海洋立管是连接油气平台与海底管道的咽喉要道,也是整个生产系统中最薄弱的构件
[1-2],其内部发生腐蚀产生非穿透性裂纹后需进行管内缺陷堆焊修复。立管管内维修焊接机器人是专用于管内缺陷修复的设备,其维修过程的自动化焊接作业可提升维修堆焊效率和堆焊维修质量。但现有立管管内缺陷维修设备智能化程度低、远程遥操作能力弱,限制了其在狭小管内空间堆焊的精确维修。
随着“工业4.0”的发展,信息物理系统(cyber-physical systems,CPS)成为研究重点
[3-5]。工业数字孪生白皮书指出,全世界信息技术的发展聚焦在数字孪生上
[6]。杜莹莹等
[7]研究了基于数字孪生的工业机器人三维可视化监控,通过数字孪生系统框架建立机器人数字孪生体,实现了对机器人的三维实时监控,实现对生产过程的实时管控。
在焊接领域,Zhang等
[8]基于数字孪生技术,提出了一套完整的移动机械臂数字孪生焊接工作站系统,包括机器人系统、焊接系统、焊接辅助系统、传感器及控制系统等,优化了焊接工作站的机器人协作过程。Jiao等
[9]研究了基于数字孪生技术的焊接过程熔池行为分析,实现了焊接熔池演变过程的视觉表征。
采用孪生数据驱动的立管管内维修焊接机器人虚拟监控技术,可建立接近真实环境的虚拟环境,能准确捕捉机器人运动状态,并进行物理样机的实时动态调整,保证维修过程的精确性,可基于异常状态识别算法触发预测性维护策略,显著降低系统故障率
[10]。
现以海洋立管管内维修焊接机器人为研究对象,开展基于孪生数据驱动的虚拟现实监控技术在该维修机器人系统的集成应用研究,主要内容如下:搭建海洋立管管内维修焊接机器人数字孪生模型;针对孪生数据交互问题,基于自动化设备规范通信技术(automation device specification,ADS)建立了孪生数据通信系统;利用Unity3D软件开发了立管管内维修焊接机器人虚拟现实监控系统。
1 总体设计方案
分析孪生数据驱动的立管管内维修焊接机器人虚拟监控系统的需求,设计“孪生数据驱动,虚拟现实呈现”的总体方案,如
图1所示。整体可以分为本地及远程工作平台两部分。本地操作平台包括虚拟现实监控系统和远程遥控盒;远程工作平台包括立管管内维修焊接机器人、焊接电源和保护气体供给等辅助设备。操作人员可以通过虚拟现实监控系统反馈管内维修焊接机器人的运行情况,同时可通过虚拟现实监控系统及远程遥控盒远程控制管内维修焊接机器人。
2 数字孪生建模
本文数字化建模对象为立管管内维修焊接机器人,采用多维模型融合的方法将几何、物理、行为和规则不同方面的模型进行融合以构建更加全面、多角度的数字孪生模型
[11]。具体结构如
图2所示。
2.1 几何模型构建
为保证数字孪生模型的真实性,根据立管管内维修焊接机器人的几何特征和参数,使用SolidWorks对其进行三维模型的构建工作。
2.1.1 立管管内维修焊接机器人
海洋立管管内维修焊接机器人用于立管管内缺陷自动化焊接维修,其几何模型如
图3所示。它由涨紧装置、焊接打磨装置和辅助涨紧装置组成,具有定位涨紧和导向、TIG(tungsten inert gas welding)堆焊、清除打磨和焊接机头辅助涨紧支撑等功能,其中机头辅助支撑托架被用于辅助运输。
2.1.2 海洋油气平台
海洋油气平台三维图如
图4所示,它为立管维修焊接机器人提供支持。
2.2 物理模型构建
为确定立管管内维修焊接机器人的物理尺寸,基于设备的材料性能和几何参数,使用3DMAX软件渲染模型。采用网格模型建立零件模型,这样可以保持数字孪生建模的实时性并提高用户体验感。首先在SolidWorks中通过顶点面片进行渲染,为了减少数据结构的压缩比,降低对计算机性能和内存的影响,然后使用3DMAX软件对模型进行轻量化处理,具体流程如
