CN111862298B - 一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统及方法，涉及喷涂仿真领域。对整个涂装线进行1:1真实还原，构建出虚拟数字孪生体，为面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统奠定虚拟映射现实的基础。根据状态传感器和定位传感器获取实时的传感器数据以及相关的工件、涂料信息，基于着色器技术对工件和涂料的真实材质效果、涂装过程、涂装结果进行还原，所见即所得，摆脱了之前模拟表现不细腻，只能依靠结果数据做出推断的缺点。最终根据模拟涂装线的数据表现结果，可以真实映射真正涂装线操作结果，从而帮助对可能出现的问题作出预测性推断以及对整个生产线进行设计优化。
Description
技术领域
本发明涉及喷涂仿真领域，尤其涉及一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统及方法。
背景技术
数字孪生技术是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生面向产品生命周过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务，为解决物理世界与信息世界的交互与共融提供有效的解决途径。
数字孪生最为重要的启发意义在于，它实现了现实物理系统向虚拟空间数字化模型的反馈。这是一次工业领域中，逆向思维的壮举。人们试图将物理世界发生的一切，塞回到数字空间中。只有带有回路反馈的全生命跟踪，才是真正的全生命周期概念。这样，就可以真正在全生命周期范围内，保证数字与物理世界的协调一致。各种基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘，甚至人工智能的应用，都能确保它与现实物理系统的适用性。这就是数组孪生对智能制造的意义所在。
涂装是现代的产品制造工艺中的一个重要环节。防锈、防蚀涂装质量是产品全面质量的重要方面之一。产品外观质量不仅反映了产品防护、装饰性能 , 而且也是构成产品价值的重要因素。涂装是一个系统工程，它包括涂装前对被涂物表面的处理、涂布工艺和干燥三个基本工序以及设计合理的涂层系统，选择适宜的涂料，确定良好的作业环境条件，进行质量、工艺管理和技术经济等重要环节。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统及方法，以解决现有技术中不能实现真实的涂装过程和表现的虚拟映射的问题，实现对工件和涂料的真实材质效果、涂装过程、涂装结果进行还原，所见即所得，摆脱了之前模拟表现不细腻，只能依靠结果数据做出推断的缺点。
为实现解决上述问题并达到期待的效果，本申请公开了一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，具体的包括：
与涂装线真实物理实体相对应的虚拟数字孪生体，其中所述涂装线包括用于获取涂装线设备启停以及其他状态数据的状态传感器，以及用于获取涂装线设备位置和角度等位置数据的定位传感器；并且所述虚拟数字孪生体在所述涂装线的仿真调试期间基于所述状态传感器和定位传感器获取的数据进行更新；
三维引擎，所述三维引擎基于所述虚拟数字孪生体进行初始化，并配制成面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统；
喷涂仿真数字孪生体，所述喷涂仿真数字孪生体基于所述虚拟数字孪生体生成，并在所述涂装线的仿真调试期间基于所述状态传感器和定位传感器获取的数据进行相应的适配；以及
着色器，基于所述的三维引擎进行初始化，通过接受所述状态传感器和定位传感器获取的数据完成对所述虚拟数字孪生体到喷涂仿真数字孪生体的适配。
更为具体的，所述虚拟数字孪生体基于所述涂装线按照1:1的等比例构建而成，所述虚拟数字孪生体与所述涂装线具有相同的几何结构、尺寸形状和材质表现。
更为具体的，所述涂装线还包括：生产线机床、工业机器人、积放链、挡停器、升降设备、推车机等涂装线设备。
作为优选的技术方案所述三维引擎基于Unity3D引擎构建。所述着色器基于UnityShader进行构建。
本发明还公开了一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真方法，基于前文所述的面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，包括如下步骤：
S1：构建与涂装线相对应的虚拟数字孪生体，通过将虚拟数字孪生体导入三维引擎中完成面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统的初始化；
S2：获取所述状态传感器和定位传感器采集到的数据，并实时传输至系统后台；
S3：着色器根据所述状态传感器和定位传感器采集到的数据基于三维引擎对所述虚拟数字孪生体进行实时渲染，完成信息适配后获得喷涂仿真数字孪生体。
作为补充，该仿真方法还包括步骤
