基于數(shù)字孿生的船舶分段自動化噴涂車間監(jiān)測系統(tǒng)

王帥，徐江敏

(1.江蘇科技大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

0 前言

在現(xiàn)代船舶制造工業(yè)中，在船舶表面涂覆一層漆膜涂層是提高其表面質(zhì)量和性能的重要途徑。隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，自動化噴涂已經(jīng)成了船舶噴涂鄰域重點發(fā)展方向[1]。離線軌跡編程作為最常用的自動噴涂方式，軌跡優(yōu)化的基礎(chǔ)是確定噴涂膜厚分布模型，模型的建立可分為解析函數(shù)法與CFD仿真法[2]。在函數(shù)解析法方面，CONNER等[3]建立了噴槍垂直于噴涂平面的沉積模型，通過微積分幾何放大原理，推出平面噴涂膜厚與曲面噴涂膜厚之間的關(guān)系，并建立了曲面噴涂的膜厚解析函數(shù)；XIA等[4-5]根據(jù)CONNER提出的解析函數(shù)，建立并優(yōu)化了空氣噴涂膜厚分布的模型。CFD仿真法方面，YE等[6]通過實驗法測得液滴直徑和空氣速度等參數(shù)作為仿真的邊界條件，但是該方法不具備普適性。陳雁等人[7]結(jié)合CFD與歐拉-歐拉法建立數(shù)學(xué)模型，研究了膜厚分布情況，通過實驗比對驗證了該方法可行。然而采用CFD法是對規(guī)劃好的噴涂軌跡預(yù)先仿真噴涂，實際噴涂過程中諸多不可控因素(溫度、濕度、油漆類型等)往往會影響到噴涂的均勻性，與預(yù)先仿真存在較大偏差。同時由于油漆未干時，無法檢測其膜厚，在噴涂過程中無法實時測量膜厚以及調(diào)整軌跡與補噴涂料。為了后期的噴涂工藝過程模型與工藝參數(shù)迭代優(yōu)化，研究一種噴涂膜厚實時動態(tài)膜厚檢測孿生系統(tǒng)勢在必行。

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)成為了全球?qū)W術(shù)界與工業(yè)界研究的熱點話題，其可應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，發(fā)展?jié)摿σ苍诓粩嗟乇煌诰騕8-9]。數(shù)字孿生技術(shù)為全球工業(yè)走向工業(yè)4.0提供了有效的解決方案[10]。經(jīng)國際數(shù)據(jù)公司(International Data Corporation，IDC)調(diào)查研究，全球有超過45%的高端制造企業(yè)使用數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)與方法實現(xiàn)生產(chǎn)線、生產(chǎn)車間的模擬仿真與實時監(jiān)控[11]。數(shù)字孿生通過虛實映射模擬產(chǎn)品的整個生命周期，使其成為了全球最高端的仿真技術(shù)，同時也為推動全球仿真行業(yè)的改革與發(fā)展提供了有效解決方案[12-13]。其多方面、多方位、高保真的虛實映射技術(shù)與大型分段船體自動化噴涂車間的智能化發(fā)展要求不謀而合。

為此，本文作者針對大型分段船體噴涂車間難以實時監(jiān)測、優(yōu)化等問題，提出基于數(shù)字孿生的智能監(jiān)測新方法。通過構(gòu)建大型分段船體噴涂車間虛擬模型實現(xiàn)物理空間層與虛擬映射層實時交互融合。為了使系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地監(jiān)控噴涂質(zhì)量，著重對噴涂成膜原理進行研究，提出針對噴涂膜厚的數(shù)字孿生建模新方法，實現(xiàn)噴涂膜厚的實時監(jiān)測、展示，為噴涂質(zhì)量評估與工藝參數(shù)優(yōu)化提供有效的方案。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)字孿生技術(shù)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域以及不同的需求，所遇到的難題也不盡相同，結(jié)合噴涂車間的環(huán)境特點與陶飛等人[14]所提出的數(shù)字孿生五維參考模型，將系統(tǒng)分為4個層次：分別為物理空間層、虛擬映射層、孿生數(shù)據(jù)層和應(yīng)用服務(wù)層，系統(tǒng)的整體層次架構(gòu)與信息交互方式如圖1所示。

