基于数字孪生的喷涂工艺优化系统及其喷涂优化方法技术方案

本发明专利技术涉及喷涂工艺技术领域，公开了一种基于数字孪生的喷涂工艺优化系统及其喷涂优化方法，包括IMU惯性传感器模块、UWB无线测距传感器、一对温湿度传感器、流量计、若干RGB与结构光双目相机；构建工件及周围空间的初始状态数字孪生体并在喷涂过程中实时更新以及工件及周围空间的数字孪生体，同时构建喷枪的数字孪生体，完成喷涂后根据喷涂质量优化目标函数优化喷涂参数，利用迭代优化算法将计算结果用于正反馈。与现有技术相比，本发明专利技术通过传感网络对喷涂设备、工装零件、涂装平台等要素进行实时监测并构建数字孪生体，对测试方案的喷涂效果进行量化评价，形成对喷涂优化有效的正反馈信息。反馈信息。反馈信息。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生的喷涂工艺优化系统及其喷涂优化方法


[0001]本专利技术涉及喷涂优化
，具体涉及一种基于数字孪生的喷涂工艺优化系统及其喷涂优化方法。

技术介绍

[0002]喷涂是制造业加工过程中的重要工序之一，现有的自动变成喷涂设备存在的主要问题是仅关注喷涂路径的生成，涂装过程中有大量的涂料浪费，不仅浪费成本、污染环境，并且无法对喷涂效果进行量化评价及优化。
[0003]现有柔性涂装方法多采用六轴机器人，通过示教、自动编程等方式生成喷涂路径及相关喷涂参数，在初期仿真与试喷过程中，工程师、操作员需要根据自己的经验来调试往往很难快速得到高质量喷涂方案，喷涂效果与传统的车铣钻加工方法相比，在加工精度指标上很难量化与描述，需要人工现场观察、凭经验调参来确定喷涂工艺方案。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于数字孪生的喷涂工艺优化方法、系统，可通过传感网络对喷涂设备、工装零件、涂装平台等要素进行实时监测并构建数字孪生体，对测试方案的喷涂效果进行量化评价，形成对喷涂优化有效的正反馈信息。
[0005]技术方案：本专利技术提供了一种基于数字孪生的喷涂工艺优化系统，包括工作台、IMU惯性传感器模块、UWB无线测距传感器、一对温湿度传感器、流量计、若干RGB与结构光双目相机；所述工作台上设置有ROI区域，工业机器人设置于所述工作台一侧，所述IMU惯性传感器模块安装在工业机器人末端的喷枪上；所述UWB无线测距传感器由标签与若干基站组成，所述标签安装在喷枪上，若干基站安装在工作台的若干角点，用于测量喷枪在空间内的X、Y、Z坐标；一个所述温湿度传感器设置于工作台上，用于测量喷涂作业区域内的环境温度与湿度，另一个所述温湿度传感器安装于喷枪上，用于测量涂料的温度；所述流量计安装于所述喷枪上，用于测量喷涂流量速度；若干所述RGB与结构光双目相机设置于工作台上，且其正对所述工件的不同方位，用于工件及周围空间的图像采集与三维重建；所述系统还包括工业机器人设备数据采集模块，用于采集工业机器人的六个轴J1～J6的状态，并对六个轴进行运动控制。
[0006]进一步地，所述IMU惯性传感器模块包括加速度计和陀螺仪，其均固定于工业机器人末端的喷枪上，分别测量XYZ方向的线性加速度和XYZ轴向的角加速度；每次使用IMU惯性传感器模块前，将喷枪上IMU惯性传感器模块调至水平姿态进行零偏校准保证精度，然后确定包含XYZ方向的线性加速度、轴向角加速度的初始姿态；通过对加速度积分运算可得到喷枪在载体坐标系下的空间运动轨迹，使用四元数法对角加速度进行姿态解算得到每个轨迹点的姿态角。
[0007]进一步地，所述UWB无线测距传感器包含2个标签和4个基站，4个基站安装在工作
台的四个角点，其中一个基站与另外三个基站不在同一平面，2个标签固定在喷枪的相对面上，当其中一个标签脱离基站的视距时，通过另一个标签与基站正常通讯定位；所述标签与基站通讯定位方式采用TDOA时间差法，时间校准以工业计算机时钟为准，每经过一个设定的时间周期t通过扩展卡尔曼滤波法对IMU惯性传感器模块进行重定位。
[0008]进一步地，在采集工业机器人的六个轴J1～J6的状态，并对六个轴进行运动控制时，控制参数包含XYZ三轴坐标及WPR三轴转角，系统读取工业机器人用户坐标系、工具坐标系，建立IMU载体坐标系、UWB载体坐标系、工业机器人用户坐标系、工具坐标系的映射转换关系。
