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焊接数字孪生可视化监控系统构建方法

发布时间:2022-10-11

编辑人:灵图互动

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焊接数字孪生可视化监控系统,采用数字孪生技术对涉及焊接生产活动的全要素进行1:1数字化3D建模,再通过利用构建的数字孪生模型、数据、图形等动态展现焊接生产活动的实际生产状况,实现焊接产线行状态和生产信息动态监控,帮助管理者能及时的发现产品焊接的缺陷,并在焊接过程中能够判新焊接质量,分析焊接工艺问题,通过适当调整焊接参数,减少焊接飞溅,提高焊接质量,大大提高了车间可视化管理,提高产品焊接质量,减少生产成本,提高经济效益。

1. 焊接数字孪生可视化监控系统架构

焊接数字孪生可视化监控系统由物理层、数据层和虚拟层组成。

1.1 物理层

物理层是创建产线数字孪生模型的基础,是工位设备、零部件、监测装置、人等的集合,能够实现产品焊接、修补、背烧、监测以及运输等生产活动;

1.2 数据层

数据层包含焊接工艺设备参数、资源、生产计划、工艺信息等实时监测数据,具备数据监测、分析、处理以及集成等方面功能;

1.3 虚拟层

虚拟层是数字孪生模型创建的核心,它是对焊接现场产线的数字化表达,旨在反映物理产线的几何、行为和流程。

1.4 应用层

根据虚实交互以及数据采集到的孪生数据,提供对生产过程的监控、优化以及物理实体层设备的维护等服务。

焊接数字孪生可视化监控系统架构

2. 焊接数字孪生可视化监控系统构建方法

为了建立数字孪生系统与焊接现场的双向信息交互通道。首先,在焊接数字孪生模型建模阶段,需要将物理数据模型与描述模型进行映射和融合;然后,在数据组织与管理阶段,对产线实时监测数据进行采集,并对实时监测数据进行有效处理和存储;最后,在应用服务阶段,展示了系统平台在数字孪生模型构建、实时监测数据组织与管理、产线可视化监控3个方面的应用效果。

2.1 焊接数字孪生体建模

借助数字孪生技术对产线制造资源(物理空间的物料、人员、设备以及环境)进行1:1数字化建模,在虚拟空间对物理产线形成高保真度映射,主要包含物理产线几何方面特征、描述生产行为过程、推演其运行状态等。

2.1.1 描述模型创建

描述模型是对物理产线的几何、行为以及规则特征数字化描述,包括配置模型、行为模型、逻辑模型。

配置模型是物理产线在虚拟空间的复制品,它涵盖物理空间一切可视化组成元素,主要由人、资源、零部件和焊接机器人等组成产线布局。以系统平台基础模型库为基础,在3D模型窗口中对模型的颜色、材料、大小进行渲染,保证与物理空间产线外观基本相似。

行为模型是对产线运行规则、设备行为运行关系等分析后,在系统中将实际产线运行规则和设备行为轨迹等相关参数进行设置,对生产物流仿真。

逻辑模型是将物理产线工艺流程规则转化成孪生模型仿真运行的逻辑,通过编写仿真代码和设置逻辑参数,保证产线上设备按照既定逻辑规则连接,展现产线加工过程。

焊接数字孪生体建模

2.1.2 数字孪生模型创建

融合与关联焊接产线物理数据和描述模型是创建焊接数字孪生模型的关键。

焊接产线的制造资源数据通过传感器、RFID、视觉系统等设备采集数据,利用以太网或无线网络将其传输到服务器进行处理、存储、应用,最终集成到物理数据模型。因此,物理数据是连接物理实体与描述模型的桥梁,基于两者之间的映射关系,实现实时监测数据驱动描述模型动态更新,达到产线虚实同步目的。

2.2 焊接产线监控数据组织与管理

2.2.1 产线数据采集

焊接产线实时监测数据采集主要针对产线关键工位设备运行参数,如焊接机器人、辊道、自动背烧等设备运行状态参数,焊接前零部件几何尺寸信息、工件类型、焊缝、电流、电压、车间温度等。通过RS485串口直接将PLC与工控机通信,然后将采集的实时数据上传至远程系统平台,实现数据储存和管理。

2.2.2 实时监测数据处理与存储

(1)监测数据预处理

根据实测数据对数字孪生模型的实质效果,将产线实时监测数据分为静态仿真数据和动态仿真数据。

静态仿真数据是模型内部控制参数或者是基本属性信息,如生产总量、焊接机器人故障率、物料信息等。这类数据在数字孪生模型仿真前后,不发生任何改变,只需要在虚拟空间中对数字孪生模型进行设定,不需要进行处理。

动态仿真数据则是指对数字孪生模型产生实质效果,如焊接设备参数、焊缝状态等数据。为实现对实测数据的有效利用,需要对动态仿真数据进行预处理。

1)剔除冗余数据:在焊接生产过程中,会有一些无用、杂乱的数据产生,需要对其进行过滤,保留精确、有用数据,减少模型仿真的复杂程度。例如操作人员种类、班次、物料采购、设备库存等数据对产线可视化监控与应用不产生影响,作为冗余数据剔除。

2)监测异常数据:根据监测数据代表的实际含义,分析监测数据是否存在异常。其次,用箱线图、K-Sigma、残差统计等方法对数据进行监测并剔除,保证后续存储有效数据。

3)数据拟合与可视化:根据生产信息管控的需求,需要对监测数据进行拟合,得到合适的函数图像。此外,为了尽可能展示物理空间焊接产线生产状态,可通过一些曲线图、散点图展示数据变化趋势,直观呈现产线特征。

(2) 监测数据存储

监测数据作为外部数据,预处理后直接存储于数据库或EXCEL中,通过两种方式将数据读取到软件平台数据表中:一类是利用平台数据接口OD-BC连接数据库,另一类是基于软件编程或者Ac-tiveX接口实现与EXCEL交互。孪生数据不仅包括驱动描述模型的监测数据,还包括描述模型仿真优化与计算得到的衍生数据。

焊接产线监控数据组织与管理

2.3 应用服务

通过焊接数字孪生可视化监控系统虚实交互联动,可真实刻画产线生产状态以及流程,实现产线生产状态和生产信息的全三维可视化监控。

2.3.1 设备管理

焊接数字孪生可视化监控系统同步显示了孪生模型仿真运行状态和实时监测数据,管理人员使用鼠标点击相应设备,即可查看设备的实时信息。例如,选择焊接机器人可以将焊接电流、焊接电压、气体流量等焊接参数以视图窗口的形式实时显示,且在界面使用表格工具对产线工位设备利用率进行计算,结果以柱状图形式向管理人员展示。

焊接数字孪生可视化监控系统设备管理

2.3.2 出料工位管理

管理人员可以查看出料工位的基本属性信息,比如:焊接工时、焊缝长度等信息,帮助管理人员快速了解产线的生产能力和生产对象信息。

2.3.3 焊接工艺管理

产线焊接工位可视化监控画面,可实时显示焊接工艺参数,如焊接机器人电流、电压、焊接工艺配方等。


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