CN110781580A - 一种基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，该系统包括依次连接并进行数据通信的实体层、通信层、信息层和服务层；所述实体层获取现场实时数据并通过通信层依次将现场实时数据传输信息层和服务层；所述服务层根据人工输入的参数产生焊接工艺数据并根据获取的现场实时数据产生控制决策数据，服务层将产生的焊接工艺数据和控制决策数据依次通过信息层、通信层发送给实体层；所述信息层存储并提供用于仿真建模的模型和数据。本发明还公开了上述基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统的设计方法。

Description

一种基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺辅助设计系统，具体涉及一种基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，还涉及基于上述辅助设计系统的设计方法，属于焊接工艺设计技术领域。

背景技术

船体焊接是船舶建造过程中必不可少的工序，对提高船舶建造效率和质量起到十分重要的作用，焊接质量的好坏是保证船舶的强度和寿命的关键所在。但是从实际操作情况来看，船体结构在焊接的过程中不可避免的会出现一些焊接缺陷，严重影响了船舶建造的质量。目前的焊接工艺，往往是从工艺设计到加工现场执行的单向信息传递，当焊接过程中出现异常时，不能对焊接工艺进行实时调整，很容易产生焊接缺陷。因此，实现焊接现场工艺执行与焊接工艺制定的实时信息交互，对提高焊接质量具有重大意义。

数字孪生的概念由美国Michael Grieves教授于2003年提出，当前的研究和应用主要集中于航空航天和汽车制造等领域的产品设计、制造车间建模、产品装配、产品质量分析和寿命预测等，并作为面向智能制造的新兴技术引起了广泛重视。数字孪生技术是以数字化的方式建立物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在实体环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，实现物理世界和信息世界的融合。运用数字孪生技术，可以集成复杂的制造工艺，实现“产品设计-产品制造-产品维护”的全生命周期的优化。未来，数字孪生将成为数字化制造的关键技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，该系统将数字孪生技术运用到焊接工艺中，能够实现焊接工艺设计与焊接生产现场执行的无缝衔接。

本发明还要解决的技术问题是提供上述基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统的设计方法，该方法通过数字孪生技术进行辅助焊接，能够解决船舶分段焊接过程中存在的工艺设计效率低、实时性差、信息难以共享、资源利用率低等问题，通过对实体焊接现场和虚拟仿真空间的实时信息交互，提高焊接的效率和质量。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，包括依次连接并进行数据通信的实体层、通信层、信息层和服务层；所述实体层获取现场实时数据并通过通信层依次将现场实时数据传输信息层和服务层；所述服务层根据人工输入的参数产生焊接工艺数据并根据获取的现场实时数据产生控制决策数据，服务层将产生的焊接工艺数据和控制决策数据依次通过信息层、通信层发送给实体层；所述信息层存储并提供用于仿真建模的模型和数据。

其中，实体层包括焊接数据采集设备、焊接设备、焊件和加工人员；所述焊接数据采集设备与通信层连接将采集数据上传到通信层；所述焊接数据采集设备包括RFID设备、电流传感器、速度传感器和温度传感器；所述焊接数据采集设备采集的数据包括焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接温度；所述焊接设备、焊件具有唯一的二维码标签，焊接设备的二维码标签包含设备加工参数，焊件的二维码标签包含几何和工艺参数信息。

其中，通信层包括通信设备，所述通信设备分别通过CAN总线、OPC总线及Modbus总线与所述通信层的数据采集设备连接；通信设备同时通过网络与信息层连接，将采集设备采集的数据传输给信息层。

其中，信息层包括用于处理焊接工艺数据的数据处理平台和用于存储焊接数据的数据库；数据处理平台与通信层连接，将通信层上传的采集数据进行存储；数据处理平台对焊接实时数据、仿真数据、工艺参数、孪生模型数据、历史数据和仿真模型数据进行数据分析、数据排序、数据转换、数据检索、数据分组和数据挖掘；所述数据库存储的数据包括工艺模型数据、工艺仿真数据、工艺数据、工艺知识库数据、实体空间的检测数据、焊接设备数据、物料数据、焊接对象(产品)数据。

其中，服务层包括焊接工艺设计模块、焊接工艺仿真模块、焊接工艺优化模块、焊接工艺过程监控模块和焊接工艺在线决策模块。

上述基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，设计人员通过服务层建立焊件、环境、操作人员和加工设备的物理实体的三维工艺仿真模型(孪生模型)，该仿真模型与焊接现场一一对应，所述模型包括焊接仿真的工艺参数信息，在工作状态下模拟实体设备在实体环境中的焊接工艺过程。

步骤2，设计人员根据焊接设计要求，在服务层中调用信息层中的焊接工艺知识库并运用服务层中的知识匹配、知识推理及人工交互定制的方式，进行初步焊接工艺的设计。

步骤3，将步骤2中生成的初步焊接工艺在服务层中进行焊接工艺仿真，基于步骤1中创建的孪生模型对初步焊接工艺进行仿真评测，若仿真的结果与初步工艺要求一致，则生成现场焊接工艺，焊接工艺的内容包括焊接方法、焊接设备、焊接参数、焊接顺序和焊接材料等；若仿真的结果与初步工艺要求不一致，则转到步骤2进行人工交互制定，设计人员对焊接工艺进行重新设计。

