基于数字孪生与PLC联动的智能漆色定制系统

本发明涉及自动化控制，尤其涉及基于数字孪生与plc联动的智能漆色定制系统。

背景技术：

1、当前工业漆色定制与喷涂领域，依赖持证喷涂技工凭借从业经验完成漆色调配、样品打样、工件喷涂全流程操作，用户仅能通过实体上百种色卡完成选色，无法提前预览漆色在目标工件上的喷涂效果，全流程无数字化管控环节，部分大型制造企业引入单一环节的数字化工具，具体包括单独的线上选色app、小程序，仅实现色卡展示与基础选色功能，独立的产线plc控制系统，仅实现实体喷涂设备的本地驱动与轨迹控制，单一的数字孪生仿真软件，仅实现产线三维可视化展示与离线编程，三类工具相互独立，无统一的数据交互标准，无法实现跨环节数据互通，形成行业普遍存在的信息孤岛；

2、综上所述现有的智能漆色定制在实际应用中存在以下缺陷：

3、现有智能漆色定制，仅实现单一的线上选色功能，无法实现定制参数到生产执行的全链路数据互通，数字孪生系统仅用于产线可视化展示，plc控制系统仅负责本地实体设备的驱动执行，两者之间无标准化的双向联动机制，虚拟仿真优化后的工艺参数无法直接下发至实体plc控制器执行，需人工二次转录与调试，前端线上定制需求与后端线下生产环节完全脱节，用户提交的定制参数需人工转化为生产控制参数，易产生人为误差，且无标准化的远程颜色监控闭环，导致批次色差纠纷频发

4、针对上述的技术缺陷，现提出一种解决方案。

技术实现思路

1、本发明采用了如下技术方案：基于数字孪生与plc联动的智能漆色定制系统，包括：

2、线上交互定制模块，作为用户前端交互入口，设有包含上百种色卡的选样界面与自定义调色交互界面双选项卡架构，用于采集漆色定制参数并加密存储；

3、云端服务模块，用于对漆色定制参数进行数据交换与数据解析，转化为仿真可识别工艺参数，将设备运行数据转化为前端可渲染可视化数据，并通过构建关系型数据库进行全流程数据存储服务；

4、数字孪生仿真模块，基于unity 3d引擎构建与实体喷涂产线等比例复刻的三维仿真场景，用于接收所述云端服务模块下发的漆色工艺参数并在虚拟场景中完成喷涂，迭代优化喷涂工艺与设备运行参数；

5、plc主控模块，用于接收优化后的喷涂工艺与设备运行参数，实时控制样品上下架、展示台摆放、调色喷漆，生成时序控制指令并下发执行；

6、自动化执行模块，用于接收时序控制指令，执行样品输送、工位定位、喷涂和转运作业；

7、远程视觉监控模块，用于采集喷涂完成样品的多角度图像数据，将实际色值提供给客户进行选择。

8、进一步的，作为用户前端交互入口，设有包含上百种色卡的选样界面与自定义调色交互界面双选项卡架构，用于采集漆色定制参数并加密存储，具体过程如下：

9、线上交互定制模块基于hbuilder x开发框架构建，具备pc端与移动端双端适配能力，通过界面顶部pc模式切换标识实现多终端显示适配，线上交互定制模块采用双选项卡交互架构，设置样品选择与定制两大功能入口：

10、选择样品选项卡对应上百种色卡选样界面，采用3行×8列的矩阵式布局展示上百种色卡，上百种色卡分为红色系梯度、绿色系梯度和蓝色系梯度三大色系梯度，各色系梯度内以32为步长从255至32递减排列；

11、每块色卡下方配置独立复选框、色卡编号标识及颜色参数说明文本，界面底部设置实时选择计数显示区域和确认选样提交按钮，形成标准选样参数集；

12、定制选项卡对应自定义调色界面，设置客户身份标识输入单元、四通道颜料比例输入单元、数据校验提示单元和调配提交单元；

13、四通道颜料比例输入单元设置红颜料比例、绿颜料比例、蓝颜料比例和黑颜料比例共4组数字输入框，通道数量根据商家可提供颜料数量增加以及减少，每组输入框后标注%单位标识，支持0至100范围内的整数比例值输入；

