工业产线机械臂数字孪生 流程工业应用

据 Gartner 预测，到 2033 年，空间计算市场将从 2023 年的 1100 亿美元增长至 1.7 万亿美元。

Human-machine synergy brings together the physical and digital worlds.

▚ Spatial computing: Digitally enhances the physical world using technologies like augmented and virtual reality to offer immersive experiences.

Spatial Computing Creates Immersive Experiences for Businesses and Customers Alike.

▚ Spatial computing technology merges the real and virtual worlds for employees and customers — and it’s coming soon.

空间计算(Spatial Computing)是利用增强现实和虚拟现实等技术，以数字方式增强物理世界。它将实体和虚拟体验之间的交互提升到一个新的级别。在未来五到七年内，空间计算的使用将通过简化工作流程和增强协作能力来提高企业效率。

图扑软件根据实验室构建的工业产线机械臂数字孪生环境，对数字孪生关键构件、工作过程进行验证，形成此文，与大家共同探讨数字孪生系统构建的关键技术。

场景概览

工业产线机械臂通过精确的重复动作执行复杂的任务。图扑软件自主研发的 HT for Web 产品数字孪生搭建应用，使机械臂的每个动作、每次维护和每次故障都能在虚拟空间中得到映射和分析。不仅提高了机械臂的运行效率，还通过预测性维护降低了意外停机的风险。本案例验证功能涵盖了产线机械臂数据采集、基于组态平台的监控场景搭建、数据绑定、机械臂运动动画、异常感知处理、控制指令下发、多监控屏联动、VR 控制等。

整体架构

数字孪生产线机械臂集成了工业控制、数据采集、物联网、低代码开发和虚拟仿真等技术的先进应用。图扑依托自研 HT 低代码数字孪生平台，构建生产线机械臂的高精度虚拟模型，既能实时映射物理机器人在生产线上的操作状态，又能控制机械臂运动状态，为虚实联动提供了强大而灵活的支持。

HT 低代码数字孪生平台（二三维一体化组态平台），基于自主可控二三维一体化引擎实现，以搭积木形式构建工业产线数字孪生应用，平台支持素材模型和功能库，支持自主搭建新的业务场景，配置化方式对接多源异构数据，数据驱动数字孪生场景运行。

支持接入协议

本案例通过采集器获取设备实时数据并执行控制命令。系统可接入工业产线的各类设备，支持多种接入协议：

MQTT协议、Modbus协议、OPC UA协议、自定义协议、IEC 104 协议(IEC 60870-5-104)、西门子 PLC 协议(S7)、三菱 PLC 协议(MC)、三菱 PLC FX 编程口协议

HT 机械臂案例采用三菱 FX3U 系列 PLC 作为产线机器人的控制器。因此我们使用三菱 FX 编程口专用通信协议采集/控制机械臂，并使用 RS-485 进行物理连接。

关于三菱 FX 编程口专用通信协议

上位机可以通过三菱 FX 编程口专用通信协议，利用 PLC 的串口模块与 PLC 建立通信，实现数据双向传输。串口类型可能是 RS-232C、RS-422、RS-485，具体取决于使用的硬件模块。该协议支持以下功能：

☑监视 PLC 的运行状态。

☑采集 PLC 的各项数据。

☑显示 PLC 的数据和错误信息。

☑上位机可下载/上传 PLC 阶梯图程序至 PLC。

☑使用 RS-422 时，单个上位机可同时连接多达 16 台 PLC。

通信格式简介

上位机可通过使用下列特定指令搭配固定的通信格式，或写入 FX 系列 PLC 各元器件(X,Y,M,S,T,C,D)的 ON/OFF 状态及数值。

 