(1)物理空間層。從整體空間看，為了使孿生系統(tǒng)監(jiān)控更全面，系統(tǒng)可以對車間內(nèi)任一設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控，包括但不限于自動化噴涂機器人、待噴涂 工件和傳感器等物理實體及其屬性。噴涂過程中，在物理空間產(chǎn)生的所有環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)信息等參數(shù)是整個系統(tǒng)參數(shù)的來源，所以物理空間層具有采集信息和提供信息傳輸條件等功能。

圖1 系統(tǒng)的整體層次架構(gòu)

(2)虛擬映射層。在本質(zhì)上，虛擬映射層是虛擬模型的集合，這些模型主要分為3大類：分別為要素、行為和規(guī)則[8]。該模型包括物理模型及其物理屬性，通過對車間的人、機、物等生產(chǎn)要素進行刻畫，構(gòu)建一個基于物理空間實體的高度還原的虛擬映射模型。在噴涂前，可以在虛擬映射層進行虛擬仿真實驗，發(fā)現(xiàn)不足，從而避免噴涂時可能遇到的問題，大大降低返工率，提高生產(chǎn)效率。噴涂過程中，虛擬空間實時接收物理空間層傳來的實時信息，高度還原物理空間的實時情況，從而與物理空間實體實時交互。高還原度的可視化三維效果模型在達到實時監(jiān)控效果的同時，還給客戶一種沉浸感。

(3)應(yīng)用服務(wù)層。應(yīng)用服務(wù)包括功能型服務(wù)與業(yè)務(wù)型服務(wù)，功能型服務(wù)指的是對系統(tǒng)內(nèi)部生產(chǎn)過程進行優(yōu)化的服務(wù)。例如通過預(yù)先虛擬仿真實驗實現(xiàn)預(yù)噴涂，進行評估發(fā)現(xiàn)問題，從而對噴涂方案進行優(yōu)化與修正。業(yè)務(wù)型服務(wù)主要是指面向終端用戶的產(chǎn)品服務(wù)，主要以軟件客戶端形式或者移動客戶端Apk形式，將生產(chǎn)信息、模型信息、仿真信息等通過可視化數(shù)據(jù)形式推送給用戶，該用戶包括技術(shù)人員、管理人員、維修人員以及現(xiàn)場工作人員等，給用戶提供較好的體驗服務(wù)。

(4)孿生數(shù)據(jù)層。孿生數(shù)據(jù)覆蓋了物理空間層、虛擬映射層、應(yīng)用服務(wù)層等全生產(chǎn)周期中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)。主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等物理空間數(shù)據(jù)；模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等虛擬空間數(shù)據(jù)；生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、評估報表數(shù)據(jù)等應(yīng)用服務(wù)層。該層屬于中間層，為物理空間層、虛擬映射層和應(yīng)用服務(wù)層搭橋，使其能夠兩兩交互驅(qū)動。

(5)連接。各層的連接是系統(tǒng)間信息交互的基礎(chǔ)，物理空間層與孿生數(shù)據(jù)層以及物理空間層與虛擬映射層是通過總線、各類協(xié)議(例如OPC UA)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。孿生數(shù)據(jù)層通過ODBC、JDBC等數(shù)據(jù)庫接口實現(xiàn)與其余各層的數(shù)據(jù)交互。

2 模型數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)