S4：通过获得的喷涂仿真数字孪生体，可以针对涂装线的喷涂流量等作出预测性服务以及对生产线进行优化设计。
更为具体的所述步骤S3包括的步骤如下：
着色器实时获得工件材质数据、涂料类别数据、喷涂位置、喷涂流量和喷涂时间数据；
基于动态获取的工件材质数据信息，通过着色器修改虚拟数字孪生体的材质贴图、法线贴图和材质贴图，模拟工件的真实外观；
基于动态获取的涂料类别数据信息，通过着色器修改虚拟数字孪生体的材质贴图、法线贴图和材质贴图，模拟不同涂料喷涂后工件的真实外观；
基于动态获取的喷涂位置和喷涂流量信息，通过着色器对虚拟数字孪生体进行对应的信息适配，模拟工件喷涂的位置和喷涂面积；
基于动态获取的喷涂流量和喷涂时间信息，通过着色器对虚拟数字孪生体进行对应的信息适配，模拟工件喷涂的涂料堆积以及对工件外形的影响。
更为具体的针对步骤S4中所述的预测性服务以及优化设计为根据虚拟环境中模拟喷涂结果，对相应数据做出相应修改，直到出现符合预期的喷涂结果，从而为真实涂装线优化提供数据支持。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、对整个涂装线进行1:1真实还原，为数字孪生系统奠定虚拟映射现实的基础。
2、根据实时的传感器数据以及相关的工件、涂料信息，基于着色器技术对工件和涂料的真实材质效果、涂装过程、涂装结果进行还原，所见即所得，摆脱了之前模拟表现不细腻，只能依靠结果数据做出推断的缺点。
3、根据模拟涂装线的数据表现结果，可以真实映射真正涂装线操作结果，从而帮助对可能出现的问题作出预测性推断以及对整个生产线进行设计优化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明的面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统的示意图；
图2为本发明的面向涂装线的数字孪生喷涂仿真方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一：
面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，参照附图1，该系统具体的包括
与涂装线100真实物理实体相对应的虚拟数字孪生体200，其中涂装线100包括用于获取涂装线设备启停以及其他状态数据的状态传感器101，以及用于获取涂装线设备位置和角度等位置数据的定位传感器102；并且虚拟数字孪生体200在涂装线的仿真调试期间基于状态传感器101和定位传感器102获取的数据进行更新；虚拟数字孪生体基于涂装线按照1:1的等比例构建而成，虚拟数字孪生体与涂装线具有相同的几何结构、尺寸形状和材质表现；
三维引擎300，三维引擎基于虚拟数字孪生体200进行初始化，并配制成面向涂装线100的数字孪生喷涂仿真系统；
喷涂仿真数字孪生体400，喷涂仿真数字孪生体基于虚拟数字孪生体200生成，并在涂装线的仿真调试期间基于状态传感器和定位传感器获取的数据进行相应的适配；以及
着色器500，基于的三维引擎300进行初始化，通过接受状态传感器和定位传感器获取的数据完成对虚拟数字孪生体到喷涂仿真数字孪生体的适配。
实施例二：
在上述实施例一的基础上涂装线具体的包括：生产线机床、工业机器人、积放链、挡停器、升降设备、推车机等涂装线设备。上述装置在进行虚拟数字孪生体200构建时均进行1:1的等比例建模。
作为优选的技术方案三维引擎基于Unity3D引擎构建。着色器基于Unity Shader进行构建。
实施例三：
面向涂装线的数字孪生喷涂仿真方法，参照附图2，基于前文所述的面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，包括如下步骤：
S1：构建与涂装线相对应的虚拟数字孪生体，通过将虚拟数字孪生体导入三维引擎中完成面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统的初始化；
S2：获取所述状态传感器和定位传感器采集到的数据，并实时传输至系统后台；
S3：着色器根据所述状态传感器和定位传感器采集到的数据基于三维引擎对所述虚拟数字孪生体进行实时渲染，完成信息适配后获得喷涂仿真数字孪生体。
所述步骤S3包括的具体内容如下：
着色器实时获得工件材质数据、涂料类别数据、喷涂位置、喷涂流量和喷涂时间数据。
基于动态获取的工件材质数据信息，通过着色器修改虚拟数字孪生体的材质贴图、法线贴图和材质贴图，模拟工件的真实外观；如区分塑料工件和金属工件的不同物理外观。
基于动态获取的涂料类别数据信息，通过着色器修改虚拟数字孪生体的材质贴图、法线贴图和材质贴图，模拟不同涂料喷涂后工件的真实外观和颜色；如光亮油漆、无光油漆喷涂在工件上的不同物理外观和涂料喷涂后工件的颜色。
基于动态获取的喷涂位置和喷涂流量信息，通过着色器对虚拟数字孪生体进行对应的信息适配，模拟工件喷涂的位置和喷涂面积；
基于动态获取的喷涂流量和喷涂时间信息，通过着色器对虚拟数字孪生体进行对应的信息适配，模拟工件喷涂的涂料堆积以及对工件外形的影响。
实施例四：
参考附图2在实施例三的基础上该仿真方法还包括步骤：