14、用户点击调配提交按钮后，采集客户标识和四通道颜料比例值，形成自定义调色参数集，将采集的标准选样参数集与自定义调色参数集与当前用户的操作时间戳和终端设备标识进行关联打包，得到漆色定制参数，采用加密协议将打包后的数据上传服务模块的后端接口。

15、进一步的，用于对漆色定制参数进行数据交谈与数据解析，转化为仿真可识别工艺参数，将设备运行数据转化为前端可渲染可视化数据，并通过构建关系型数据库进行全流程数据存储服务，具体通过过程如下：

16、接收上传的漆色定制参数，漆色定制参数包括各颜料通道比例参数、客户标识和订单时间戳，对接收到的参数进行解析并提取各字段值，对解析得到的各字段值执行合法性校验，合法性校验至少包括客户标识是否满足预设格式规则、订单时间戳是否为有效时间格式，当任一字段校验不通过时，向线上交互定制模块返回参数错误提示并阻断后续流程；

17、校验通过后，根据预设的色值工艺映射规则库，将前端色值参数转换为仿真可识别工艺参数，仿真可识别工艺参数包括四通道颜料比例参数，并将仿真可识别工艺参数下发至数字孪生仿真模块；

18、根据预设的渲染数据编码规则，将设备运行状态数据转换为前端可渲染可视化数据，并将转换后的可视化数据推送至线上交互定制模块进行实时显示；

19、对生成的仿真可识别工艺参数和虚拟仿真结果数据、设备运行状态数据按时间戳和订单标识进行关联归档写入关系型数据库，完成全流程数据存储服务。

20、进一步的，云端服务模块还包含漆色基础数据表和客户定制订单数据表，具体过程如下：

21、采用业务驱动的结构化设计，根据业务场景划分为漆色基础数据存储、客户定制订单数据存储两大核心数据表集群，各数据表通过标准化字段关联实现数据联动；

22、漆色基础数据表用于存储标准化漆色配方及仓储位置信息，包含编号字段，为主键自增索引，用于漆色记录的快速定位与关联查询；

23、名称字段，存储漆色标准色号标识；

24、红色通道颜料比例、绿色通道比例、蓝色通道比例和黑色通道比例，四通道比例值直接作为plc喷涂设备的投料控制参数；

25、架号字段、层号字段和序数字段，三者构成三维仓储定位编码体系，用于漆色原料在实体仓储中的精确定位；

26、漆色基础数据表用于存储标准化漆色配方及仓储位置信息，包含编号字段，为主键自增索引，用于漆色记录的快速定位与关联查询。

27、进一步的，基于unity 3d引擎构建与实体喷涂产线等比例复刻的三维仿真场景，三维仿真场景具有相同设备配置、相同布局结构、相同运动学参数的实体喷涂产线上直接部署运行，具体过程如下：

28、采用物理层、模型层、逻辑层、交互层四层结构化架构搭建与实体喷涂产线等比例复刻的三维虚拟仿真场景；

29、物理层用于构建产线物理空间边界、碰撞检测体和重力模拟参数，为全场景提供物理引擎支撑；

30、模型层包含喷涂机器人单元、视觉检测单元、工件仓储与定位工位、物料转运单元、自动喷涂往复机单元、喷涂执行单元、漆料供给与压力控制单元和产线传动结构的完整三维模型，各三维模型的几何拓扑与运动学参数与实体设备对应；