2.1 虛擬場景的建立

虛擬場景的建立是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)，為了方便建模，可使用多種建模、渲染軟件，等比模型的雛形可由SolidWorks、UG等三維建模工具建立。為將模型導(dǎo)入Unity中并且實現(xiàn)系統(tǒng)模型輕量化，將模型轉(zhuǎn)為中間格式step導(dǎo)入3dMax中進行模型簡化，減少不必要的面片從而導(dǎo)出成空間較小的FBX三維模型。同時，3dMax中的材質(zhì)球貼圖功能可配合使用專業(yè)圖像處理軟件，對模型進行貼圖處理，使得模型更加趨近真實物理空間模型。模型導(dǎo)入Unity 3D后，需要對模型進行位置空間優(yōu)化處理、主相機與主光源位置調(diào)整、光照處理、模型父子關(guān)系設(shè)定等一系列前處理工作。

2.2 實時驅(qū)動

在Unity3D引擎下，虛擬場景的運動實現(xiàn)可以由3種方法實現(xiàn)：分別為貼圖動畫法、插值過度法、數(shù)據(jù)實時驅(qū)動法。

(1)貼圖動畫法。通過模型貼圖和C#腳本控制實現(xiàn)，主要運用于一些簡單的、循環(huán)往復(fù)的運動效果的實現(xiàn)，比如車間內(nèi)傳送帶的動畫模擬、電機旋轉(zhuǎn)動畫模擬、齒輪同步帶等動畫模擬。該類運動過程較為簡單，只需進行動畫模擬運動效果，無需進行純動力學(xué)仿真效果，實現(xiàn)系統(tǒng)資源利用效率的優(yōu)化，減少系統(tǒng)處理器運行負(fù)擔(dān)。

(2)插值過渡模擬法。通過公式計算與腳本控制實現(xiàn)，主要運用于傳感器獲取物理空間具體數(shù)值數(shù)量較少，無法形成連貫運動的運動曲線，通過插值過渡模擬法實現(xiàn)運動過程的連貫與流暢。常見的插值過渡模式與使用場景說明如表1所示。

表1 插值過渡模式

天車系統(tǒng)工作中的運動是以線性方式沿導(dǎo)軌做直線運動，通過傳感器采集每隔固定時間的天車系統(tǒng)移動數(shù)據(jù)值，轉(zhuǎn)換為虛擬空間層模型的坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，實現(xiàn)天車系統(tǒng)的運動。為使運動過程更加連貫與流暢，采用線性插值的方法添加合適的關(guān)鍵幀，例如采集相鄰坐標(biāo)點A(x1,y1)和B(x2,y2)，則AB線段的方程為：(y-y1)(x2-x1)=(y2-y1)(x-x1)，得到插入點公式：

(1)

Unity3D引擎使用C#語言開發(fā)，使用Mathf.Lerp函數(shù)計算其插值，插入原先測量的兩坐標(biāo)點，通過transform.localposition實現(xiàn)模型的位置變換，得到連貫的運動過程。

(3)父子關(guān)系物體相對姿態(tài)驅(qū)動。該驅(qū)動方式運用于關(guān)聯(lián)物體運動，例如噴涂機械手臂后端桿的運動應(yīng)與前端桿的運動關(guān)聯(lián)。如圖2所示，該機械臂的運動需要將各桿的坐標(biāo)系移動至對應(yīng)各節(jié)點，并依照后端桿與節(jié)點是前端桿與節(jié)點的子物體的關(guān)系，設(shè)置好各桿間的父子關(guān)系，即可實現(xiàn)后端桿與前端桿的運動關(guān)聯(lián)。

在確定各桿件父子關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過使用transform.localrotation，實現(xiàn)各個節(jié)點與桿的角度調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)運動。

圖2 噴涂機械手模型示意

3 噴涂膜厚數(shù)字孿生建模

3.1 成膜機制與數(shù)學(xué)模型

噴涂成膜形狀可分為圓錐狀與橢圓狀2類，實際生產(chǎn)過程中，為使噴涂更加均勻，噴槍噴嘴通常采用霧化帽輔助壓縮空氣將油漆霧化噴出，從而形成壓扁式的橢圓狀噴涂形狀，同時出現(xiàn)邊緣薄中間厚的膜厚特征。經(jīng)研究，噴涂生長率模型大致可分為無限范圍模型與有限范圍模型，其中有限范圍模型的橢圓雙β分布更加趨于實際情況的數(shù)學(xué)模型[15-16]。