S4：通过获得的喷涂仿真数字孪生体，可以针对涂装线的喷涂流量等作出预测性服务以及对生产线进行优化设计。
更为具体的针对步骤S4中所述的预测性服务以及优化设计为根据虚拟环境中模拟喷涂结果，对相应数据做出相应修改，直到出现符合预期的喷涂结果，从而为真实涂装线优化提供数据支持。
本发明公开的技术方案，对整个涂装线进行1:1真实还原，构建出虚拟数字孪生体200，为数字孪生系统奠定虚拟映射现实的基础。根据状态传感器101和定位传感器102获取实时的传感器数据以及相关的工件、涂料信息，基于着色器技术对工件和涂料的真实材质效果、涂装过程、涂装结果进行还原，所见即所得，摆脱了之前模拟表现不细腻，只能依靠结果数据做出推断的缺点。最终根据模拟涂装线的数据表现结果，可以真实映射真正涂装线操作结果，从而帮助对可能出现的问题作出预测性推断以及对整个生产线进行设计优化。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，其特征在于包括：
与涂装线真实物理实体相对应的虚拟数字孪生体，其中所述涂装线包括用于获取涂装线设备启停以及其他状态数据的状态传感器，以及用于获取涂装线设备位置和角度位置数据的定位传感器；并且所述虚拟数字孪生体在所述涂装线的仿真调试期间基于所述状态传感器和定位传感器获取的数据进行更新；
三维引擎，所述三维引擎基于所述虚拟数字孪生体进行初始化，并配制成面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统；
喷涂仿真数字孪生体，所述喷涂仿真数字孪生体基于所述虚拟数字孪生体生成，并在所述涂装线的仿真调试期间基于所述状态传感器和定位传感器获取的数据进行相应的适配；以及
着色器，基于所述的三维引擎进行初始化，通过接受所述状态传感器和定位传感器获取的数据完成对所述虚拟数字孪生体到喷涂仿真数字孪生体的适配。
2.根据权利要求1所述的一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，其特征在于：所述虚拟数字孪生体基于所述涂装线按照1:1的等比例构建而成，所述虚拟数字孪生体与所述涂装线具有相同的几何结构、尺寸形状和材质表现。
3.根据权利要求1所述的一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，其特征在于：所述涂装线还包括：生产线机床、工业机器人、积放链、挡停器、升降设备、推车机涂装线设备。
4.根据权利要求1所述的一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，其特征在于：所述三维引擎基于Unity3D引擎构建。
5.根据权利要求1所述的一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，其特征在于：所述着色器基于Unity Shader进行构建。
6.一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真方法，基于权利要求1至5任意一项所述的面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统，包括如下步骤：
S1：构建与涂装线相对应的虚拟数字孪生体，通过将虚拟数字孪生体导入三维引擎中完成面向涂装线的数字孪生喷涂仿真系统的初始化；
S2：获取所述状态传感器和定位传感器采集到的数据，并实时传输至系统后台；
S3：着色器根据所述状态传感器和定位传感器采集到的数据基于三维引擎对所述虚拟数字孪生体进行实时渲染，完成信息适配后获得喷涂仿真数字孪生体；
所述步骤S3具体的包括：
着色器实时获得工件材质数据、涂料类别数据、喷涂位置、喷涂流量和喷涂时间数据；
基于动态获取的工件材质数据信息，通过着色器修改虚拟数字孪生体的材质贴图、法线贴图和材质贴图，模拟工件的真实外观；
基于动态获取的涂料类别数据信息，通过着色器修改虚拟数字孪生体的材质贴图、法线贴图和材质贴图，模拟不同涂料喷涂后工件的真实外观；
基于动态获取的喷涂位置和喷涂流量信息，通过着色器对虚拟数字孪生体进行对应的信息适配，模拟工件喷涂的位置和喷涂面积；
基于动态获取的喷涂流量和喷涂时间信息，通过着色器对虚拟数字孪生体进行对应的信息适配，模拟工件喷涂的涂料堆积以及对工件外形的影响。
7.根据权利要求6所述的一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真方法，其特征在于：还包括步骤 S4：通过获得的喷涂仿真数字孪生体，可以针对涂装线的喷涂流量作出预测性服务以及对生产线进行优化设计。
8.根据权利要求7所述的一种面向涂装线的数字孪生喷涂仿真方法，其特征在于：步骤S4中所述的预测性服务以及优化设计为根据三维引擎的虚拟环境中适配的喷涂仿真数字孪生体获得模拟喷涂结果，对相应数据做出相应修改，直到出现符合预期的喷涂结果，从而为真实涂装线优化提供数据支持。
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