數(shù)字孿生技術(shù)在沖壓車間的應用探究

文／秦鵬，孫興武·機械工業(yè)第九設計研究院股份有限公司

李文彬.中國第一汽車集團有限公司

趙海洋.一汽解放汽車有限公司

為進一步推動沖壓車間的數(shù)字化建設，提高沖壓車間智能化水平，在沖壓車間規(guī)劃過程中提出應用沖壓車間數(shù)字孿生技術(shù)。本文從整體構(gòu)成到關(guān)鍵要素詳細論述了沖壓車間數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)成及搭建，同時對沖壓車間數(shù)字孿生技術(shù)的具體應用場景進行了探究，并分析了沖壓車間數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展趨勢。

全球數(shù)字化時代已經(jīng)來臨，隨著汽車行業(yè)競爭加劇，傳統(tǒng)汽車制造業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)愈發(fā)不能滿足當前高效、感知、便捷、可溯的現(xiàn)代管理要求，各汽車制造企業(yè)對如何提升生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低運營成本、減低故障時間等方面有著較強需求并進行一定的探索。如何更好地實現(xiàn)上述目標也是擺在先進制造企業(yè)面前的一道難題。

在“全球工業(yè)4.0 戰(zhàn)略”及“中國制造2025”的引領(lǐng)下，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息、通信技術(shù)的發(fā)展和推動，國內(nèi)外汽車智能制造行業(yè)飛速發(fā)展，各先進汽車制造企業(yè)利用數(shù)字化、智能化技術(shù)來優(yōu)化現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)，打造先進的數(shù)字化、智能化工廠已成為當前各汽車制造企業(yè)的主流需求，同時數(shù)字化制造系統(tǒng)也為各汽車制造企業(yè)優(yōu)化企業(yè)資源配置和提高生產(chǎn)效率帶來了新的機遇。

近年來，隨著汽車制造業(yè)數(shù)字化建設的不斷提升，沖壓車間整體也在向數(shù)字化、智能化方向不斷邁進，在諸多先進技術(shù)中數(shù)字孿生技術(shù)因其車間虛實的高度融合、三維空間的立體呈現(xiàn)、生產(chǎn)狀態(tài)的實時掌握、制造信息的及時跟蹤等優(yōu)勢，可以更便捷地輔助車間現(xiàn)場工作人員進行管理和跟蹤生產(chǎn)狀態(tài)，因此逐步被各大汽車制造企業(yè)加以應用，成為提升沖壓車間數(shù)字化、智能化水平的關(guān)鍵因素。

數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字孿生技術(shù)充分結(jié)合數(shù)字化模型、設備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等諸多關(guān)聯(lián)信息，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間還原設備運行狀態(tài)、生產(chǎn)管理狀態(tài)并進行數(shù)據(jù)聯(lián)動，真實反映當下車間內(nèi)實體裝備運行過程。

車間是制造活動的主體，數(shù)字孿生技術(shù)為生產(chǎn)制造過程的可視化智能制造提供了一種可行的技術(shù)方案。沖壓車間數(shù)字孿生可以結(jié)合沖壓生產(chǎn)需求與工業(yè)三維可視化技術(shù)，搭建由物理實體與孿生模型結(jié)合成的、可進行連續(xù)過程優(yōu)化的數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)挖掘和IOT 技術(shù)為數(shù)據(jù)賦能，使沖壓車間管理者及時獲取實時運營狀態(tài)并進行快速決策，全面推動生產(chǎn)線、生產(chǎn)車間及工廠的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。沖壓車間數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 沖壓車間數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

實體層

實體層是數(shù)字孿生系統(tǒng)的根本，沖壓車間實體層主要包括沖壓線、起重機、立體庫、AGV、叉車、模具、輔助工裝等車間實體生產(chǎn)設備及工裝。通過能夠進行數(shù)據(jù)通訊的工控機、PLC、傳感器等功能部件，將數(shù)字世界與真實世界進行聯(lián)通，搭建起孿生的橋梁。