图5所示。
2.3 行为模型构建
为提升管内维修焊接机器人虚拟模型的真实感,构建一个能真实映射管内维修焊接机器人运动的数字孪生模型,需分析实体管内维修焊接机器人的运动学方程,以保证各个子模型遵循相应的行为特性
[12]。而实现管内维修焊接机器人真实映射的关键在于准确控制其数字孪生模型的运动,以真实地反映管内维修焊接机器人在实际操作中的行为。
蒙特卡洛法在机器人研究中经常被用来解决机器人工作空间问题,该方法简单易用,且具有较高的效率和精度
[13]。使用蒙特卡罗法在MATLAB中进行仿真,将得到的离散点绘制在三维坐标空间中,得到了该机器人工作空间的三维点云图,结果如
图6所示。
将蒙特卡罗法所建立的工作空间与MATLAB仿真机器人结合形成可视化的焊接机器人工作空间,如
图7所示。该立管管内维修焊接机器人的工作空间为管状,其在空间
z轴上工作区间为[620,820]mm,表示该焊接机器人可焊接最大宽度为200 mm。
通过计算得出机器人的末端位置方程,将其应用到数字孪生模型中,从而实现对模型的驱动。
2.4 规则模型构建
根据实际焊接过程,通过融合几何、物理和行为模型,在虚拟引擎Unity3D软件中构建出立管管内维修焊接机器人的规则模型。
对于动态模型,以管内维修焊接机器人为例,通过机器人关节之间的运动方程以及父子运动关系建立下属关系。焊接过程中,管内维修焊接机器人由涨紧装置、焊接打磨装置和辅助涨紧装置这三部分组成,它们之间的层级关联可使用父-子关系来模拟。设置管内维修焊接机器人为父级,涨紧装置、焊接打磨装置和辅助涨紧装置为子级,这样管内维修焊接机器人的各个节点就呈现出父子关系嵌套的形式,这种嵌套关系会形成正向运动效应,即父节点的运动会影响子节点相对世界的运动。父-子关系结构如
图8所示。
设置和渲染三维对象的属性以使虚拟环境更加逼真,如
图9所示为维修焊接机器人渲染后的孪生模型。渲染后的海洋立管管内维修装备数字孪生模型如
图10所示。
3 孪生数据通信系统
远程海洋立管管内维修焊接现场是一个数据不断变化的动态过程,其孪生数据具有多源,实时,异构等特性,这些数据是驱动数字孪生模型的主要数据源。孪生数据通信系统需要处理大量并行和异构的孪生数据,因此,孪生数据通信系统需保证对实时数据的快速处理和传输
[14]。
构建的数字孪生模型后,通过建立基于ADS的孪生数据通信系统,将数字孪生模型与管内维修焊接机器人的运动相关联,并采用ACCESS数据库对孪生数据进行有效管理。
3.1 孪生数据通信框架
机器人焊接作业过程涉及设备数据、资源数据等孪生数据的采集,软硬件系统多,数据采集方式和接口类型广泛,数据呈现多源异质性
[15]。通过孪生数据的交互实现不断更新和优化,并能够通过数据之间的传输关系和接口交换方式实现数据的匹配衔接。
孪生数据通信的流程如
图11所示。采集的数据通过现场总线、Ethernet,Ether CAT通信协议传输,利用API(application programming interface)函数读取PLC(programmable logic controller)信息,并将数据传递给虚拟现实监控系统,虚拟系统通过对实时数据的采样值和插值处理,实现虚拟实时同步。通过该数据通信流程,可以实现对焊接过程准确、完整的数据采集和集成管理。
3.2 孪生数据通信系统
ADS通信是基于TCP/IP协议的工业控制领域通信方式
[16],在实际应用中,广泛应用于各种PLC编程、工控系统协作等领域。ADS通信协议要求所有通过ADS交换数据和信息的设备都需包含ADS路由器。此外,TwinCAT PLC还支持多种通信接口,如Microsoft标准OPC、OCX、DLL等,可与其他接口或程序进行通信