在系统功能和可访问性上，图扑 HT 引擎强大的底层技术实现了监控系统的多设备兼容性。用户可通过 PC、大屏、手机、平板、VR/AR 等多种终端灵活操作。

工业采集器

工业采集器主要功能

☑ 数据采集：从各种工业设备如传感器、PLC、DCS 等实时收集数据。

☑ 协议转换：将不同设备的数据转换成通用格式，实现异构系统的互联互通。

☑ 边缘处理：在数据源头进行初步处理，如过滤、聚合、分析，以减少传输数据量和提高响应速度。

☑ 数据存储：将采集的数据存储到数据库中，支持后续的查询和分析。

☑ 数据分析：对存储的数据进行统计、分析和挖掘，提取有用的信息和知识。

☑ 实时监控：实时显示设备状态和生产过程，提供必要的报警和通知。

☑ 安全保障：确保数据在采集、传输和存储过程中的安全性，防止未授权访问和数据泄露。

☑ 系统集成：与其他企业系统集成，实现数据的无缝流动和业务协同。

部署环境

数据采集器支持的操作系统和平台包括但不限于：

Windows 7 及以上版本、Windows Server 2012 及以上版本、Windows Server 2012 及以上版本、Rocky Linux 8 及以上版本、RHEL/CentOS 7 及以上版本、其它 Linux 分支、统信 UOS、麒麟（包括中标、银河及服务器版和桌面版）

HT 机械臂主要功能

工业机械臂主要由基座、旋转臂、前臂、末端执行器和控制系统组成。基于这种机械臂结构，图扑 HT 搭建了轻量化设备监控、控制和管理的一体化平台，主要功能包括：

① 根据设定的数据采集周期，实时上报产线机器人的各点位数据，还原机械臂的实际姿态。

②操控机械臂启动和停止等。

③切换机械臂的工作状态。

④ 为机械臂编程工作流程。

⑤ 调整机械臂的工作参数，包括速度、工作模式和手抓切换等。

⑥ 恢复机械臂的出厂设置。

正常运转

场景内机械臂根据指令完成物体抓取放置到目标位置，分解动作还原：机械臂启动-张开抓手-驱动抓手-抓取物体-旋转机械臂到目标位置上方-放下机械臂-张开抓手释放物体-回到初始状态。

异常监测与处置

场景内还支持利用红外传感器实时监测抓取目标的位置状态。当监测异常情况（如目标被意外移走）时，机械臂会自动归位并开始下一轮抓取流程。帮助企业提高生产线的适应性和鲁棒性，一定限度地减少因异常情况导致的停机时间，提高整体生产效率。

数字孪生界面

人机交互界面

紧急停止

紧急停止功能用于产线机器人在工作过程中随时被停止。这可通过产线机器人的物理按键、操作面板或数字孪生可视化界面的停止按钮实现。

从工业生产线控制角度来看，紧急停止和异常监测两大功能确保生产过程的安全性和效率至关重要。通过实时监控和快速响应机制，在生产效率和安全性之间取得平衡。

机械臂手动编程设置

场景两侧 2D 面板所展示内容主要用于手动定义机械臂的运动方式。左侧面板包含了原点设置、清除指令、编辑程序、新建动作序列以及精确调整关节坐标，右侧面板则是设置编程时的相应参数。通过这些功能，操作者可以灵活地创建、修改和优化机械臂的动作，确保其能够准确执行各种复杂的任务。

 

原点

清除

编辑

新建

控制流程

HT 低代码平台支持模型文件导入，机械臂部件导入后，可以在模型编辑器中编辑组装成完整机械臂模型，配置设备部件之间的父子关系以实现各轴之间的运动关联效果，并且对各轴可运动范围做数据绑定，最终实现一个方便场景中复用的机械臂设备。

接着需要为场景中的设备进行测点绑定。这一步骤将机械臂的关键属性，如各轴角度和气爪开关状态，与数据集中的相应点位建立关联，并配置点位返回值的数据转换。

图纸中的按钮等交互元素可配置多样化的事件触发机制，实现控制指令下发、界面切换和动画播放等功能，提升用户体验和操作效率。

 

 

多屏联动应用

该场景内实现了采集数据驱动的多屏联动技术。所有打开监控画面的终端（PC、大屏、手机、平板、VR/AR），均能实时接收数据，监控屏幕中的内容紧随数据波动实时更新展现。

多屏联动技术各领域应用

多屏联动技术在不同行业中的应用日益广泛，它通过将多个显示屏幕联动起来，实现内容的同步展示和互动，从而提高信息传递的效率和互动体验。

1.工业自动化：通过在多个屏幕上展示不同的数据和控制界面，提高操作的效率和响应速度。例如，Web 端 P&ID 及三维在线多屏联动系统，实现了智能 P&ID 与三维模型的在线浏览和多屏联动。