[0009]进一步地，与所述工业机器人正对的工作台一侧中间位置设置有所述RGB与结构光双目相机，所述工作台两侧中间位置设置有另外一对RGB与结构光双目相机，所述RGB与结构光双目相机包括一个RGB相机和一个结构光相机，三台RGB与结构光双目相机安装高度相同，且与工作台平面夹角相同，三台RGB与结构光双目相机呈等腰三角形分布，两腰顶点位置的结构光相机为中心相机，左右两台结构光相机分别为左边路相机、右边路相机；所述中心相机分别与左边路相机、右边路相机构成两个双目重建系统；每台RGB与结构光双目相机构建表面纹理重建系统。
[0010]本专利技术还公开一种喷涂工艺优化系统的优化方法，包括如下步骤：
[0011]步骤1：将待喷涂的工件装夹在工作台的ROI区域上，利用若干RGB与结构光双目相机采集工件及周围空间初始状态参数，并完成工件及周围空间的数字孪生体构建，所述初始状态参数包括工件表面颜色、工件表面光泽度、工件表面粗糙度；
[0012]步骤2：启动工业机器人与喷枪，通过工业机器人设备数据采集模块采集工业机器人初始状态，所述初始状态包括XYZ三轴坐标及WPR三轴转角，读取工业机器人用户坐标系、工具坐标系，然后启动喷枪进行喷涂；
[0013]步骤3：实时采集IMU惯性传感器模块、UWB无线测距传感器，记录喷涂过程中喷枪的运动路径与姿态变化，构建喷枪的数字孪生体，喷枪的状态信息包括XYZ方向线性加速度、XYZ轴向角速度、空间坐标、姿态，以及流量计、温湿度传感器记录喷涂过程中喷枪工作状态的变化，属性包括涂料喷射速度、涂料温度；RGB与结构光双目相机记录喷涂过程中工件表面及周围空间的喷涂状态，其状态信息包括工件表面颜色、工件表面光泽度、工件表面粗糙度、工件周围漆料的体积、漆料的堆叠度，对工件及周围空间的数字孪生体进行更新；
[0014]步骤4：完成喷涂后，由喷涂质量的光泽度、色差、涂层厚度及涂料喷雾的分布面积构建综合喷涂质量指标的优化目标函数，所述优化目标函数的初始值为根据步骤1
‑
3实际喷涂过程中构建的工件及周围空间的数字孪生体、喷枪的数字孪生体的状态计算得到的初始平均光泽度、初始平均色差、平均涂层厚度，初始漆雾分布面积；
[0015]步骤5：调整喷枪速度、加速度、喷涂量，使得光泽度差值向更小的方向优化，色差、涂层厚度差值的均值、涂料喷雾的分布面积差值向更小的方向优化，基于梯度下降法的迭代优化算法将计算结果用于正反馈，多次仿真迭代后得到喷涂参数的最优结果；
[0016]步骤6：迭代优化后生成新的喷枪移动速度、喷涂量、盆腔角度、喷嘴高度等参数，对原喷涂路径关键点位进行微调；
[0017]步骤7：反复执行步骤5和步骤6，当喷涂质量指标已达到最优值时结束循环，将最终喷涂路径与参数组合添加到喷涂工艺参数专家经验库中。
[0018]优选地，所述步骤3中采集IMU惯性传感器模块、UWB无线测距传感器的数据后进行融合定位，具体方法为：
[0019]1)对工业机器人的运动学模型进行分析，得到机器人末端运动位置的推算公式；
[0020]2)针对IMU惯性传感器模块的误差，提出基于变形LSTM长短期记忆网络的噪声建模算法，利用LSTM的长期记忆能力训练模型，提取IMU测量数据序列中的非线性关系；
[0021]3)使用扩展卡尔曼滤波算法，进行组合定位计算；假设工业机器人在某一时刻的状态可以用当前的位置p
t
和速度v
t
来表示，即状态向量X
t...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的喷涂工艺优化系统，其特征在于，包括工作台、IMU惯性传感器模块、UWB无线测距传感器、一对温湿度传感器、流量计、若干RGB与结构光双目相机；所述工作台上设置有ROI区域，工业机器人设置于所述工作台一侧，所述IMU惯性传感器模块安装在工业机器人末端的喷枪上；所述UWB无线测距传感器由标签与若干基站组成，所述标签安装在喷枪上，若干基站安装在工作台的若干角点，用于测量喷枪在空间内的X、Y、Z坐标；一个所述温湿度传感器设置于工作台上，用于测量喷涂作业区域内的环境温度与湿度，另一个所述温湿度传感器安装于喷枪上，用于测量涂料温度；所述流量计安装于所述喷枪上，用于测量涂料喷射速度；若干所述RGB与结构光双目相机设置于工作台上，且其正对所述工件的不同方位，用于工件及周围空间的图像采集与三维重建；所述系统还包括工业机器人设备数据采集模块，用于采集工业机器人的六个轴J1～J6的状态，并对六个轴进行运动控制。