[17]。使用ADS通信方法能在TCP/IP协议模型的应用层实现消息传输,如
图12所示。ADS通信方法可实现实时数据传输和高效通信,使得设备间的数据交换更加方便和可靠。通过使用ADS通信方法,TwinCAT PC和控制器等设备都可以实现高效的数据和信息交互。
为了使管内维修焊接机器人与虚拟现实监控系统之间通信,采用ADS通信方法,如
图13所示。
3.3 孪生数据通信系统优化
为了使孪生数据通信系统实现最佳的实时性和稳定性,采用FixedUpdate()函数来更新管内维修焊接机器人的运动信息。Update()函数的刷新速度受当前渲染物体的内存大小影响,速度与内存大小成正比。当渲染物体内存较大时,刷新速度较慢
[18];反之,刷新速度较快。将周期调整为0.02 s时,远程端与本地端网络通信数据对比如
图14所示。
经多次试验,发现将TwinCAT PLC和Unity3D的扫描时间都设置为0.02 s时,系统工作平稳,通讯延迟几乎不可感知。因此,选择以0.02 s为TwinCAT PLC的扫描时间和本地端虚拟现实监控系统的更新时间。
3.4 ACCESS数据库
在本虚拟现实监控系统中,由于焊接过程中存在着大量的焊接参数。基于该系统的需求,选用ACCESS数据库管理焊接数据,以实现对焊接过程的有效监控。
为实现焊接数据的传输,虚拟监控系统使用ADO.NET数据访问接口与本地ACCESS数据库进行通信
[19]。通过该接口,虚拟现实监控系统可以对ACCESS数据库中的数据实现快速、高效的访问和获取。如
图15所示为数据库连接的流程。如
图16所示为记录在ACCESS数据库中的焊接数据。
4 虚拟现实监控系统
虚拟现实监控系统使操作人员身临其境,可以更加真实地监控管内维修焊接机器人的运行状态。通过设计焊接场景特效、数据可视化界面、碰撞检测等多个功能模块,满足操作人员实时了解维修状态的需求。
4.1 焊接场景特效
4.1.1 焊接电弧
为提高虚拟焊接场景的真实感,采用Unity3D提供的粒子系统(particle system)模块仿真焊接电弧,粒子系统可根据实际场景需求设计渲染方式和渲染效果,以粒子形状、粒子生命周期内的颜色、粒子生命周期内的尺寸大小、渲染等为关键参数,本系统设计了接近焊接电弧的粒子效果
[20],如
图17所示。
4.1.2 焊缝特效
为了达到理想的焊接效果,焊缝特效使用动态轨迹生成技术实现,轨迹描述的是焊炬的端点,使用LineRenderer()描绘,它可以用于创建各种类型的焊接效果,如激光焊接、点焊和弧焊。通过适当的材质和宽度设置,LineRenderer()可以创建与真实焊接过程类似的真实焊缝效果,焊缝效果如
图18所示。
4.2 数据可视化界面
Unity3D的可视化组件是专门为游戏和虚拟现实场景开发的,对于虚拟现实场景下的数据可视化有很好的适用性。本虚拟现实状态监控系统主要使用的数据可视化组件为GUI(graphical user interface)和Xcharts。如
图19所示为虚拟现实状态监控系统部分人机交互界面。如
图20所示为使用Xcharts组件在焊接机器人的界面上创建的焊接速度折线图。
4.3 碰撞检测
在虚拟仿真过程中,焊接机器人在进行焊接操作时可能会与自身发生碰撞或与管道发生碰撞,在此过程中碰撞检测可以及时发出警报信号。碰撞检测技术确定两个物体是否相交,用于多面体相交检测的碰撞检测算法具有较高的检测精度
[21],采用OBB(orientation bracketing box)检测方法对模型进行碰撞检测。OBB包裹盒可以对碰撞体模型进行完整的包裹,其方向由被包裹模型的结构决定,通过包裹盒的交点来检测碰撞,实现简单,可以有效减少虚拟系统中的碰撞检测任务。
如
