【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及典型零部件加工，具体涉及一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法及系统。
技术介绍
1、焊接机器人因其稳定的性能、高效的焊接效率、较高的焊接质量以及相对低的成本，逐步取代焊接人员，越来越广泛应用于船舶、汽车和机械制造等工业领域。然而，与任何复杂的机械设备一样，焊接机器人容易出现各种技术问题，可能会影响生产效率和产品质量，在辊筒焊接领域尤为如此，常发生撞枪、出现电弧故障不能引弧、保护气体供应异常等问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：针对目前辊筒焊接过程中出现的发生撞枪、出现电弧故障不能引弧、保护气体供应异常等问题，从影响辊筒焊接质量的关键因素出发，提供了一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法及系统，通过实时获取焊接过程数据，对辊筒焊接过程进行在线监测，并在焊接出现异常状况时发出告警。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，包括以下步骤；
4、物理空间构建：物理空间包括焊接设备、3d焊接视觉传感器装置、温度传感器装置、告警装置以及数据采集装置；数据采集装置包括数据采集程序和部署程序的服务器，数据采集装置通过车间网络采集焊接设备、工件及传感器的辊筒焊接过程数据，并将采集到的焊接过程数据传输至数字孪生数字空间；
5、数字孪生数字空间构建：数字孪生数字空间包括辊筒焊接设备和工件几何模型、焊接知识库模型、焊接在线监测模型，设备和工件几何模型是根据物理设备和产品技术资料建立的三维模
6、虚实映射：使用数据采集装置获取焊接过程数据，驱动虚拟模型，使数孪场景中的设备呈现与真实设备一致的运动状态、姿态和位置；
7、异常告警：在异常事件发生时，数字孪生系统可向数字孪生数字空间和告警装置发出告警信息。
8、进一步的，所述焊接在线监测模型包括保护气体流场分布监测单元、焊接位置及距离监测单元及焊点温度和工件热场分布监测单元；所述保护气体流场分布监测单元包括阈值管理模块、计算分析模块和结果输出模块，保护气体流场分布监测单元监测焊接过程中保护气体输出的压力、浓度、位置、距离及瓶内气体余量指标。
9、进一步的，所述保护气体流场分布监测单元具体包括以下步骤：
10、获取气体喷嘴内径、阀门开度及气体压强，调用fluent流体力学仿真软件分析气体从喷嘴喷出后的流场状态、压力、浓度和覆盖范围；
11、将仿真数据输出unity三维引擎使用粒子系统模拟呈现压缩气体流动及影响范围的可视化效果；
12、当气体实际输出的压力值接近或小于系统阈值时，向数字孪生空间及告警装置发出告警信息，
13、气体压力公式为：
14、p＝ρgh+p0
15、p为气体压力，ρ为气体密度，g为重力加速度，h为气体高度，p0为大气压力。
16、气体流速公式为：
17、v＝(2*δp/ρ)^0.5*(1/a)
18、上式中，v为气体流速，δp为管道两端的压差，ρ为气体密度，a为气体喷嘴的横截面积。
19、进一步的，所述焊接位置及距离监测单元对辊筒压装过程及焊接过程进行监测，具体监测轴头压装到筒身两端的位置与角度、轴头与筒身的间隙量、焊枪定位精准度及姿态精准度、焊接位置准确度；焊接位置及距离监测单元具体包括以下步骤：
20、通过配置3d焊接视觉传感器实时获取压装、焊接设备及工件的运动轨迹及位置；
21、利用预先标定的转化矩阵，将物体在相机中的位置和姿态数据转换至数字孪生空间坐标系，将数字孪生空间中对应物体的三维模型设置成转换后的位置和姿态，为相关虚拟物体模型添加刚体组件，用于检测虚拟模型在数据驱动的运动中可能发生的碰撞行为；
22、将获得的实际加工参数与理论工艺参数对比，分析偏差，当偏差值超过阈值时，则发出告警信息，并以特效方式在数字孪生空间中渲染出现异常的设备或工件，
23、不同空间坐标转换为：
24、
25、t代表转换后的坐标，s代表转换前的坐标，r是旋转矩阵，δ是平移向量，比例因子λ是两个刚体对应边长的比，平移向量δ需要在旋转矩阵r确定后才能确定，r是3x3的矩阵。
26、进一步的，所述焊点温度和工件热场分布监测单元对焊接总热和工件热场分布进行监测，具体包括以下步骤：
27、通过获取焊接设备的电流、电压值，计算焊接时的输出总热量，与阈值比较；
28、通过温度传感器获取焊接时工件热场分布及过程中的温度变化，提取极值与阈值比较，分析偏差，当焊接温度超出阈值期间，则发出告警信息，
29、焊接热导入量的公式为：
30、q＝(k×u×i)×0.001/v
31、其中，q为温度，k为传导系数取0.8，u为电压，i为电流，v为焊接速度。
32、进一步的，所述3d焊接视觉传感器安装在焊接设备机架前方位置，能拍摄到焊接设备及待焊接的辊筒位置；告警装置安装于焊接现场，用于接收数字孪生系统发出的告警信息。
33、本专利技术还包括一种辊筒焊接在线监测数字孪生系统，采用一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法进行控制，包括：
34、数据采集装置，通过车间有线和无线网络与焊接设备及智能终端装置连接；
35、3d焊接视觉传感器装置，采用超快激光编码全场投射模式，可直接输出三维点云数据，通过无线通信装置与车间网络连接；
36、温度传感器装置，为红外温度传感器，通过无线通信装置与车间网络连接；
37、告警装置，为声光报警器，通过无线通信装置与车间网络连接；
