基于數(shù)字孿生的裝配車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

段明皞，張 南，耿 華，穆永雷，陳偉才

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120；2.遼寧對(duì)外經(jīng)貿(mào)學(xué)院 大數(shù)據(jù)研究院，大連 116023；3.一汽-大眾汽車有限公司，長春 130028）

0 引言

隨著德國工業(yè)4.0、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國的智能制造2025等戰(zhàn)略的提出，制造業(yè)將更多的融合云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)，推動(dòng)了制造業(yè)向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型[1]。而如何實(shí)現(xiàn)物理工廠和虛擬工廠的實(shí)時(shí)交互和數(shù)據(jù)融合，是未來實(shí)現(xiàn)制造智能化的瓶頸之一[2]。數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)虛實(shí)之間雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接，將作為重要技術(shù)手段助力中國實(shí)現(xiàn)智能制造2025戰(zhàn)略[3]。

自數(shù)字孿生概念被提出以來，國內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期各個(gè)階段（產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)管控及設(shè)備預(yù)測性維護(hù)方面）都進(jìn)行了大量的研究[4，5]。通過對(duì)數(shù)字孿生車間的概念、組成、體系架構(gòu)的研究，提出了物理車間和虛擬車間的孿生數(shù)據(jù)交互與映射的理論和實(shí)現(xiàn)方法，闡述了數(shù)字孿生系統(tǒng)組成以及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了模型輕量化的解決方案，以及復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線分析以及質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)測與分析的問題[6，7]。

綜上所述，在數(shù)字孿生技術(shù)促進(jìn)智能制造落地方面取得了很多研究成果，但在多層次多細(xì)節(jié)反映生產(chǎn)裝配的組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行邏輯等方面仍然有許多工作要做。本文主要研究內(nèi)容如下：1）提出發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)體系架構(gòu)，在原有數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展監(jiān)控范圍，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的全要素、全業(yè)務(wù)、全流程的生產(chǎn)監(jiān)控。2）闡述基于數(shù)字孿生的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。3）結(jié)合某發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線案例，說明數(shù)字孿生裝配線的主要功能。

1 基于數(shù)字孿生的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線架構(gòu)設(shè)計(jì)

該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，由物理裝配線，虛擬裝配線以及兩者之間的孿生數(shù)據(jù)組成，實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配線和物理裝配線互相映射與交互，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)裝配數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控及裝配可視化的目的。該發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。由物理層獲取裝配車間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并控制裝配線的運(yùn)行，進(jìn)入數(shù)據(jù)層進(jìn)行建模規(guī)劃與數(shù)據(jù)交互傳輸處理，通過虛擬層進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1）物理層是數(shù)字孿生裝配線的虛擬仿真及生產(chǎn)過程展示的依據(jù)。物理層的主要功能是整合車間資源，按發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配工藝，完成發(fā)動(dòng)機(jī)裝配。物理層感知模塊負(fù)責(zé)采集發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的裝配人員數(shù)據(jù)、裝配零件信息、裝配過程數(shù)據(jù)（壓裝力、壓裝位移、擰緊力矩、擰緊角度、壓力等），實(shí)時(shí)將各類數(shù)據(jù)整理、打包通過PLC或數(shù)據(jù)采集模塊上傳至數(shù)據(jù)層，同時(shí)PLC接收來自上層系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)，直接參與各個(gè)設(shè)備PLC的邏輯控制，從而完成對(duì)全線生產(chǎn)的統(tǒng)一規(guī)劃。

2）數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的建模規(guī)劃與數(shù)據(jù)交互傳輸處理。虛擬建模階段，以車間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備機(jī)械和電氣部分的數(shù)據(jù)建模為基礎(chǔ)，根據(jù)數(shù)字孿生模型輕量化[5]的原則，進(jìn)行提取和抽象，將復(fù)雜的信息概括成清晰的輪廓，從而完成虛擬模型的搭建。車間生產(chǎn)階段，標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效實(shí)時(shí)傳輸。

3）虛擬層是物理層在虛擬空間的表現(xiàn)形式。虛擬裝配線通過三維模型、物理屬性、裝配工藝、相關(guān)事件來構(gòu)建[8]。實(shí)現(xiàn)物理層與虛擬層的完全映射。同時(shí)，虛擬層包含完整的人員信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、零部件條碼信息、裝配過程數(shù)據(jù)等，通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲(chǔ)以上數(shù)據(jù)信息，且能夠完成生產(chǎn)過程回放，滿足車間各部門的生產(chǎn)決策需求。虛擬層能對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的各類生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行孿生級(jí)（一致、準(zhǔn)確、靈敏）的仿真與監(jiān)控，包括設(shè)備位置、動(dòng)作以及產(chǎn)品信息。實(shí)現(xiàn)物理層生產(chǎn)活動(dòng)在虛擬層的仿真、優(yōu)化與決策。

4）服務(wù)層建立在物理層、數(shù)據(jù)層和虛擬層之上。在數(shù)字孿生裝配線運(yùn)行過程中，獲取物理層生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過虛擬層模型進(jìn)行數(shù)據(jù)映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場全要素、全業(yè)務(wù)、全流程的三維實(shí)時(shí)監(jiān)控。