图21所示,系统运行正常时,焊枪显示为绿色,若焊枪与管道之间的距离小于设定值,虚拟现实状态监测系统中的焊枪将变为红色,提示操作人员程序检测到碰撞事件。
5 虚拟监控系统测试与堆焊实验
5.1 虚拟监控系统功能测试
5.1.1 状态监测功能测试
如
图22所示,虚拟现实监控系统可以实时监测焊接参数的变化,并将这些参数实时显示在人机交互界面中的监测工具上,以便操作人员进行观察。多次试验表明,该虚拟现实监控系统画面与电弧监控系统画面实时同步,实现了与实体焊接机器人的同步运动。
从
图22中可以清楚地看出,数字孪生模型能够与实体焊接机器人同步起弧、同速运动和同步停止。系统界面显示实时更新的电弧特效及焊接参数,具有良好的临场感,能够帮助操作人员实时观察远端的焊接过程。
5.1.2 远程控制功能测试
以位姿调整为例,如
图23所示为维修焊接机器人围绕海洋立管做圆周运动的两个不同位姿,在虚拟现实监控系统与电弧监控系统中,该机器人沿相同方向运动,且同速,同步。结果可得数字孪生模型与管内维修焊接机器人旋转相同弧度。
同步交互试验对虚拟现实系统的有效性和工作效果进行了验证,结果表明,本系统同步交互效果良好,能够较好地完成实时运动仿真。
5.2 立管管内维修堆焊工艺实验
5.2.1 焊接工艺方案
针对海洋立管管内维修空间狭小的问题,立管管内维修焊接机器人采用TIG自动堆焊工艺进行维修。为了测试焊接机器人效果,建立含缺陷的立管实验环境模拟腐蚀凹坑和裂纹,并采用逐道向上环向堆焊的方法进行修复。如
图24所示为焊接试验管道,如
图25所示为立管内坑状腐蚀。
焊接工艺方案如下:缺陷类型为腐蚀凹坑和模拟裂纹;使用API 5L X65管道常用材料,管壁厚12 mm;焊丝为
Φ1.0 mm的inconel 690合金;使用99.99%纯氩气作为保护气体,流量为20 L/min;焊道厚度约3 mm,初步搭接量为40%~50%,工艺参数范围如
表1所示。
5.2.2 实验系统搭建
将立管管内维修焊接装置集成于便携式移动工作站之中。此工作站的良好移动性,为实验室内的焊接工艺实验以及现场施工提供便利,如
图26所示。
焊接实验系统如
图27所示。左侧是立管管内维修焊接机器人,将其放入模拟立管工况的管道内,通过虚拟现实监控系统观察缺陷位置,定位后通过虚拟现实监控系统控制旋转机构、横向进给机构和高低调整机构完成缺陷区的远程堆焊维修。
5.2.3 堆焊维修工艺实验与分析
进行焊接前的准备工作,包括检查试件、设备的运行情况,准备试件工具、焊丝和保护气体等。根据设计的孪生数据驱动的虚拟监控系统,进行环向堆焊实验,完成单道焊接,根据电弧监控同步观察数字孪生虚拟监控系统,整个焊接过程运行稳定,动态调整过程流畅,操作人员通过该虚拟监控系统进行焊接过程检测及工艺调整,通过远程监控,极大降低了操作人员在恶劣现场施工的工作强度。电弧监控结果如
图28所示。
同步数字孪生监控如
图29所示。看到,在逐道向上环向堆焊过程中,焊接机器人上行移动时,数字孪生模型同步上行移动,焊接机器人的对应运动参数同步到数字孪生模型,且可在数字孪生监控画面中及时调整焊接运动参数等。
本系统成功实现了光滑平整的焊接缺陷处理。多道修补焊缝的外观光滑平整,并通过孪生数据驱动的虚拟监控系统降低了操作人员的工作强度。如
图30所示,满足了单层多道维修的要求。焊道高度均匀,经过测量焊高达到了4 mm,焊接效果最佳,如
图31所示。
6 结论
以立管管内维修焊接机器人为研究对象,研究了数字孪生的关键技术,搭建了数字孪生模型、设计了孪生数据通信系统、开发了虚拟现实监视系统,实现了对管内维修焊接机器人的监控。这些研究对机器人系统的智能化和实时监控具有一定的推进意义,也为智能制造和数字化生产提供了新的思路和方法。
PDF
(27699KB)
