基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统及方法与流程

1.本发明涉及汽车工业自动化技术领域，具体涉及基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统及方法。

背景技术：

2.现有技术中，在汽车生产组装的过程之中，焊接是极其重要的环节，目前机器臂配合焊焊接的方式是智能化汽车工厂中焊接拼装汽车的通用方式。通过和生产线的基层人员的走访调研，了解到此种方式存在如下问题：例如存在焊接时的视觉盲区，机器臂操作人员无法看到焊与被焊接汽车部件的实时情况，以及机械臂的焊接过程由于无法进行各种情况的调试，导致不能根据实际生产情况去调整优化机械臂的焊接效率，因此针对以上问题提供了一种基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统及方法。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统及方法，通过将机械臂的实时运动状态以及运动轨迹进行数字孪生重构，从而搭建三维可视化的推演优化辅助系统，来达到提高机械臂焊接的生产效率和避免视觉盲区带来的优化困难的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明采用了以下方案：
5.基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，包括数据采集模块、数据优化模块、数字孪生平台以及监测推演终端，
6.数据采集模块，用于采集生产线中焊接设备工艺参数，并将采集数据输送至数据库形成焊接设备运动数据集；
7.数字孪生平台，所述数字孪生平台搭载数字孪生模型，用于构建所述焊接设备虚拟模型，并用于对接数据库中的所述采集数据，将所述采集数据与所述焊接设备虚拟模型形成映射联动关系，以三维图像的方式显示在所述监测推演终端；
8.监测推演终端，所述监测推演终端用于监测所述焊接设备的实时运动姿态，还用于根据所述数字孪生平台中预设的参数对所述焊接设备进行推演，并将推演数据通过所述数字孪生平台输送至数据库；
9.数据优化模块，获取数据库中的所述推演数据，对所述推演数据进行优化形成优化数据，并将所述优化数据输送至数据库。
10.进一步地，所述焊接设备包括有机械臂和焊。
11.进一步地，所述工艺参数包括所述焊接设备实时运动参数和位姿参数。
12.进一步地，所述数据采集模块包括惯性动作捕捉单元和光学动作捕捉单元，惯性动作捕捉单元，用于采集惯性动作捕捉数据；
13.光学动作捕捉单元，用于采集光学动作捕捉数据。
14.进一步地，所述数字孪生平台包括渲染引擎和物理引擎单元、模型构建单元、操作
交互单元以及推演预案管理单元，
15.渲染引擎和物理引擎单元，用于数字孪生平台的图形渲染与物理碰撞、物体运动的基础模拟环境搭建；
16.模型构建单元，用于构建所述焊接设备虚拟模型；
17.操作交互单元，用于将推演后推演无误后技术人员再将相关优化参数输入进实体机械臂调整效能；
18.推演预案管理单元，预设所述焊接设备的指定运行参数和所述焊接设备的焊接运动路径。
19.进一步地，所述监测推演终端包括三维可视化展示单元、动画运动演示单元、运动轨迹预演单元、物理模拟碰撞检测单元以及推演报告生成单元，
20.三维可视化展示单元，用于以三维可视化的方式展示焊接设备的各种运动；
21.动画运动演示单元，用于以动画的方式展示焊接设备的各种运动；
22.运动轨迹预演单元，根据设定的参数以及解析的焊接设备运动数据集对焊接设备在各种极限情况下进行运动推演；
23.物理模拟碰撞检测单元，用于模拟各种物理碰撞检测的识别；
24.推演报告生成单元，用于将推演数据生成推演报告，并将推演数据输送至数据库。
25.进一步地，所述监测推演终端还包括状态监控单元，用于监测所述焊接设备的实时运动姿态。
26.进一步地，所述数据优化模块包括数据对比纠偏单元和数据差值补帧单元。
27.本发明还提供了一种基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助方法，包括以下步骤：
28.s1：根据生产线中焊接设备结构和布局，数字孪生平台构建所述焊接设备虚拟模型；
29.s2：采集生产线中焊接设备工艺参数，并将采集数据输送至数据库形成焊接设备运动数据集，数字孪生平台将所述采集数据与所述焊接设备虚拟模型形成映射联动关系，以三维图像的方式显示在所述监测推演终端；
30.s3：根据所述数字孪生平台中预设的参数对所述焊接设备进行推演，并将推演数据通过所述数字孪生平台输送至数据库；
31.s4：获取数据库中的所述推演数据，对所述推演数据进行优化形成优化数据，并将所述优化数据输送至数据库。
32.进一步地，执行s3时，还包括监测所述焊接设备的实时运动姿态，并统计监测数据。
33.本发明具有的有益效果：
34.1、本发明创造了一种可对汽车制造领域中的汽车零部件焊接流程进行效能验证和状态监控的系统及方法，以数字孪生方式呈现三维可视化的机械臂焊接过程，在数字孪生的系统中真实还原机械臂的运动，通过模拟机械臂的反复运动比对和参数调优，到更合适实物机械臂焊接的高效方案。
35.2、本发明优化辅助系统分为两种模式，一种是推演模式，技术人员可以在系统当中预设指定运行参数和机械臂的焊接运动路径并进行反复的技术验证和模拟实验从而优
化焊接实体设备的生产效率，另一种模式为实时监测模式，技术人员可实时观测到机械臂和气缸的实时运动姿态，将以往肉眼不可见的视觉盲区展示出来，为技术人员优化系统效率提供进一步的数据参考。