2.智慧教育：多终端互动实现教学内容在多个屏幕上的共享与互动，提高教学的互动性和学生的参与度。

3.智慧医疗及医疗设备：医生可以同时查看患者的不同医疗数据和影像资料，实现远程医疗、多学科协同会诊、医疗设备数据的共享和管理等功能。

4.数字展览展示：展览内容可以在不同的屏幕上以不同的形式和角度联动展示，不仅提升了展厅的科技感，也吸引了用户的互动体验。

5.智能座舱：实现了“一芯多屏”的发展趋势，通过一颗芯片驱动多个显示屏，提供更加丰富和流畅的人机交互体验。

VR / AR 设备支持

在现代教育与培训领域，VR 和 AR 扮演了十分重要的角色，如实验室的虚拟仿真培训、工业的设备拆解培训、医疗的创伤急救场景模拟、航空航天的机组人员在太空飞行培训、建筑工程的挖掘机等大型设备的虚拟操作培训、军事领域的战地医疗和搜救等场景模拟培训、汽车制造业的车辆驾驶和车辆零部件组装培训、能源与电力行业电力工人在高压环境下的设备维护与修理培训等等。

同样，在我们的案例中，用户可以通过VR设备下发控制机械臂的操作指令，利用自定义的手柄事件触发对应的指令。当用户佩戴 VR 头盔后，眼前即可看到与现实 1:1 比例的设备模型，以及两个虚拟手柄，每个手柄都能投射出一条射线，用于与虚拟环境中的物体进行交互。当射线指向某个虚拟物体时，对应的事件就会派发。HT 平台接收到这些事件，并将其转化为具体的设备控制指令，从而实现对机械臂的精确操控。

本案例选用 WebXR API 与 VR 头盔进行对接。WebXR 是一个 Web API，目的是帮助开发者在浏览器中创建沉浸式的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)体验。作为 WebVR 的升级版，其目标是统一 VR 和 AR 的标准接口。目前图扑 HT 通过与 WebXR API 的对接，简化接入流程并封装了易用的接口，用户只需进行简单配置就能将三维场景完美呈现在 VR 头盔中。此外，还支持跨设备使用，开发者无需关心具体设备的型号。目前，主流的 VR 头盔设备如 Pico Neo3、Pico 4、Oculus Quest 2/3、HTC VIVE 等都可支持应用。

通过 VR 与机械臂设备控制的结合，用户可以在虚拟世界中沉浸式地控制设备。

如果用户想了解机械臂的零部件构造，HT 组态平台支持提供三维说明书模块，用于详细展示机械臂零部件的拆解和组装过程。VR 在三维说明书中的应用主要体现于提升用户对复杂产品或设备的操作、维护和装配过程的理解。相较于传统的二维图纸或文字说明，VR 提供了更直观、沉浸式的交互体验。

HT 智能机械臂相关应用

针对连续制造业这类生产过程持续不断、系统复杂度高，且对精确控制有着极为严格要求的领域，图扑 HT 搭建的智能机械臂生产线监测平台，以其高效的调度感知、运控和视觉驱动等功能，赋予机械臂"眼睛"与"大脑"。使其能精准识别工件、自动规划路径，并进行精准抓取与装配。结合 HMI 人机界面控制台，帮助企业快速实现智慧生产线的智能化控制。

再如，离散制造业作为制造业的关键分支，其生产过程特征为各阶段相对独立，最终产品通常由多个独立零部件组装而成，如汽车制造、电子元器件制造、服装产线等等。像智能机械臂这样高精度、多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统，尤其适用于此。

汽车制造领域

车辆自动化生产线中的机械臂已成为现代汽车制造业的核心组件。它们通常可分为 2-6 轴，模仿人类手臂动作，实现高效、精确的全自动化生产流程。

在图扑数字孪生汽车制造全流程解决方案中，利用 HT 数字孪生的高精度智能焊接机器人，能够在冲压、焊接、喷涂和总装车间执行弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆和码垛等多项任务。既能精细化安装仪表盘、座椅等大型部件，也能灵活地处理小型零件的安装。结合图扑先进人机界面(HMI/SCADA/MMI)，用于操作和监视生产设备、调整参数和收集数据，平台中允许单一操作员同时监控和控制多台机械臂。为车企实现了高效的人机协同作业模式，促进企业的自动化和集约化进程。