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的喷涂工艺优化系统，其特征在于，所述IMU惯性传感器模块包括加速度计和陀螺仪，其均固定于工业机器人末端的喷枪上，分别测量XYZ方向的线性加速度和XYZ轴向的角加速度；对加速度积分运算得到喷枪在载体坐标系下的空间运动轨迹，使用四元数法对角加速度进行姿态解算得到每个轨迹点的姿态角。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的喷涂工艺优化系统，其特征在于，所述UWB无线测距传感器包含2个标签和4个基站，4个基站安装在工作台的四个角点，其中一个基站与另外三个基站不在同一平面，2个标签固定在喷枪的相对面上。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的喷涂工艺优化系统，其特征在于，在采集工业机器人的六个轴J1～J6的状态，并对六个轴进行运动控制时，控制参数包含XYZ三轴坐标及WPR三轴转角，系统读取工业机器人用户坐标系、工具坐标系，建立IMU载体坐标系、UWB载体坐标系、工业机器人用户坐标系、工具坐标系的映射转换关系。5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的喷涂工艺优化系统，其特征在于，与所述工业机器人正对的工作台一侧中间位置设置有所述RGB与结构光双目相机，所述工作台两侧中间位置设置有另外一对RGB与结构光双目相机，所述RGB与结构光双目相机包括一个RGB相机和一个结构光相机，三台RGB与结构光双目相机安装高度相同，且与工作台平面夹角相同，三台RGB与结构光双目相机呈等腰三角形分布，两腰顶点位置的结构光相机为中心相机，左右两台结构光相机分别为左边路相机、右边路相机；所述中心相机分别与左边路相机、右边路相机构成两个双目重建系统；每台RGB与结构光双目相机构建表面纹理重建系统。6.一种基于权利要求1至5任一所述的喷涂工艺优化系统的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将待喷涂的工件装夹在工作台的ROI区域上，利用若干RGB与结构光双目相机采集工件及周围空间初始状态参数，并完成工件及周围空间的数字孪生体构建，所述初始状态参数包括工件表面颜色、工件表面光泽度、工件表面粗糙度；步骤2：启动工业机器人与喷枪，通过工业机器人设备数据采集模块采集工业机器人初始状态，所述初始状态包括XYZ三轴坐标及WPR三轴转角，读取工业机器人用户坐标系、工具坐标系，然后启动喷枪进行喷涂；步骤3：实时采集IMU惯性传感器模块、UWB无线测距传感器，记录喷涂过程中喷枪的运动路径与姿态变化，构建喷枪的数字孪生体，喷枪的状态信息包括XYZ方向线性加速度、XYZ
轴向角速度、空间坐标、姿态以及涂料喷射速度、涂料温度；RGB与结构光双目相机记录喷涂过程中工件表面及周围空间的喷涂状态，其状态信息包括工件表面颜色、工件表面光泽度、工件表面粗糙度、工件周围漆料的体积、漆料的堆叠度，对工件及周围空间的数字孪生体进行更新；步骤4：完成喷涂后，由喷涂质量的光泽度、色差、涂层厚度及涂料喷雾的分布面积构建综合喷涂质量指标的优化目标函数，所述优化目标函数的初始值为根据步骤1
‑
3实际喷涂过程中构建的工件及周围空间的数字孪生体、喷枪的数字孪生体的状态计算得到的初始平均光泽度、初始平均色差、平均涂层厚度，初始漆雾分布面积；步骤5：调整...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵泽政，雷景贵，白惠心，邢向华，姚晓晖，姜楠，阮俊，黄佳莹，吴亢，
申请(专利权)人：航天科工深圳集团有限公司，
类型：发明
国别省市：