數(shù)字孿生系統(tǒng)經(jīng)過與實體層的有機結(jié)合，實現(xiàn)對生產(chǎn)加工、過程裝配、產(chǎn)品運輸和物料倉儲等具體生產(chǎn)活動與數(shù)字孿生系統(tǒng)的聯(lián)動。

數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心，主要由車間數(shù)據(jù)和數(shù)字模型構(gòu)成。

車間數(shù)據(jù)主要通過對沖壓車間大范圍、深層次、多種類的海量數(shù)據(jù)進行采集，以及對異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣計算處理數(shù)據(jù)而獲得，并對數(shù)據(jù)進行匯集，形成數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

數(shù)字模型是對沖壓車間建筑和設備進行真實的三維建模，是對車間實體幾何物理特征的真實寫照。以物理實際為藍本，將各模型進行刻畫，以還原車間的真實狀況。

數(shù)字孿生系統(tǒng)通過對車間數(shù)據(jù)和數(shù)字模型進行有機結(jié)合，搭建虛擬的數(shù)字空間。

應用層

應用層是數(shù)字孿生系統(tǒng)的窗口，主要面向用戶進行信息交互，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的信息傳遞。通過數(shù)字孿生系統(tǒng)使虛擬數(shù)字空間與現(xiàn)實生產(chǎn)車間進行實時聯(lián)動，實現(xiàn)了多角度的三維實時監(jiān)控，同時利用虛實交互過程中的大量數(shù)據(jù)用以實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程優(yōu)化和決策。

數(shù)字孿生既可以完成車間現(xiàn)場的數(shù)字化重建，使虛擬的數(shù)字空間聯(lián)動現(xiàn)實生產(chǎn)車間的生產(chǎn)活動，也可以實現(xiàn)車間生產(chǎn)活動在數(shù)字空間內(nèi)的虛擬再現(xiàn)，并支持進行管理分析、優(yōu)化及決策等功能。

數(shù)字孿生系統(tǒng)關(guān)鍵要素

通過以上架構(gòu)搭建的沖壓車間數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以重構(gòu)沖壓車間的生產(chǎn)活動。沖壓車間數(shù)字孿生系統(tǒng)是通過多技術(shù)交叉融合而實現(xiàn)的，其中數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建和生產(chǎn)過程的實時聯(lián)動是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)采集

沖壓車間存在大量來自不同廠家的產(chǎn)品和設備，多類型設備的接入且數(shù)據(jù)類型的解析和格式均不一致。因此數(shù)字孿生系統(tǒng)需要與多設備進行數(shù)據(jù)接合，需要對生產(chǎn)制造過程中多源、異構(gòu)、海量的數(shù)據(jù)進行采集和處理，同時具備實時采集、協(xié)議解析、邊緣計算等功能，數(shù)據(jù)采集過程也要兼容多品牌、多型號的通訊設備并且支持多種驅(qū)動協(xié)議，以保證孿生系統(tǒng)與生產(chǎn)設備進行穩(wěn)定、迅速、安全的實時交互。

模型構(gòu)建

數(shù)字孿生系統(tǒng)中模型分為設備模型與廠房模型。

⑴設備模型。

設備模型主要基于生產(chǎn)設備實際，搭建1:1 真實還原的3D 可視化模型，保證數(shù)字孿生系統(tǒng)中設備模型與設備實體從幾何尺寸、材質(zhì)屬性、顏色、形狀等保持高度一致，同時也能真實反映設備實體的裝配關(guān)系、原點、從屬關(guān)系等，使設備模型具備模型結(jié)構(gòu)上的“孿生”特性。沖壓數(shù)字孿生設備模型如圖2 所示。

圖2 沖壓數(shù)字孿生設備模型

在數(shù)字孿生系統(tǒng)搭建過程中，設備模型的應用也需要進行相關(guān)處理，主要分為：模型輕量化、圖形渲染與場景搭建和動態(tài)產(chǎn)線構(gòu)建。