38、辊筒焊接监测模型包括保护气体流场分布监测子模型、焊接位置距离监测子模型及焊点温度和工件热场分布监测子模型。
39、进一步的，所述保护气体流场分布监测模型包括阈值管理模块、计算分析模块和结果输出模块，保护气体流场分布监测单元监测焊接过程中保护气体输出的压力、浓度、位置、距离及瓶内气体余量指标。
40、进一步的，所述焊接位置及距离监测模型对辊筒压装过程及焊接过程进行监测，具体监测轴头压装到筒身两端的位置与角度、轴头与筒身的间隙量、焊枪定位精准度及姿态精准度、焊接位置准确度。
41、进一步的，所述焊点温度和工件热场分布监测模型对焊接总热和工件热场分布进行监测。
42、与现有的技术相比本专利技术的有益效果是：
43、一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法及系统，通过实时获取焊接过程数据，对辊筒焊接过程进行在线监测，并在焊接出现异常状况时发出告警。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述焊接在线监测模型包括保护气体流场分布监测单元、焊接位置及距离监测单元及焊点温度和工件热场分布监测单元；所述保护气体流场分布监测单元包括阈值管理模块、计算分析模块和结果输出模块，保护气体流场分布监测单元监测焊接过程中保护气体输出的压力、浓度、位置、距离及瓶内气体余量指标。
3.根据权利要求2所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述保护气体流场分布监测单元具体包括以下步骤：
4.根据权利要求2所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述焊接位置及距离监测单元对辊筒压装过程及焊接过程进行监测，具体监测轴头压装到筒身两端的位置与角度、轴头与筒身的间隙量、焊枪定位精准度及姿态精准度、焊接位置准确度；焊接位置及距离监测单元具体包括以下步骤：
5.根据权利要求2所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述焊点温度和工件热场分布监测
6.根据权利要求1所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述3D焊接视觉传感器安装在焊接设备机架前方位置，能拍摄到焊接设备及待焊接的辊筒位置；告警装置安装于焊接现场，用于接收数字孪生系统发出的告警信息。
7.一种辊筒焊接在线监测数字孪生系统，其特征在于，采用根据权利要求1-6任一权利要求所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法进行控制，包括：
8.根据权利要求7所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生系统，其特征在于，所述保护气体流场分布监测模型包括阈值管理模块、计算分析模块和结果输出模块，保护气体流场分布监测单元监测焊接过程中保护气体输出的压力、浓度、位置、距离及瓶内气体余量指标。
9.根据权利要求7所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生系统，其特征在于，所述焊接位置及距离监测模型对辊筒压装过程及焊接过程进行监测，具体监测轴头压装到筒身两端的位置与角度、轴头与筒身的间隙量、焊枪定位精准度及姿态精准度、焊接位置准确度。
10.根据权利要求7所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生系统，其特征在于，所述焊点温度和工件热场分布监测模型对焊接总热和工件热场分布进行监测。
...【技术特征摘要】
1.一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述焊接在线监测模型包括保护气体流场分布监测单元、焊接位置及距离监测单元及焊点温度和工件热场分布监测单元；所述保护气体流场分布监测单元包括阈值管理模块、计算分析模块和结果输出模块，保护气体流场分布监测单元监测焊接过程中保护气体输出的压力、浓度、位置、距离及瓶内气体余量指标。
3.根据权利要求2所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述保护气体流场分布监测单元具体包括以下步骤：
4.根据权利要求2所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述焊接位置及距离监测单元对辊筒压装过程及焊接过程进行监测，具体监测轴头压装到筒身两端的位置与角度、轴头与筒身的间隙量、焊枪定位精准度及姿态精准度、焊接位置准确度；焊接位置及距离监测单元具体包括以下步骤：
5.根据权利要求2所述的一种辊筒焊接在线监测数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述焊点温度和工件热场分布监测单元对焊接总热和工件热场分布进行监测，具体包括以下步骤：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：沈超，曾庆涛，李森，张学华，熊开放，梁志强，王斌，保石珍，熊雯洁，宁通，张慧，
申请(专利权)人：云南昆船设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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