通信技術實現兩者之間數據信息的動態映射，實現系統軟硬件聯合調試。數字孿生的目的是模擬真實世界，在該平臺上能夠快速實現搬運機械手生產線的仿真設計與調試，同時能夠直觀地查看物理實體和虛擬實體的運行加工過程，為人們的卓越決策提供支持[4]。

2 搬運機械手數字孿生系統模型構建

在搬運機械手生產線中，完成物料分揀運輸的關鍵要素包括搬運機械手、供料井、傳送帶、加工裝置和環境[5]。因此，構建搬運機械手生產線數字孿生模型用數學語言表示為式（1）。

式中：DTws為搬運機械手生產線的孿生模型,Dman為搬運機械手孿生模型，Dfee為供料井孿生模型，Dtra為傳送帶孿生模型，Dpro為加工裝置孿生模型，Denv為環境孿生模型。

數字孿生模型構建的步驟如下。首先，基于SolidWorks 建立搬運機械手生產線各單元的三維模型。其次，基于NX_MCD 軟件進行各單元模塊的仿真設計。需要在虛擬空間中，對三維模型的位置、布局、各單元屬性及功能進行設定，使模型能夠根據已知經驗和規律模擬出真實搬運機械手生產線的幾何、物理屬性等。最后，根據運動要求和控制要求，對各個孿生體設定運行方式及控制方式，設定、編輯仿真運行時序，進行仿真運動控制。通過通信數據接口，將各參數反饋到真實的搬運機械手生產線，實現虛實共生。因此，任何一個孿生模型的構建包括“幾何+ 物理+ 生產行為”三維度，從而構建孿生模型用數學語言表示為式（2）。

式中：MDT為孿生模型，GDT為幾何孿生模型，PDT為物理模型，BDT為生產行為孿生模型，DI為虛實交互通信數據集。

2.1 幾何模型

幾何模型是應用數學方法描述物理實體的幾何尺寸、幾何位置、幾何形狀和幾何關系。用數學語言表示為式（3）。

式中：GM為孿生幾何模型，Gmea為幾何尺寸，Gpos為幾何位置，Gcon為幾何形狀，Grel為幾何關系。

應用NX_MCD 軟件，實現對搬運機械手孿生幾何模型的構建，具體步驟為：首先，將各單元模型導入到工作環境中；然后，根據安裝要求，重新設置各單元模型原點；最后，在工作環境中依次安裝其余的模型。在安裝過程中，要注意以下事宜：第一，模型安裝底面要與工作臺緊密結合；第二，模型之間如果有連接的部位，安裝時要考慮連接位置；第三，模型間不允許發生碰撞；第四，合理布局，整體布局應美觀、大方，不宜過于緊密；第五，模型安裝的位置要考慮到后期調試和維護；第六，模型位置布局要符合設備操作者的操作習慣。搬運機械手數字孿生系統幾何模型構建思路如圖2 所示，幾何模型構建過程如圖3 所示。

圖2 搬運機械手數字孿生系統幾何模型構建

2.2 物理模型

物理模型主要是完成對幾何模型物理屬性的設置，如對導入的幾何模型添加重力、阻力、剛體、碰撞體、體積和鉸鏈副等物理特性，實現物理模型的逼真效果[6]。用數學語言表示為式（4）。

式中：PTws為搬運機械手生產線的物理模型,Pman為搬運機械手孿生物理模型，Pfee為供料井孿生物理模型，Ptra為傳送帶孿生物理模型，Ppro為加工裝置孿生物理模型，Penv為環境孿生物理模型。

搬運機械手孿生模型參考布局如圖4 所示。

2.3 生產行為孿生模型

生產行為模型主要是根據系統的邏輯功能，對物理模型添加過程狀態、運動狀態，實現數字孿生體和物理實體共生，數據信息動態映射。用數學語言表示為式（5）。

式中：BM為生產行為孿生模型，Blog為邏輯設計，Bmot為運動屬性。

2.3.1 搬運機械手生產線的邏輯功能

搬運機械手生產線主要完成物料分揀、入庫的功能，系統的功能流程圖如圖5 所示。明確邏輯功能有利于引導完成各單元模型的行為過程，明確模型各部分之間的位置關系和動作關系。

圖5 系統功能流程圖

2.3.2 運動屬性的設置

生產行為孿生模型設計主要是根據系統運行要求對設備的運動屬性進行設計。運動屬性包括基本機電對象、運動副和控制方式三部分，如圖6 所示[7]。以加工單元為例，運動屬性的設置見表1 所示。通過設定傳感器、位置/ 速度控制和信號來模擬實際的控制信號來驅動加工單元的動作。

表1 加工單元生產行為模型設計

圖6 運動屬性框架圖

2.4 仿真序列的設定

結合搬運機械手生產線的邏輯工作流程，在NX_MCD 平臺上對各個執行機構建立仿真時序，利用序列編輯生產整個任務運行的仿真時序，來模擬搬運機械手生產線的作業流程，啟動仿真運行，觀察整個設備的運行狀態，具體操作及順序如圖7 所示。

圖7 按時序進行仿真控制效果圖

3 搬運機械手數字孿生系統仿真實驗

3.1 實驗教學資源

利用NX_MCD 和TIA 完成搬運機械手數字孿生系統仿真實驗。數字孿生線上技能實驗系統能夠真實地呈現物料搬運機械手生產線實驗設備各部件機器的運行狀態。學者可以通過NX_MCD 平臺操作各機械部件，直觀了解設備硬件的運行狀態；在TIA 平臺上，學習者可以完成對硬件設備的邏輯設計[8]。教學技能實驗平臺如圖8 所示，NX_MCD和TIA 在線仿真控制如圖9 所示。

圖8 教學技能實驗平臺

3.2 搬運機械手數字孿生系統仿真實驗

數字孿生虛擬仿真平臺和物理實體共生的學習環境，學者能夠在仿真界面和實際訓練平臺上相互觀察、相互操作[9]，仿真平臺增加數據采集和分析功能，助力教師完成對學者的個性化指導，學者根據教學評價反饋，利用虛擬環境教學平臺，不斷完善項目，培養了學者對知識的應用與創新能力[4,10]。采用數字孿生技術，打造虛實共生的教學環境，助力實現“線上+ 線下”混合式項目實訓教學，具體教學過程如圖10 所示。

圖10 數字孿生“線上+線下”混合式實訓教學

4 結束語

本文提出了搬運機械手數字孿生系統架構。利用SolidWorks、NX_MCD 和TIA 軟件技術，從幾何模型、物理模型、生產行為孿生模型等多維度構建了搬運機械手數字孿生系統模型，通過仿真運行，驗證了多維度模型構建數字孿生系統模型的可行性。

本文提出應用數字孿生技術構建實驗系統仿真教學平臺，豐富了教學資源。實踐證明，數字孿生線上仿真教學平臺一定程度上彌補了實驗設備有限的問題，同時，學者可以不受“時間、空間”的限制隨時完成實驗學習。另外，增加仿真平臺的實驗學習，能夠減少設備的損壞和能源的消耗，能夠隨時隨地為學者提供學習和訓練平臺，節約了資源，降低了成本。因此，數字孿生實驗系統的研究是未來智慧教育發展的大趨勢，值得各學科借鑒！