1)模型輕量化。數(shù)字孿生系統(tǒng)中設備模型的應用需要在保證模型固有特征的前提下，通過減少模型的特征點、線、面來進行模型的壓縮處理，既要保證數(shù)字孿生系統(tǒng)中模型的特征，又要進行模型數(shù)據(jù)輕量化，以提高模型在系統(tǒng)中的使用效率。

2)圖形渲染與場景搭建。利用三維引擎對模型進行渲染，在視覺效果層面提升模型的真實度，如PBR 基于物理渲染、光線追蹤渲染、光柵化渲染的極限——環(huán)境光遮蔽AO、HDRP 高清渲染管線、次世代渲染等技術(shù)。

3)動態(tài)產(chǎn)線構(gòu)建。對于非規(guī)則運動軌跡的設備，按生產(chǎn)作業(yè)實際，完善運行軌跡，形成設備運行動作的模型，搭建動態(tài)產(chǎn)線。

⑵廠房模型。

廠房模型應充分反映建筑物的主要結(jié)構(gòu)和細節(jié)特征，依據(jù)廠房圖紙和實際進行精細建模，詳細還原廠房模型的真實狀態(tài)。在廠房模型構(gòu)建過程中還可以通過三維激光掃描技術(shù)采集廠房樓面梁、立柱、樓板洞口等關(guān)鍵場景的點云數(shù)據(jù)，處理點云數(shù)據(jù)以得到精準的輪廓模型。沖壓車間數(shù)字孿生廠房模型如圖3 所示。

圖3 沖壓車間數(shù)字孿生廠房模型

生產(chǎn)過程實時聯(lián)動

數(shù)字孿生模型與車間實體的實時動作、行為和狀態(tài)的聯(lián)動是數(shù)字孿生技術(shù)的應用基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析相比，通過對數(shù)字孿生體的實時監(jiān)控可以提供更全面、透明、多層次的視角。車間生產(chǎn)運行實時聯(lián)動虛擬空間，利用實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)虛擬空間多種設備動作的驅(qū)動、工件位置狀態(tài)的變化、故障預警及調(diào)度規(guī)劃等功能。因此，車間生產(chǎn)運行實時聯(lián)動是生產(chǎn)過程虛實融合的最終目的，為車間生產(chǎn)過程監(jiān)控與優(yōu)化提供基礎(chǔ)服務。

沖壓車間數(shù)字孿生技術(shù)應用場景

沖壓車間生產(chǎn)過程實時同步

通過數(shù)字孿生技術(shù)可以解決沖壓車間的空間構(gòu)建問題，實現(xiàn)沖壓車間生產(chǎn)的精確還原，沖壓車間設備和生產(chǎn)通過現(xiàn)場真實數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，支持數(shù)據(jù)的可視化展示。數(shù)字孿生技術(shù)先進的數(shù)據(jù)采集模塊可以實現(xiàn)沖壓車間設備數(shù)據(jù)采集、物料監(jiān)控、存儲管理等諸多功能，并且對不需要的數(shù)據(jù)進行過濾、對重復的數(shù)據(jù)進行去重等處理機制，實現(xiàn)IT、OT 數(shù)據(jù)的融合與增強。

數(shù)據(jù)的整合與交互，廠房和設備相結(jié)合的三維模型搭建，使數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠提供管理及輔助車間決策的能力，形成完整的決策閉環(huán)，實現(xiàn)對沖壓線等設備和沖壓生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控及分析等功能，降低沖壓車間生產(chǎn)事故和停產(chǎn)停機事件發(fā)生的概率，提高故障發(fā)現(xiàn)和解決的效率。同時通過3D 模型搭建的仿真沖壓線，為數(shù)據(jù)空間中的模型或組件接入真實車間數(shù)據(jù)，進行工藝邏輯轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過濾和加工處理，從而真正實現(xiàn)在數(shù)據(jù)驅(qū)動下還原真實沖壓車間里的生產(chǎn)動作與過程。