图扑 HT 智慧生产线数字孪生解决方案，主要通过以下几个步骤，实现了机械臂的精准建模及动作状态实时展示：

1.建模与动画支持：对机械臂外观进行高度还原建模，细致拆分可活动轴，支持流畅的骨骼动画展示。

2.PLC 测点数据对接：部署 PLC 数据采集服务，配置机械臂各轴的关键测点信息，实时采集并传输数据至前端界面。

3.虚实联动实现：在前端界面将机械臂骨骼模型与对应测点绑定，集成 PLC 数据与模型，实现虚拟与现实无缝联动，为用户提供直观、实时的生产状态监控。

图扑软件自研 HT 产品在实际项目中还扩展实现了以下功能，助力灯塔工厂进一步提高机械臂的智能化水平和生产效率：

☑ 机械臂碰撞告警：将机械臂各轴模型抽象为安全区域内的方块模型。当与设备设施或人员位置出现交点时，触发前端告警。这不仅适用于设备碰撞预警，也可用于人员安全保护。

☑ 管线联动：图扑 HT前端支持管线与机械臂各轴的联动，确保机械臂模型整体的完整性，避免管线穿模问题，更真实地模拟实际生产场景中各轴与管线的同步活动。

手机端设备管理

除上述功能外，图扑 HT 还开发了手机端运维管理系统，在智慧生产线监控环节为机械臂等设备维护和管理提供了强大的支持。

☑ 全面的运维功能：系统集成了维修、巡检、保养、报警以及设备台账等多项监管操作，使运维团队能够全面管理智能机械臂的各个方面。

☑ 精准的故障定位：系统利用三维定位技术，能够多维动态展示设备故障位置及原因，并同步于维修工单详情页面中。

☑ 灵活的任务分配：系统会根据实际情况进行转派处理人操作，能更好地调配作业人手，有针对性地执行维修任务。

☑ 多功能三维模型工具：产品允许用户创建、编辑、渲染和导出三维模型，能适用于各种工业互联网领域。

智慧教学

智能机械臂不仅在工业生产中提供强有力支撑，更为职业院校提供创新型智慧教学解决方案，成为创新型教学工具。通过图扑 HT 平台，学生可以在虚拟环境中操作智能机械臂，深入学习传感器应用、数据分析和远程控制等先进概念。3D 场景下让学生能够在安全的条件下进行各种复杂的实验和测试，将理论知识与实践技能紧密结合。

以模拟汽车喷涂产线为例，在图扑可视化虚拟环境中，学生可以模拟操作汽车喷漆自动控制喷涂机械装置，学习如何根据油漆喷涂量的大小，严格控制喷嘴与喷漆面之间的距离等影响喷漆效果的因素。同时，学习如何应用 HMI 人机界面控制台操作机械臂完成汽车零部件的喷涂工作，更直观地理解喷涂机械臂如何提升涂装的自动化程度等操作情况。

智能产线机械臂应用前景

数字孪生工业产线机械臂将物理机械臂与虚拟模型相结合，通过实时数据采集和分析，实现对机械臂运行状态的监控、优化和预测。

图扑 HT 数字孪生产线机械臂的主要特点和应用场景：

实时监控与优化

实时监控机械臂的运行状态，通过虚拟模型反映物理实体的实际工作情况。

预测性维护

通过分析机械臂的实时数据，预测潜在的故障和维护需求，减少意外停机时间。

虚拟调试与培训

在虚拟环境中，工程师可以在不影响实际生产的情况下对机械臂进行调试和优化，同时，也可用于操作人员的培训，提高操作安全性。

设计与制造融合

数字孪生技术将产品设计与生产过程紧密结合，实现个性化制造，满足客户定制需求，并进行全生命周期管理。

数据驱动的决策

数字孪生模型可以集成大量数据，包括生产数据、操作数据和分析软件信息，帮助企业做出更加精准的数据驱动决策。

虚实联动

通过图扑 HT 数字孪生平台，实现虚拟机械臂与现实机械臂的同步控制，提供了直观、高效的虚实交互体验。

智能控制

结合深度强化学习算法，数字孪生体可以用于训练和实现对工业机械臂的智能控制。

跨学科融合

数字孪生技术的发展将与可靠性、复杂系统工程、量子力学等学科理论进一步交叉融合，服务新型工业化和新质生产力需求。

国际合作与标准制定

加强国际交流合作，研制数字孪生模型、数据、应用等相关国际标准，进一步达成共识。

关于图扑 HT 组态平台

组态平台是一种用于工业自动化控制系统设计、配置和管理的集成开发环境，允许用户通过图形化、拖拽式的组态方法，快速构建和定制适合特定工业场景的应用软件，无需编写大量底层代码。