橢圓雙β數(shù)學(xué)模型是在滿足x向涂層生長率為β分布模型的同時，y向的生長率也滿足，且同一方向的任一截面上，β的數(shù)值不變[17]。設(shè)橢圓狀噴涂區(qū)域的橢圓方程為

(2)

式中：a為橢圓長軸半徑；b為短軸半徑。

(3)

式中：Hmax，y=m為x向截面y=m上噴涂最厚值；β1為x向β分布指數(shù)。

(4)

式中：Hmax，x=n為y向截面x=n上噴涂最厚值；β2為y向β分布指數(shù)。

由式(3)(4)可知，在x向任意截面，當(dāng)x=0時，截面膜厚最大，在y向任意截面，當(dāng)y=0時，截面膜厚最大。綜合式(3)和式(4)可得任意一點的涂層生長率方程：

H(x，y)=Hmax(1-x2/a2)β1-1·

(5)

同理：

H(x，y)=Hmax(1-x2/b2)β2-1·

(6)

(7)

變換積分限：

(8)

為簡化計算，令β1=2、β2=4代入式(6)后，將式(6)代入式(8)，得：

(9)

3.2 噴涂膜厚數(shù)字孿生建模方法

由式(9)可知：保持噴槍空氣壓力、噴嘴距離、噴涂流量及霧錐角不變，橢圓a、b為定值，勻速噴涂時，Hmax為定值且與移動速度v成反比。a、b、Hmax實際易測量，距中心的距離x可對應(yīng)唯一噴涂膜厚。

將涂層累積速率數(shù)學(xué)模型存入數(shù)據(jù)庫中，三維引擎中通過數(shù)據(jù)庫接口調(diào)用數(shù)學(xué)模型，結(jié)合沉積模型與PhysX物理仿真引擎，實現(xiàn)模型運動時物理場作用下的粒子碰撞沉積情況。通過劃分顏色梯度渲染被噴涂工件的網(wǎng)格，使得膜厚均勻性可視，同時根據(jù)不同的顏色，定量測量該點的膜厚。具體流程如圖3所示。

圖3 噴涂膜厚數(shù)字孿生建模方法

噴涂機器人末端點以速度v=0.15 m/s的速度勻速移動，噴槍高度為250 mm且始終與工件大平面保持垂直，通過劃分顏色梯度，不同的顏色代表不同的膜厚，可在孿生系統(tǒng)中，測得每一位置點的膜厚。孿生監(jiān)控系統(tǒng)噴涂膜厚模擬如圖4所示。截面y=0 mm、y=60 mm、y=120 mm處膜厚分布呈現(xiàn)中間厚兩邊薄的規(guī)律，呈拋物線狀，如圖5所示。

圖4 噴涂膜厚數(shù)字孿生模型

圖5 不同位置截面涂層厚度分布

4 數(shù)字孿生系統(tǒng)功能

數(shù)字孿生技術(shù)作為貫穿車間生產(chǎn)過程全生命周期的一門技術(shù)，應(yīng)用于船舶分段噴涂車間中，對設(shè)計、制造、調(diào)試、仿真、監(jiān)控、評估、迭代優(yōu)化都具有一定指導(dǎo)性作用。如圖6所示，系統(tǒng)基于Unity 3D引擎開發(fā)，監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊分為工作信息模塊、車間環(huán)境信息模塊、實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、噴涂工藝參數(shù)顯示模塊、故障報警模塊、車間人員信息模塊。噴涂前可作為仿真系統(tǒng)，對設(shè)計規(guī)劃的方案進行仿真分析；噴涂時作為監(jiān)測系統(tǒng)，對噴涂過程進行實時監(jiān)測，有效解決由于自動化噴涂車間粉塵遮擋嚴(yán)重，無法實時監(jiān)測的問題。