沖壓車間生產(chǎn)過程歷史追溯

在沖壓件的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中，將沖壓件數(shù)模同沖壓設備、生產(chǎn)流程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來，按照生產(chǎn)計劃將沖壓生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各類要素，如板料、設備、模具、工藝配方和工序等要求數(shù)字化集成在虛擬空間的生產(chǎn)流程中，根據(jù)既定的規(guī)則，可以實現(xiàn)自動化完成在不同條件的組合操作，以提高生產(chǎn)效率，同時實現(xiàn)虛擬空間中沖壓生產(chǎn)的同步并記錄生產(chǎn)過程中的各類數(shù)據(jù)，并對其進行優(yōu)化處理存儲到數(shù)據(jù)庫中，生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)化可以為后期的生產(chǎn)分析和優(yōu)化提供重要依據(jù)。根據(jù)這些歷史數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生技術(shù)可以輔助沖壓車間進行產(chǎn)品生產(chǎn)信息的追溯，并將已完成的沖壓生產(chǎn)歷史過程進行溯源回放。

沖壓車間虛實融合互動

依托數(shù)字孿生技術(shù)，可以對沖壓車間實體廠房、沖壓線等重點工藝設備、生產(chǎn)信息進行1:1 數(shù)字化建模，在虛擬的數(shù)字沖壓車間中通過車間數(shù)據(jù)監(jiān)測物理實體的狀態(tài)，實現(xiàn)沖壓車間生產(chǎn)過程實時動態(tài)映射，同時在虛擬空間中通過虛擬生產(chǎn)的方式來模擬真實生產(chǎn)過程，綜合分析生產(chǎn)效率和改善措施，并且可以通過數(shù)字孿生系統(tǒng)對沖壓車間的真實物理實體進行操作和管理，形成虛實空間的交互聯(lián)動。通過VR 技術(shù)可以在數(shù)字孿生空間感受真實的沖壓生產(chǎn)。

沖壓車間設備和生產(chǎn)的可視化分析能力

數(shù)字孿生通過數(shù)據(jù)庫共享或者OPC Server 方式訪問和獲取沖壓車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)及信號，并將獲取的數(shù)據(jù)及信號推送到數(shù)字孿生沖壓車間三維場景中。在沖壓車間數(shù)字化虛擬場景中將物料配送、庫存管理、沖壓件生產(chǎn)、信息上報等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行可視化，并模擬真實產(chǎn)生環(huán)境對現(xiàn)場攝像、安全生產(chǎn)、物料運輸?shù)葏^(qū)域進行全面監(jiān)控，時刻掌控車間生產(chǎn)、運輸狀況，全方位監(jiān)管沖壓車間生產(chǎn)運行情況，通過大數(shù)據(jù)圖表的方式統(tǒng)計展示采集的車間信息。沖壓車間數(shù)字孿生可以實時刷新數(shù)據(jù)，并進行趨勢分析，同時通過規(guī)則引擎發(fā)送實時報警數(shù)據(jù)，實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)設備、沖壓物料存儲、沖壓生產(chǎn)指標數(shù)據(jù)的三維可視化，更有效支撐車間生產(chǎn)進度的調(diào)節(jié)，合理資源的調(diào)配、生產(chǎn)質(zhì)量的監(jiān)控等。

結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)是沖壓車間數(shù)字化與智能化的橋梁和紐帶，通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛擬數(shù)字車間，使沖壓數(shù)字化建設的維度提升。沖壓數(shù)字孿生的應用不僅可以將生產(chǎn)信息數(shù)字化，直觀、真實、實時展示沖壓車間生產(chǎn)過程，形成生產(chǎn)過程的數(shù)字化交互，也可以直接通過虛擬數(shù)字空間的調(diào)節(jié)引導現(xiàn)實生產(chǎn)，全方位輔助車間現(xiàn)場工作人員管理，提升沖壓車間的生產(chǎn)運營效率，實現(xiàn)沖壓車間可視化管理手段的創(chuàng)新和生產(chǎn)決策分析能力的提高。

數(shù)字孿生技術(shù)的應用可以推動數(shù)字化、智能化沖壓車間的建成，成為打造沖壓生產(chǎn)制造元宇宙的基石。

弈秋課徒