主要功能实现

图形化界面设计

用户可以通过图扑 HT 丰富的图表元素、动画效果和实时数据显示组件，构建清晰直观的操作界面，反映工业现场设备状态、工艺流程、报警信息等多元化的信息视图。

设备驱动与通讯配置

组态平台支持多种协议和标准，能读写诸如 PLC(可编程逻辑控制器)、DCS(分布式控制系统)、智能仪表、板卡等各种工业设备，实现对现场信号的采集和控制指令的发送。

数据采集与处理

可以对工业现场产生的大量实时数据进行有效采集、处理和存储，包括数据过滤、转换、逻辑运算等功能，帮助用户实时分析和优化生产过程。

报警与事件管理

当工业现场发生紧急情况时，组态平台能够及时触发警报并通过多种方式（如界面显示、邮件、短信、语音播报等）通知相关人员，确保问题得到迅速响应。

控制逻辑与脚本编程

提供简单的编程环境，允许用户根据生产工艺要求编制控制逻辑，甚至支持更高级的脚本语言，实现复杂的算法计算和逻辑控制。

历史数据记录与报告

集成了数据库管理系统，能够长时间记录工业数据并生成各类图表和报表，为企业决策提供详实的历史数据分析依据。

远程监控与网络通信

支持局域网和广域网环境下的远程访问和监控，便于企业实现跨地域、多层级的生产管理和远程诊断。

Web-Based 访问和编辑

组态平台可以通过浏览器访问和编辑，无需下载和安装，适配多种设备和平台，实现现场设备控制、车间内部工作场所、家庭、集团远程管理等多场景应用。

高可靠性和稳定性

组态平台能够连续稳定运行上万小时，支持双机热备，秒级切换，全链路日志收集，确保工业自动化系统的稳定运行。

高性能渲染和低时延数据响应

自研 HT 渲染框架支持大量组件同时渲染，单页可处理上千动态点位，双向长链接通信，数据响应时间短，指令下发迅速。

易于项目实施交付

支持跨工厂应用导入导出，自定义 URL，点位复用，可视化开发自定义组件，一次定义，多处使用，简化项目实施和交付流程。

数字孪生系统

HT 低代码平台支持 2D 场景、2.5D 场景、3D 场景展示、2D GIS 场景、3D GIS 场景，适用于不同场景的应用搭建。

以上功能使得 HT 组态平台成为工业自动化领域中不可或缺的工具，帮助企业大幅提高生产效率和产品质量，降低运营成本和风险。

关于图扑

图扑软件低代码数字孪生平台以其在工业数字孪生和可视化监控运维领域的显著优势，正推动行业的创新浪潮。HT 平台采用尖端的 Web 轻量化建模技术，成功超越了传统工业组态仿真软件的约束。HT 的轻量级运维方案摒弃了对庞大制造模型库的依赖，更加精准地满足实际应用的需求，实现了真正的跨平台兼容性。依托 B/S 架构，平台的 Web 化设计将仿真软件的运行环境从高性能工作站和专业显卡的束缚中解放出来。现在，这些软件能够在任何标准的网络浏览器中流畅运行，显著提升了系统的可访问性和用户的操作便利性。

HT 摒弃了传统 BIM 在运维中的局限性，在性能与实用性之间找到了平衡点。尽管其模型精度和细节可能不及传统 BIM 模型，但这种权衡恰好满足了监控运维的实际需求，避免了过度复杂化。为用户提供了一个更加高效、实用且低成本部署和维护的解决方案。

图扑自研国产化 HT for Web 引擎支持与国产嵌入式环境对接。拥有国产信创的适配认证，包括瑞芯微 RK3588 芯片和鸿蒙 HarmonyOS 等。这意味着在保证科技自主可控的同时，避免卡脖子风险，真正实现科技自主可控。

图扑 HT 数字孪生技术在工业产线机械臂的应用，推进了智能工厂中数据分析、处理、融合和应用问题的不断改进，不仅提高了生产效率和产品质量，还降低了运营成本和风险。成为推动工业 4.0 、智能制造、工业元宇宙、产业元宇宙发展的重要支撑技术之一。

审核编辑 黄宇