圖6 船舶分段噴涂車間數(shù)字孿生系統(tǒng)功能界面

該系統(tǒng)整體工作流程如圖7所示，首先對待噴涂船舶分段進行軌跡規(guī)劃，再將模型導(dǎo)入虛擬空間中，噴涂前，根據(jù)規(guī)劃的路徑導(dǎo)出的G代碼在虛擬控制器中運行，完成虛擬仿真噴涂，根據(jù)路徑合理性以及噴涂質(zhì)量判定是否修改軌跡方案與噴涂工藝參數(shù)；最后進行噴涂，噴涂過程中可實時監(jiān)控運行狀態(tài)，同時根據(jù)膜厚值，實時優(yōu)化調(diào)整噴涂工藝參數(shù)；完成后可建立評估報表存儲于孿生數(shù)據(jù)庫中，后期可根據(jù)孿生數(shù)據(jù)庫中不同設(shè)定參數(shù)的不同噴涂質(zhì)量分析，指導(dǎo)前期設(shè)計工作規(guī)劃以及優(yōu)化工藝參數(shù)。

圖7 船舶分段噴涂車間數(shù)字孿生系統(tǒng)運行流程

5 實例驗證

為了驗證噴涂膜厚數(shù)字孿生模型可靠性，采用動噴槍噴涂進行實驗，實驗基礎(chǔ)條件如圖8所示。

圖8 實驗條件

為方便實驗與測量，工件采用600 mm×600 mm×2 mm鋁板，噴槍始終垂直于鋁板平面，機械臂姿勢不變，移動y向外部軸，使得噴槍以速度v=0.15 m/s的速度勻速移動，噴槍高度為250 mm，噴涂效果及涂層測量儀如圖9所示，測量點示意如圖10所示，油漆固化后所測得的漆膜厚度如表2所示。

圖9 噴涂效果(a)和涂層測量儀器(b)

圖10 測量點示意

表2 噴涂膜厚孿生模型截面漆膜厚度值

噴涂膜厚數(shù)字孿生模型如圖4所示，截面y=0 mm、y=60 mm、y=120 mm 3處仿真曲線如圖5所示，圖11分別為y=0 mm、y=60 mm、y=120 mm截面孿生模型仿真曲線與實驗測量值對比。

圖11 仿真與測量數(shù)據(jù)點對比

通過對比孿生模型仿真曲線與實驗測量值，仿真曲線與數(shù)據(jù)測量點分布規(guī)律基本一致，其中各截面測量數(shù)據(jù)點與孿生模型仿真值偏差分別為9.16%、9.02%、8.16%，考慮設(shè)備的震動、機械摩擦以及溫濕度等因素，誤差值在合理區(qū)間范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

文中基于數(shù)字孿生技術(shù)，完成了船舶分段噴涂數(shù)字孿生車間的系統(tǒng)設(shè)計。首先搭建了船舶分段噴涂車間虛擬-現(xiàn)實孿生架構(gòu)，然后建立噴涂膜厚生長率數(shù)學(xué)模型。孿生空間中，結(jié)合數(shù)學(xué)模型與Unity 3D的PhysX物理仿真引擎，實現(xiàn)模型運動時物理場作用下的粒子碰撞沉積情況，并以不同的顏色梯度表征其膜厚。通過實例展示介紹系統(tǒng)的功能與系統(tǒng)整體噴涂工藝參數(shù)迭代優(yōu)化的運行流程。最后通過對比數(shù)字孿生仿真膜厚曲線與實驗測量點，膜厚分布規(guī)律基本一致，誤差在10%以內(nèi)，可用作噴涂中膜厚均勻性監(jiān)測以及后期工藝參數(shù)迭代優(yōu)化參考。

然而，由于軌跡規(guī)劃系統(tǒng)與數(shù)字孿生系統(tǒng)耦合問題暫未得到解決，在迭代優(yōu)化時，需要人工判斷噴涂膜厚均勻性即噴涂質(zhì)量，然后操作補噴和優(yōu)化其噴涂工藝參數(shù)，尚未做到自動根據(jù)膜厚自行優(yōu)化工藝參數(shù)進行補噴操作。