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点云数据采集在数字孪生工厂三维建模中的应用

发布时间:2022-11-30

编辑人:灵图互动

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点云数据采集在数字孪生工厂三维建模中的应用通过三维激光扫描仪对焊装生产线进行全方位扫描,获取点云技术扫描数据,对数据处理得到车间的点云模型,利用点云模型对生产线设备进行三维数字化工厂搭建,确定机器人和夹具的位置,准确获取现场3D数据,并将其应用于调整数字孪生工厂布局,实现了数字工厂与现实工厂数据的一致性,为焊装生产线改造的工艺模拟仿真验证做好前期必要准备工作。

1. 点云数据采集

1.1 点云扫描设备

用于数字孪生工厂构建的点云扫描设备分为2种,一种是大型三维移动扫描测量系统,具有扫描范围大、精度高、易操作、可移动、速度快的优点,单副测量范围为0.6~70m,测量速率高达488000点/s,距离精度达到3mm,工作温度范围-20~50℃,设备尺寸为230mm×183mm×103mm。

另一种是便携式扫描测量系统,具有完全移动自由、质量小、自动对齐调整、测量范围扩展、使用方便、界面友好的优点。扫描区域为275mm×250mm,测量速率高达488000点/s,距离精度达到0.03mm,工作温度范围0~40℃,轻便、小巧,质量只有1.38kg,可装入随身携带的手提箱,既适用于实验室环境,也可携带至车间使用,无需外部定位系统,也无需使用机械臂、三脚架或工装夹具。

1.2 点云扫描步骤

数字孪生工厂点云数据的采集,处理需要经过一系列的操作步骤,具体如下。

1.2.1 现场扫描测绘

对于焊装生产线点云扫描,需要从多个角度进行无死角扫描。设备固定好后,确定好基准点,自动旋转扫描,只需要1人操作,省时省力。当设备单幅扫描完毕,设备换下个位置继续扫描。控制网应根据测区内已知控制点的分布、环境结构特点、扫描目标物的分布和精度要求,选定控制网等级并规划控制网的网形;控制点宜选在扫描目标物附近、长期稳固且容易被观察的地方,如厂房立柱、混凝土墙壁等;根据需要,小区域或单体目标物扫描时可不设控制网。

1.2.2 数据拼接

进行单幅扫描完毕之后,需要将数据进行拼接,以得到我们需要的完整的整个点云线体。根据不同的作业方式,可选择标靶、标靶和控制点结合、公共特征进行点云数据的拼接。

a.使用标靶和公共特征进行数据拼接时,应采用≥3个同名点建立转换矩阵;

b.相邻两扫描站的公共标靶个数≥3个(仪器经过严格整平时,≥2个),拼接后同名点的误差应≤2mm。

使用控制点与标靶结合拼接应符合下列规定。

a.长距离线型生产线,以20m一段分区扫描,每段分区内点云数据按标靶方式拼接形成区域整体点云,各区域整体点云按区域内扫描的控制点分别拼接至控制网坐标系中;

b.短距离和小区域线体扫描,可利用全站仪或其它仪器精确测量标靶坐标作为导向控制,再将各站扫描数据拼接至控制坐标中;

c.结合控制网测量的整体点云误差应≤5mm。

1.2.3 降噪、轻量化处理

扫描后的点云数据非常大,不利于使用,需要进行降噪处理,达到使用的条件。点云数据中存在脱离扫描目标物的异常点、孤立点或与目标物无关的点时,应采用滤波和人为方式进行除噪、除杂处理;点云数据抽稀应不影响目标物特征的识别与提取,且抽稀后的最大点间距不得>6mm。

点云数据采集在数字孪生工厂三维建模中的应用

1.2.4 文件输出

数据处理完毕后,输出POD格式点云数据,供数字孪生工厂使用。点云数据输出格式为*.pod,文件以字母或阿拉伯数字命名,ProcessSimu⁃late(PS)软件不支持中文名称的POD点云;输出经格式转换的点云,其色彩、目标物特征不得失真;避免大点云数据集中加载,工厂点云数据按厂房结构、生产线体分区导出,所有导出的分区点云应保证在同一参考系;根据需要导出局部区域点云数据;所有原始点云数据应保存归档,保证数据完整性。

2. 数字孪生工厂建模

将生产线所有资源的三维模型导入到Process Simulate软件中,根据车间现场点云模型,完成数字孪生工厂建模,然后通过Process Simulate软件提供的机器人虚拟仿真技术、人机仿真技术对关键工位进行虚拟仿真和优化,改善工艺方案,改善工作场所的安全状况,提高工作效率,增加产品与工作环境舒适度。

2.1 点云数据导入数字孪生工厂

点云数据导入数字孪生工厂具体导入步骤如下。

a.在后台Sysroot路径下创建文件夹路径,将pod点云数据放在此文件夹下,Point_Cloud文件夹点云数据为英文名称;

b.在PS软件中加载点云所在的文件夹,右键选择Load in Standard Mode,进入三维模式;

c.PS软件中选择Modeling标签,选择点云,插入点云。在Point Clouds文件中即可看到点云数据,在三维窗口中即可观察到点云模型。

d.插入点云数据包含整个工厂的三维模型,当视角有遮挡时,可以对点云进行编辑,分层处理,处理后操作人员即可根据需要,显示或隐藏自己所需要层级的点云数据。这一功能极大的方便操作人员的数字孪生工厂建模。

点云数据导入数字孪生工厂

2.2 生产线数据建模

点云数据处理完毕后,在软件Process Simulate中建立起数字孪生工厂生产线模型,其中包含机器人及底座、焊枪、传输设备、安全设备、机器人附属设备、安全设备、抓手夹具、滚床产线设备,用于后续模拟仿真。

a.将机器人及底座、焊枪、传输设备、安全设备、机器人附属设备、安全设备、抓手夹具、滚床产线设备调入PS三维视图窗口中;

b.根据点云文件调整所有设备(机器人、夹具、电极修磨器)的位置,将设备位置与点云数据位置高度调整一致,软件中可以精细精准移动;

c.根据点云文件,调整PD数据中资源的位置,方便点云数据与数字孪生工厂高度一致,方便查看;

d.更新所有改动,保存数据。将生产线所有资源的三维模型导入到Process Simulate软件中,根据车间点云模型,完成数字孪生工厂的搭建,然后通过Process Simulate软件提供的机器人虚拟仿真技术、人机仿真技术,对关键工位进行仿真和优化,改善工艺方案、改善工作场所的安全状况、提高工作效率、增加产品与工作环境舒适度。至此,可以通过现在常用的数字化工厂,进行数字化虚拟仿真。

生产线数据数字孪生建模

点云数据采集在数字孪生工厂三维建模中的应用成功解决了原来以三维CAD数据为基础的数字化工厂构建技术不能确保工厂的产品、设备、水电气管及建筑结构构件完整性和准确性的问题。实现了焊装车间数字孪生工厂的建模工作,为后续焊装车间关键工位的工艺仿真验证和工艺优化起到了至关重要的作用。


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