31、喷涂机器人单元为4自由度工业机械臂模型，包含基座、旋转关节、大臂、小臂和腕部关节的完整运动链结构，机械臂末端配置喷涂管路接口；

32、物料转运单元为agv自动导引小车与举升机构一体化模型，agv配置磁光电传感器仿真模块，举升机构包含升降导轨与叉齿结构；

33、漆料供给与压力控制单元包含红、绿、蓝、黑四种基础色漆料容器模型及配套氮气罐与压力桶模型；

34、逻辑层内置设备运动学模型、喷涂工艺仿真算法和时序调度逻辑，用于实现虚拟设备的行为仿真；

35、交互层提供数据通信接口，实现与云端服务模块和plc主控模块的双向数据交互。

36、进一步的，用于接收所述云端服务模块下发的漆色工艺参数并在虚拟场景中完成喷涂，迭代优化喷涂工艺与设备运行参数，具体过程如下：

37、通过交互层接收仿真可识别工艺参数，仿真可识别工艺参数至少包括四通道颜料比例参数、喷枪喷涂速度参数、喷涂距离参数和漆料出量参数；

38、在三维虚拟仿真场景中启动喷涂，喷涂全流程仿真预演包含agv物料转运仿真、举升机取放料仿真、往复机喷涂仿真和机械臂辅助操作仿真，验证各工位间的协同逻辑与设备运动轨迹；

39、在喷涂全流程仿真预演过程中，逻辑层执行设备运动学仿真和喷涂工艺参数迭代优化，设备运动学仿真根据工艺参数模拟各执行设备的运动轨迹与速度曲线，喷涂工艺参数迭代优化根据虚拟喷涂效果反馈调整喷枪移动速度、喷涂距离和喷涂重叠率参数，以多轮迭代方式逼近最优参数组合；

40、在喷涂全流程仿真预演过程中，通过实时接收来自plc主控模块获取的传感器信号，不断校正虚拟装置的位置、角度等，实现虚拟仿真过程完全映射真实运行过程且实时同步。

41、进一步的，用于采集喷涂完成样品的多角度图像数据，将实际色值提供给客户进行选择，具体过程如下：

42、在喷涂完成样品进入检测工位后，根据用户当前操作模式执行图像采集：若用户处于选色比对模式，则通过高清摄像头远程视频按照预设角度查看样品板，预设角度序列包含正面视角、左侧斜向视角和右侧斜向视角；

43、若用户处于自定义调色模式，则对调色后新喷样品执行同样样品板搬运流程，将新样品的实际色值提供给客户进行选择；

44、在图像采集过程中，根据用户指令调节检测工位的照明参数，照明参数包括光照类型和光照强度，光照类型包含日光灯、暖光灯和冷光灯，光照强度在预设范围内连续可调，不同照明参数下分别采集样品图像，用于呈现样品颜色在不同光照环境下的实际表现。

45、进一步的，还包括样品板存取展示模块，用于从货架上取出指定样品板按序摆放至展示台，展示结束后归还至原位，具体过程如下：

46、货架为5列9层立体结构，存放上百种样品板，每种样品板对应唯一货位编码，颜色标识与货位编码在数据库中关联存储并实时更新，两台agv小车部署于货架前方轨道，用于样品板的水平搬运；

47、升降机设置于货架旁侧，通过可伸缩货叉执行样品板的垂直取放，四轴机器人设置于展示台旁侧，末端设有取放执行器，用于样品板在agv小车与展示台之间的转移；

48、当用户选定一批样品板并确认展示顺序后，系统生成取出任务序列，依次调度agv小车、升降机和四轴机器人协同动作，将所选样品板按顺序从货架取出并摆放至展示台；

49、展示结束后，系统生成归还任务序列，将样品板回收并归还至各自原货位，同时更新数据库中对应样品板的位置状态。

50、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

51、该基于数字孪生与plc联动的智能漆色定制系统，通过线上交互设有包含上百种色卡的选样界面与自定义调色交互界面双选项卡架构，使用户快速选用经实体喷涂校准验证的上百种色卡，并自主调配商家提供的任意多种的颜料比例，实现标准化选色与个性化调色的统一，对漆色定制参数执行合法性校验、阈值校验和格式校验，拦截无效脏数据后转换为仿真可识别工艺参数，并将设备运行数据转化为前端可渲染可视化数据，实现从用户提交到生产执行环节数据的标准化流转，在实体生产前即可通过仿真预览确认漆色效果，通过虚拟预演提前发现并规避设备生产风险，避免实体试错带来的材料浪费和时间损耗，建立标准化虚实双向联动机制，使优化后的工艺参数直接落地实体生产，无需人工二次录入与调试，在喷涂完成后自动采集样品的多角度高清图像，经云端服务模块完成图像预处理后，基于标准色差算法计算实际色值与定制色值的色差值，实现质量验收的数字化与可追溯。