36.3、本发明通过在模拟环境中推演，可避免实物机械臂产生碰撞干涉。
附图说明
37.图1为本发明的架构图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。应用于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
39.如图1所示，基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，包括数据采集模块、数据优化模块、数字孪生平台以及监测推演终端，
40.数据采集模块，用于采集生产线中焊接设备工艺参数，并将采集数据输送至数据库形成焊接设备运动数据集；
41.数字孪生平台，所述数字孪生平台搭载数字孪生模型，用于构建所述焊接设备虚拟模型，并用于对接数据库中的所述采集数据，将所述采集数据与所述焊接设备虚拟模型形成映射联动关系，以三维图像的方式显示在所述监测推演终端；
42.监测推演终端，所述监测推演终端用于监测所述焊接设备的实时运动姿态，还用于根据所述数字孪生平台中预设的参数对所述焊接设备进行推演，并将推演数据通过所述数字孪生平台输送至数据库；
43.数据优化模块，获取数据库中的所述推演数据，对所述推演数据进行优化形成优化数据，并将所述优化数据输送至数据库。
44.本发明中焊接设备包括有机械臂和焊。
45.本发明中工艺参数包括所述焊接设备实时运动参数和位姿参数以及所述焊接设备的机构数据。
46.本发明中数据采集模块包括惯性动作捕捉单元和光学动作捕捉单元，其中，惯性动作捕捉单元用于采集惯性动作捕捉数据，光学动作捕捉单元用于采集光学动作捕捉数据。
47.本发明中数字孪生平台包括渲染引擎和物理引擎单元、模型构建单元、操作交互单元以及推演预案管理单元，渲染引擎和物理引擎单元用于数字孪生平台的图形渲染与物理碰撞、物体运动的基础模拟环境搭建；模型构建单元用于构建所述焊接设备虚拟模型；操作交互单元用于将推演后推演无误后技术人员再将相关优化参数输入进实体机械臂调整效能；推演预案管理单元用于预设所述焊接设备的指定运行参数和所述焊接设备的焊接运动路径。
48.本发明中监测推演终端包括三维可视化展示单元、动画运动演示单元、运动轨迹预演单元、物理模拟碰撞检测单元以及推演报告生成单元，其中，三维可视化展示单元用于
以三维可视化的方式展示焊接设备的各种运动；动画运动演示单元用于以动画的方式展示焊接设备的各种运动；运动轨迹预演单元根据设定的参数以及解析的焊接设备运动数据集对焊接设备在各种极限情况下进行运动推演；物理模拟碰撞检测单元用于模拟各种物理碰撞检测的识别；推演报告生成单元用于将推演数据生成推演报告，并将推演数据输送至数据库。
49.本发明中监测推演终端还包括状态监控单元用于监测所述焊接设备的实时运动姿态。
50.本发明中数据优化模块包括数据对比纠偏单元和数据差值补帧单元。
51.本发明还提供了一种基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助方法，包括以下步骤：
52.s1：根据生产线中焊接设备结构和布局，数字孪生平台构建所述焊接设备虚拟模型；
53.s2：采集生产线中焊接设备工艺参数，并将采集数据输送至数据库形成焊接设备运动数据集，数字孪生平台将所述采集数据与所述焊接设备虚拟模型形成映射联动关系，以三维图像的方式显示在所述监测推演终端；
54.s3：根据所述数字孪生平台中预设的参数对所述焊接设备进行推演，并将推演数据通过所述数字孪生平台输送至数据库；
55.s4：获取数据库中的所述推演数据，对所述推演数据进行优化形成优化数据，并将所述优化数据输送至数据库。
56.执行s3时，还包括监测所述焊接设备的实时运动姿态，并统计监测数据。
57.实施例一
58.本实施例以焊接设备中的机械臂为例，阐述整个系统的工作流程以及优化方法。
59.首先，构建惯性动作捕捉系统，在机械臂上加装惯性传感器，其中惯性传感器可组合形成传感器阵列布设在机械臂上。构建光学动作捕捉系统，首先将红外光学镜头通过三脚架、夹具等镜头固定装置布置在场地周围，确保镜头视野能够覆盖捕捉区域(即机械臂的工作区域)，对场地进行标定，并在机械臂上贴上反光标记点，镜头通过获取反光标记点空间位置信息完成数据采集和捕捉。
60.上述操作完成后，让实物机械臂运行一段时间，用于采集实际的机械臂运动轨迹生成运动数据集，保存进数据库。
61.然后，构建机械臂的三维模型，完成数字孪生平台的图形渲染与物理碰撞、物体运动的基础模拟环境搭建，接入数据库数据与机械臂运动数据，系统通过对运动数据集的解析精确还原机械臂的运动轨迹，最后将机械臂的各种运动以三维可视化的方式展示呈现，并且支持对机械臂的运动与姿态的调整。将机械臂的场景以三维形式模拟还原重构，同时模拟对各种物理碰撞检测的识别，技术人员通过修改机械臂的运动参数，可以准确控制机械臂的运动，从而推演机械臂生产效率是否提升，同时技术人员根据对参数的优化也可验证各种极限情况下机械臂的运动是否异常，如果在模拟中出现机械臂碰撞，系统也会提示用户调整数据重新推演，联调测试，并进行多次的机械臂模拟推演，形成最优化的推演运动数据，生成推演报告，并保存进数据库，推演无误后技术人员可将相关优化参数输入进实体机械臂调整效能。
62.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其他任何变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
63.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：