步骤4，服务层将步3中生成的现场焊接工艺以WPS文件格式通过通信层下发至实体层的焊接设备，操作人员按照调整后的焊接工艺进行焊接加工。

步骤5，在现场焊接过程中，实体层的传感设备对焊接过程的数据(设备参数和焊接工艺参数)进行实时检测(具体包含焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接温度、送丝速度、图像数据等)，并将采集的数据进行数据分析、数据排序、数据转换、数据检索、数据分组和数据挖掘等数据处理，然后将处理后的数据通过通信层实时上传到服务层。

步骤6，服务层基于仿真数据和感知数据进行实时对比分析，若对比出现不一致，则服务层通过焊接工艺在线决策功能，调用焊接工艺知识库对现场焊接工艺进行实时调整，并将调整后的工艺从新下发到实体层；若无异常，则按照焊接工艺执行。

有益效果：本发明基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统在数字化焊接工艺设计的基础上，真正实现了面向生产现场焊接工艺过程的工艺建模、仿真和优化，以及可预测的工艺设计过程；在基于知识库的焊接工艺设计方面，实现了基于工艺大数据分析的焊接工艺知识建模、焊接工艺设计及焊接过程中的工艺优化等；在焊接工艺问题响应和质量反馈方面，由原来的被动工艺问题响应向主动应对转变，实现了对焊接工艺问题的实时反馈和动态决策；通过以上方式，本发明能够解决船舶分段焊接过程中存在的工艺设计效率低、实时性差、信息难以共享、资源利用率低等问题，通过对实体焊接现场和虚拟仿真空间的实时信息交互，提高焊接的效率和质量。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的工作示意图；

图3为本发明系统中数据采集工作示意图；

图4为本发明方法流程图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图1～3所示，本发明基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，由四层结构所组成，包括实体层、信息层、通信层和服务层，其中，实体层通过通信层与信息层和服务层实现互联互通。

其中，实体层是指实际焊接过程中所涉及的物理实体，包括焊件、数据采集设备、加工设备、加工人员以及最终焊接完成的产品对象。焊接数据采集设备包括RFID设备、电流传感器、速度传感器、温度传感器等，采集的数据包括焊接电压、焊接电流、焊接速度、焊接温度等；所述焊接设备、焊件有对应的唯一二维码标签，焊接设备的二维码标签包含了设备加工参数，焊件的二维码标签包含几何和工艺信息。

通信层是指连接实体层和信息层信息交互的通信网络，包括通信设备、通信协议、通讯接口和路由设备等，通信设备包括计算机和无限传输设备等，通信网络采用WIFI、有线宽带、蓝牙等方式进行信息传输。

信息层是对焊接过程数据进行处理和存储；主要对焊接实时数据、仿真数据、工艺参数、孪生模型数据、历史数据和仿真模型数据等数据进行处理，数据处理包括数据分析、数据排序、数据转换、数据检索、数据分组和数据挖掘等，经过处理后的数据保存到知识库中，知识库包括焊接知识库、焊接数据库和焊接模型库。

服务功能包括焊接工艺设计、焊接工艺仿真建模、焊接工艺仿真与优化、焊接工艺过程监测、焊接工艺在线决策。设计人员首先进行初步焊接工艺设计，通过建立仿真模型对初步焊接工艺进行仿真验证，并对仿真数据进行优化，生成焊接现场工艺并下发到焊接现场，基于焊接现场采集的数据和对焊接现场的工艺进行实时的监测，通过调用焊接工艺知识库与仿真数据进行对比，及时在线调整工艺参数，实现对焊接现场的在线决策。

该焊接工艺辅助设计系统在工作时，将船舶分段焊接的数字化仿真的虚拟过程和焊接的实际过程通过孪生数据进行融合和实时交互。通过数据采集设备对焊接现场进行实时数据采集，通过通信层的各种通信设备及时上传给服务层，实现对生产现场设备参数、工艺执行和生产人员的实时监测，依据焊接的生产要求，实现对实际焊接现场的过程优化和反馈控制决策，通过通信层将指令反馈给生产现场，形成虚实响应、虚实交互、以虚控实、迭代优化的焊接工艺系统，以达到提高船舶分段焊接的效率和质量的目的。

如图4所示，本发明基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1，设计人员通过服务层建立焊件、环境、操作人员和加工设备的物理实体的三维工艺仿真模型(孪生模型)，该仿真模型与焊接现场一一对应，所述模型包括焊接仿真的工艺参数信息，在工作状态下模拟实体设备在实体环境中的焊接工艺过程。

