1.建设背景
随着信息技术的飞速发展，“工业4.0”和“工业互联网”概念的提出，标志着以智能制造为目标的第四次工业革命已经到来。
智能制造的核心目标是通过精确的过程状态跟踪和完整的实时数据采集来监控整个产品生命周期，从而实现物理世界和信息世界的互联互通。
工业机器人的应用是实现智能制造不可或缺的主要环节。近年来，工业机器人技术的应用有了很大发展，但也存在一系列问题。比如生产车间的工业机器人种类繁多，在构建数字化系统时需要针对不同的设备独立制定设备接入方式，维护需要单独进行，耗费大量的时间和人力成本；同时，对于一些老设备，无法接入数字系统本身。
在这种背景下，数字孪生技术的引入可以很好地实现不同设备统一接入数字系统的愿景。工业机器人数字孪生系统依托数字孪生技术，对生产过程中涉及的主要要素进行1:1的数字建模，并将获得的数据映射到数据实体模型。通过孪生数据的映射，为整个数字孪生系统的建设提供核心支撑。采用OPC UA技术完成异构设备的数据采集，有效地解决了车间设备之间的信息隔离问题，对建设数字化、智能化、信息化的现代化先进车间具有重要意义。
2.工业机器人数字双系统体系结构工业机器人数字孪生系统是用于单个机器人的单元级数字孪生系统。作为复杂车间的基本单元，它具有数字双系统的所有模块，即物理实体层模块、双系统模型层模块和功能应用层模块。
2.1物理实体层作为工业机器人数字孪生系统的基础，它是物理实体的集合。主要包括三部分:生产设备实体、数据采集与传输功能组件实体和操作员实体。
其中，生产设备实体主要包括工业机器人、机器人电气控制柜、滑动龙门和产品工件。
数据采集和传输的功能部件主要包括工控机、球形摄像机、可编程逻辑控制器(PLC)、路由器等网关设备和无线大屏幕等显示设备。
操作员实体是设备运行经理。
三个实体相互结合，实现工件产品工业和机器人在工件工业加工过程中的数据采集和应用。
2.2双模型层作为工业机器人数字孪生系统的核心，它主要由数字模型和孪生数据组成。
数字模型是工业机器人操作和生产过程的实体映射，真实反映机器人、工件等物理实体在生产过程中的位置、行为和状态特征。
孪生数据是指机器人等物理实体在生产活动中产生的数据和功能应用层反馈到数字模型后产生的融合衍生数据。
这两部分结合的孪生模型就是工业机器人生产过程的数字化构建。通过构建的虚拟数字空间再现工业机器人在物理空间的生产活动，并通过虚拟空间中的模型对生产活动进行模拟和迭代优化，进而重新决定物理空间中的生产活动。
2.3功能应用层作为工业机器人数字双生系统的服务，根据物理实体层与双生模型层的虚实交互和数据采集的双生数据，提供生产过程监控和优化、物理实体层设备维护等服务。
3.工业机器人生产过程的数字孪生建模。4.工业机器人生产过程的实时数据采集工业机器人生产过程的实时数据采集主要包括两个部分:数据通信网络架构构建、数据孪生模型构建和采集。
4.1数据通信网络架构数据通信网络体系结构主要包括:物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
整个网络通信架构的物理层包括工业机器人、PLC、工业计算机、传感器、电缆、网线等设备。
数据链路层采用以太网协议，满足数据传输速率快、数据流量大的要求。
网络层和传输层使用TCP/IP协议。
在数据应用层，采用OPC UA协议作为应用层的数据协议，将自动采集的数据以一定的格式传输给客户端，实现数据传输。
4.2模型构建和数据采集根据数据通信网络架构，可以知道底层实体的所有数据都是通过OPC UA服务器获取的，为了更方便的获取各个底层设备的数据，需要在服务器上建立采集设备的模型。由于生产车间的设备实体较多，且可能存在多台同类型设备，本文建议采用对象-节点法建模。
数据的采集首先需要实现工控机与OPC UA服务器的连接。服务器通过以太网连接到交换机，然后连接到工业计算机。同时根据服务器的IP地址，将工控机的IP设置为与服务器相同的网段。然后，在数字孪生系统的通信模块中，通过获取本地IP与服务器连接。建立连接后，服务器对象和客户机对象由两个参数确定:服务器句柄和客户机句柄。最后通过服务器的节点地址获取数据。为了实时获取数据，在digital twin系统中使用订阅来触发读取数据的事件。每当订阅的数据节点发生变化，就会触发一个read事件，然后调用read函数再次读取对应地址的数据。
5.生产过程的实时绘图为了构建工业机器人的数字孪生系统，除了对生产过程的数字孪生进行建模，获取生产过程的实时数据外，还需要将孪生模型映射到数字空间中的物理实体，通过虚实交互达到以虚控实的目的。因此，我们需要实时映射生产设备、操作人员和工件。
5.1设备通过映射机器人的轨迹、位置信息、动作类型和状态信息。其映射主要由机器人实体的驱动信号和驱动数据来完成。包括机器人的运动驱动数据和动作驱动信号。
5.2运营商映射操作人员的身份信息、空间位置和操作动作，实现人员的数字化可视化管理。
5.3工作工件工件贯穿整个生产过程，工件生产过程的实时测绘，展现了工件的完整演化过程。在工业机器人的数字孪生系统中，对工件的工艺数据、运行数据和运行质量数据进行映射，并对采集的大量工件数据进行统计和分析，为明智决策提供有力的数据支持。