基于上述體系架構(gòu)，數(shù)字孿生發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線系統(tǒng)可劃分為：物理裝配線構(gòu)建、裝配數(shù)據(jù)采集、虛擬系統(tǒng)搭建、裝配線可視化，如圖2所示。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配裝配線是物理裝配線與虛擬裝配線的雙向映射，既包括物理裝配線運(yùn)行要素在虛擬裝配線的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，也包括虛擬裝配線對(duì)物理裝配線的控制和執(zhí)行。

圖2 系統(tǒng)組成

2 基于數(shù)字孿生的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于數(shù)字孿生的裝配車間，采用WEB分布式部署的B/S架構(gòu)、結(jié)合前端腳本語言JAVASCRIPT和JQUERY，可通過工作流方式進(jìn)行快速的開發(fā)以及二次開發(fā)。為保證數(shù)據(jù)安全及應(yīng)用程序穩(wěn)定，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用層分離部署模式，支持集群架構(gòu)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

現(xiàn)場設(shè)備終端通過WEB瀏覽器運(yùn)行系統(tǒng)，現(xiàn)場客戶端實(shí)時(shí)顯示質(zhì)量數(shù)據(jù)，設(shè)備狀態(tài)信息，能使得運(yùn)行在不同操作系統(tǒng)上計(jì)算機(jī)無須借助附加的、專門的第三方軟件或硬件；同時(shí)系統(tǒng)采用集中式數(shù)據(jù)采集方法，對(duì)設(shè)備采用統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)。

在每個(gè)工位布置MES工作站，采集生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的擰緊力矩、轉(zhuǎn)角、壓裝力、壓裝位移、回轉(zhuǎn)力矩、泄漏量等質(zhì)量信息并同步映射信息至虛擬裝配線。

首先，采用SolidWorks、3DMAX、PDPS、UG等三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行虛擬裝配線的布局及設(shè)備的幾何模型設(shè)計(jì)。建模過程如圖3所示。接著，進(jìn)行模型的抽象簡化，提高模型的加載速度。接著，虛擬模型綁定設(shè)備工藝及環(huán)境配置（物理關(guān)節(jié)約束、傳感器等）。接著，定義行為、邏輯以及數(shù)據(jù)交互接口，采集數(shù)據(jù)。最后將虛擬車間模型及動(dòng)作行為在WEB端進(jìn)行渲染。

圖3 虛擬裝配線模型搭建

3 基于數(shù)字孿生的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

某發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的裝配流程概括為：缸體自動(dòng)放在隨行托盤上，由自動(dòng)工位、半自動(dòng)工位及手動(dòng)工位完成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)腔件、覆蓋件的裝配及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)必要的檢測工作。裝配完整、正確的發(fā)動(dòng)機(jī)從發(fā)動(dòng)機(jī)托盤上吊下來并放在料架上。整線進(jìn)行機(jī)型切換時(shí)實(shí)現(xiàn)無縫換型，即零換型時(shí)間。手動(dòng)工位生產(chǎn)節(jié)拍48秒，自動(dòng)和半自動(dòng)工位生產(chǎn)節(jié)拍38秒。裝配過程實(shí)時(shí)監(jiān)控各類動(dòng)態(tài)信息，包括人員信息、設(shè)備信息（狀態(tài)、質(zhì)量等）以及各種物料信息等，形成完整的裝機(jī)檔案。數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用如表1所示。

表1 數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前系統(tǒng)已實(shí)施并應(yīng)用，涵蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配全流程，提供了孿生生產(chǎn)場景三維模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集，仿真與監(jiān)控。系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖所示。裝配線能夠?qū)崿F(xiàn)PC端及移動(dòng)端實(shí)時(shí)可視化，并能夠統(tǒng)計(jì)分析處理各類時(shí)數(shù)據(jù)（設(shè)備利用率、任務(wù)進(jìn)度、物料信息、裝機(jī)檔案、能源狀態(tài)、零件正向反向追溯）。用戶隨時(shí)隨地獲取設(shè)備、生產(chǎn)、質(zhì)量等信息，提高管理響應(yīng)速度和透明度。孿生車間可視化監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生生產(chǎn)線可視化監(jiān)控界面

1）數(shù)字孿生生產(chǎn)線——監(jiān)控可視化：以三維模型的方式動(dòng)態(tài)展示裝配線的設(shè)備信息、工藝參數(shù)、物料信息等。

2）數(shù)字孿生生產(chǎn)線——設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控：在裝配線總體監(jiān)控的基礎(chǔ)上，能夠查看各個(gè)設(shè)備的詳細(xì)的狀態(tài)信息。

3）數(shù)字孿生生產(chǎn)線——數(shù)據(jù)分析：實(shí)時(shí)分析設(shè)備的參數(shù)，OEE分析、產(chǎn)量分析、停機(jī)分析、報(bào)警分析等。

4）數(shù)字孿生生產(chǎn)線——電子看板：展示車間當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)、計(jì)劃產(chǎn)量、實(shí)際產(chǎn)量等生產(chǎn)信息。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)企業(yè)向信息化、智能化戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型具有重要的推動(dòng)作用。本文以物理層、數(shù)據(jù)層、虛擬層以及服務(wù)層構(gòu)建了數(shù)字孿生體系結(jié)構(gòu)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行了物理裝配線與虛擬裝配線的虛實(shí)映射，實(shí)現(xiàn)了裝配線數(shù)字化運(yùn)行，完成了裝配過程的全要素、全過程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)監(jiān)控。該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)施在某發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線，促進(jìn)了數(shù)字孿生車間的落地應(yīng)用，具有一定的推廣價(jià)值。