1.基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据优化模块、数字孪生平台以及监测推演终端，数据采集模块，用于采集生产线中焊接设备工艺参数，并将采集数据输送至数据库形成焊接设备运动数据集；数字孪生平台，所述数字孪生平台搭载数字孪生模型，用于构建所述焊接设备虚拟模型，并用于对接数据库中的所述采集数据，将所述采集数据与所述焊接设备虚拟模型形成映射联动关系，以三维图像的方式显示在所述监测推演终端；监测推演终端，所述监测推演终端用于监测所述焊接设备的实时运动姿态以及统计监测数据，还用于根据所述数字孪生平台中预设的参数对所述焊接设备进行推演，并将推演数据通过所述数字孪生平台输送至数据库；数据优化模块，获取数据库中的所述推演数据，对所述推演数据进行优化形成优化数据，并将所述优化数据输送至数据库。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，其特征在于：所述焊接设备包括有机械臂和焊。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，其特征在于：所述工艺参数包括所述焊接设备实时运动参数和位姿参数。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，其特征在于：所述数据采集模块包括惯性动作捕捉单元和光学动作捕捉单元，惯性动作捕捉单元，用于采集惯性动作捕捉数据；光学动作捕捉单元，用于采集光学动作捕捉数据。5.根据权利要求1所述的基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，其特征在于：所述数字孪生平台包括渲染引擎和物理引擎单元、模型构建单元、操作交互单元以及推演预案管理单元，渲染引擎和物理引擎单元，用于数字孪生平台的图形渲染与物理碰撞、物体运动的基础模拟环境搭建；模型构建单元，用于构建所述焊接设备虚拟模型；操作交互单元，用于将推演后推演无误后技术人员再将相关优化参数输入进实体机械臂调整效能；推演预案管理单元，预设所述焊接设备的指定运行参数和所述焊接设备的焊接运动路径。6.根据权利要求1所述的基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，其特征在于：所述监测推演终端包括三维可视化展示单元、动画运动演示单元、运动轨迹预演单元、物理模拟碰撞检测单元以及推演报告生成单元，三维可视化展示单元，用于以三维可视化的方式展示焊接设备的各种运动；动画运动演示单元，用于以动画的方式展示焊接设备的各种运动；运动轨迹预演单元，根据设定的参数以及解析的焊接设备运动数据集对焊接设备在各种极限情况下进行运动推演；物理模拟碰撞检测单元，用于模拟各种物理碰撞检测的识别；推演报告生成单元，用于将推演数据生成推演报告，并将推演数据输送至数据库。
7.根据权利要求6所述的基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，其特征在于：所述监测推演终端还包括状态监控单元，用于监测所述焊接设备的实时运动姿态。8.根据权利要求1所述的基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，其特征在于：所述数据优化模块包括数据对比纠偏单元和数据差值补帧单元。9.基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：根据生产线中焊接设备结构和布局，数字孪生平台构建所述焊接设备虚拟模型；s2：采集生产线中焊接设备工艺参数，并将采集数据输送至数据库形成焊接设备运动数据集，数字孪生平台将所述采集数据与所述焊接设备虚拟模型形成映射联动关系，以三维图像的方式显示在所述监测推演终端；s3：根据所述数字孪生平台中预设的参数对所述焊接设备进行推演，并将推演数据通过所述数字孪生平台输送至数据库；s4：获取数据库中的所述推演数据，对所述推演数据进行优化形成优化数据，并将所述优化数据输送至数据库。10.根据权利要求9所述的基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助方法，其特征在于，执行s3时，还包括监测所述焊接设备的实时运动姿态，并统计监测数据。

技术总结

本发明公开了一种基于数字孪生平台的生产线焊接设备优化辅助系统，包括数据采集模块，用于采集生产线中焊接设备工艺参数，并将采集数据输送至数据库形成焊接设备运动数据集；数字孪生平台，用于构建所述焊接设备虚拟模型，对接数据库中的所述采集数据，将所述采集数据与所述焊接设备虚拟模型形成映射联动关系，以三维图像的方式显示在所述监测推演终端；监测推演终端，用于监测所述焊接设备的实时运动姿态，根据预设的参数对所述焊接设备进行推演，并将推演数据通过所述数字孪生平台输送至数据库；数据优化模块，获取数据库中的所述推演数据，对所述推演数据进行优化形成优化数据，并将所述优化数据输送至数据库。并将所述优化数据输送至数据库。并将所述优化数据输送至数据库。