步骤2，设计人员根据焊接设计要求，在服务层中调用信息层中的焊接工艺知识库并运用服务层中的知识匹配、知识推理及人工交互定制的方式，进行初步焊接工艺的设计。

步骤3，将步骤2中生成的初步焊接工艺在服务层中进行焊接工艺仿真，基于步骤1中创建的孪生模型对初步焊接工艺进行仿真评测，若仿真的结果与初步工艺要求一致，则生成现场焊接工艺，焊接工艺的内容包括焊接方法、焊接设备、焊接参数、焊接顺序和焊接材料等；若仿真的结果与初步工艺要求不一致，则转到步骤2进行人工交互制定，设计人员对焊接工艺进行重新设计。

步骤4，服务层将步3中生成的现场焊接工艺以WPS文件格式通过通信层下发至实体层的焊接设备，操作人员按照调整后的焊接工艺进行焊接加工。

步骤5，在现场焊接过程中，实体层的传感设备对焊接过程的数据(设备参数和焊接工艺参数)进行实时检测(具体包含焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接温度、送丝速度、图像数据等)，并将采集的数据进行数据分析、数据排序、数据转换、数据检索、数据分组和数据挖掘等数据处理，然后将处理后的数据通过通信层实时上传到服务层。

步骤6，服务层基于仿真数据和感知数据进行实时对比分析，若对比出现不一致，则服务层通过焊接工艺在线决策功能，调用焊接工艺知识库对现场焊接工艺进行实时调整，并将调整后的工艺从新下发到实体层；若无异常，则按照焊接工艺执行。

Claims (6)

1.一种基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，其特征在于：包括依次连接并进行数据通信的实体层、通信层、信息层和服务层；所述实体层获取现场实时数据并通过通信层依次将现场实时数据传输信息层和服务层；所述服务层根据人工输入的参数产生焊接工艺数据并根据获取的现场实时数据产生控制决策数据，服务层将产生的焊接工艺数据和控制决策数据依次通过信息层、通信层发送给实体层；所述信息层存储并提供用于仿真建模的模型和数据。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，其特征在于：所述实体层包括焊接数据采集设备、焊接设备、焊件和加工人员；所述焊接数据采集设备与通信层连接将采集数据上传到通信层；所述焊接数据采集设备包括RFID设备、电流传感器、速度传感器和温度传感器；所述焊接数据采集设备采集的数据包括焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接温度；所述焊接设备、焊件具有唯一的二维码标签，焊接设备的二维码标签包含设备加工参数，焊件的二维码标签包含几何和工艺参数信息。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，其特征在于：通信层包括通信设备，所述通信设备分别通过CAN总线、OPC总线及Modbus总线与通信层的数据采集设备连接；通信设备同时通过网络与信息层连接，将采集设备采集的数据传输给信息层。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，其特征在于：所述信息层包括用于处理焊接工艺数据的数据处理平台和用于存储焊接数据的数据库；数据处理平台与通信层连接，将通信层上传的采集数据进行存储；数据处理平台对焊接实时数据、仿真数据、工艺参数、孪生模型数据、历史数据和仿真模型数据进行数据分析、数据排序、数据转换、数据检索、数据分组和数据挖掘；所述数据库存储的数据包括工艺模型数据、工艺仿真数据、工艺数据、工艺知识库数据、实体空间的检测数据、焊接设备数据、物料数据、焊接对象数据。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统，其特征在于：所述服务层包括焊接工艺设计模块、焊接工艺仿真模块、焊接工艺优化模块、焊接工艺过程监控模块和焊接工艺在线决策模块。

6.权利要求1所述的基于数字孪生的焊接工艺辅助设计系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设计人员通过服务层建立焊件、环境、操作人员和加工设备的物理实体的三维工艺仿真模型，该仿真模型与焊接现场一一对应，所述模型包括焊接仿真的工艺参数信息，在工作状态下模拟实体设备在实体环境中的焊接工艺过程；

步骤2，设计人员根据焊接设计要求，在服务层中调用信息层中的焊接工艺知识库并运用服务层中的知识匹配、知识推理及人工交互定制的方式，进行初步焊接工艺的设计；

步骤3，将步骤2中生成的初步焊接工艺在服务层中进行焊接工艺仿真，基于步骤1中创建的孪生模型对初步焊接工艺进行仿真评测，若仿真的结果与初步工艺要求一致，则生成现场焊接工艺，焊接工艺的内容包括焊接方法、焊接设备、焊接参数、焊接顺序和焊接材料等；若仿真的结果与初步工艺要求不一致，则转到步骤2进行人工交互制定，设计人员对焊接工艺进行重新设计；

步骤4，服务层将步3中生成的现场焊接工艺以WPS文件格式通过通信层下发至实体层的焊接设备，操作人员按照调整后的焊接工艺进行焊接加工；

步骤5，在现场焊接过程中，实体层的传感设备对焊接过程的数据进行实时检测，并将采集的数据进行数据分析、数据排序、数据转换、数据检索、数据分组和数据挖掘等数据处理，然后将处理后的数据通过通信层实时上传到服务层；

步骤6，服务层基于仿真数据和感知数据进行实时对比分析，若对比出现不一致，则服务层通过焊接工艺在线决策功能，调用焊接工艺知识库对现场焊接工艺进行实时调整，并将调整后的工艺从新下发到实体层；若无异常，则按照焊接工艺执行。

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