文／秦鵬，孫興武·機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院股份有限公司

李文彬.中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司

趙海洋.一汽解放汽車有限公司

為進(jìn)一步推動(dòng)沖壓車間的數(shù)字化建設(shè)，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(yīng)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(xì)論述了沖壓車間數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)成及搭建，同時(shí)對(duì)沖壓車間數(shù)字孿生技術(shù)的具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)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(shì)。

全球數(shù)字化時(shí)代已經(jīng)來臨，隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(dāng)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(duì)如何提升生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低運(yùn)營(yíng)成本、減低故障時(shí)間等方面有著較強(qiáng)需求并進(jìn)行一定的探索。如何更好地實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)也是擺在先進(jìn)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(guó)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(dòng)，國(guó)內(nèi)外汽車智能制造行業(yè)飛速發(fā)展，各先進(jìn)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(jìn)的數(shù)字化、智能化工廠已成為當(dāng)前各汽車制造企業(yè)的主流需求，同時(shí)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(jī)遇。

近年來，隨著汽車制造業(yè)數(shù)字化建設(shè)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(jìn)，在諸多先進(jìn)技術(shù)中數(shù)字孿生技術(shù)因其車間虛實(shí)的高度融合、三維空間的立體呈現(xiàn)、生產(chǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握、制造信息的及時(shí)跟蹤等優(yōu)勢(shì)，可以更便捷地輔助車間現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)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(yīng)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(shè)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(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間還原設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)管理狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，真實(shí)反映當(dāng)下車間內(nèi)實(shí)體裝備運(yùn)行過程。

車間是制造活動(dòng)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(shí)體與孿生模型結(jié)合成的、可進(jìn)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(shí)獲取實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)并進(jìn)行快速?zèng)Q策，全面推動(dòng)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(shí)體層

實(shí)體層是數(shù)字孿生系統(tǒng)的根本，沖壓車間實(shí)體層主要包括沖壓線、起重機(jī)、立體庫(kù)、AGV、叉車、模具、輔助工裝等車間實(shí)體生產(chǎn)設(shè)備及工裝。通過能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的工控機(jī)、PLC、傳感器等功能部件，將數(shù)字世界與真實(shí)世界進(jìn)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(shí)體層的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)加工、過程裝配、產(chǎn)品運(yùn)輸和物料倉(cāng)儲(chǔ)等具體生產(chǎn)活動(dòng)與數(shù)字孿生系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

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(duì)沖壓車間大范圍、深層次、多種類的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以及對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與邊緣計(jì)算處理數(shù)據(jù)而獲得，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，形成數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)字模型是對(duì)沖壓車間建筑和設(shè)備進(jìn)行真實(shí)的三維建模，是對(duì)車間實(shí)體幾何物理特征的真實(shí)寫照。以物理實(shí)際為藍(lán)本，將各模型進(jìn)行刻畫，以還原車間的真實(shí)狀況。

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

應(yīng)用層

應(yīng)用層是數(shù)字孿生系統(tǒng)的窗口，主要面向用戶進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)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(shí)生產(chǎn)車間進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了多角度的三維實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)利用虛實(shí)交互過程中的大量數(shù)據(jù)用以實(shí)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(chǎng)的數(shù)字化重建，使虛擬的數(shù)字空間聯(lián)動(dòng)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)活動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)活動(dòng)在數(shù)字空間內(nèi)的虛擬再現(xiàn)，并支持進(jìn)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(dòng)。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(shí)現(xiàn)的，其中數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建和生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)是整個(gè)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(shè)備，多類型設(shè)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(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)接合，需要對(duì)生產(chǎn)制造過程中多源、異構(gòu)、海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，同時(shí)具備實(shí)時(shí)采集、協(xié)議解析、邊緣計(jì)算等功能，數(shù)據(jù)采集過程也要兼容多品牌、多型號(hào)的通訊設(shè)備并且支持多種驅(qū)動(dòng)協(xié)議，以保證孿生系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定、迅速、安全的實(shí)時(shí)交互。

模型構(gòu)建

數(shù)字孿生系統(tǒng)中模型分為設(shè)備模型與廠房模型。

⑴設(shè)備模型。

設(shè)備模型主要基于生產(chǎn)設(shè)備實(shí)際，搭建1:1 真實(shí)還原的3D 可視化模型，保證數(shù)字孿生系統(tǒng)中設(shè)備模型與設(shè)備實(shí)體從幾何尺寸、材質(zhì)屬性、顏色、形狀等保持高度一致，同時(shí)也能真實(shí)反映設(shè)備實(shí)體的裝配關(guān)系、原點(diǎn)、從屬關(guān)系等，使設(shè)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(shè)備模型如圖2 所示。

圖2 沖壓數(shù)字孿生設(shè)備模型

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

1)模型輕量化。數(shù)字孿生系統(tǒng)中設(shè)備模型的應(yīng)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(diǎn)、線、面來進(jìn)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(jìn)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(chǎng)景搭建。利用三維引擎對(duì)模型進(jìn)行渲染，在視覺效果層面提升模型的真實(shí)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(dòng)態(tài)產(chǎn)線構(gòu)建。對(duì)于非規(guī)則運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)備，按生產(chǎn)作業(yè)實(shí)際，完善運(yùn)行軌跡，形成設(shè)備運(yùn)行動(dòng)作的模型，搭建動(dòng)態(tài)產(chǎn)線。

⑵廠房模型。

廠房模型應(yīng)充分反映建筑物的主要結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)特征，依據(jù)廠房圖紙和實(shí)際進(jìn)行精細(xì)建模，詳細(xì)還原廠房模型的真實(shí)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(chǎng)景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)以得到精準(zhǔn)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(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)

數(shù)字孿生模型與車間實(shí)體的實(shí)時(shí)動(dòng)作、行為和狀態(tài)的聯(lián)動(dòng)是數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析相比，通過對(duì)數(shù)字孿生體的實(shí)時(shí)監(jiān)控可以提供更全面、透明、多層次的視角。車間生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)虛擬空間，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)虛擬空間多種設(shè)備動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)、工件位置狀態(tài)的變化、故障預(yù)警及調(diào)度規(guī)劃等功能。因此，車間生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)是生產(chǎn)過程虛實(shí)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(wù)。

沖壓車間數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

沖壓車間生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)沖壓車間生產(chǎn)的精確還原，沖壓車間設(shè)備和生產(chǎn)通過現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，支持?jǐn)?shù)據(jù)的可視化展示。數(shù)字孿生技術(shù)先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集模塊可以實(shí)現(xiàn)沖壓車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集、物料監(jiān)控、存儲(chǔ)管理等諸多功能，并且對(duì)不需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、對(duì)重復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行去重等處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)IT、OT 數(shù)據(jù)的融合與增強(qiáng)。

數(shù)據(jù)的整合與交互，廠房和設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)沖壓線等設(shè)備和沖壓生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)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(jī)事件發(fā)生的概率，提高故障發(fā)現(xiàn)和解決的效率。同時(shí)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(shí)車間數(shù)據(jù)，進(jìn)行工藝邏輯轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過濾和加工處理，從而真正實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下還原真實(shí)沖壓車間里的生產(chǎn)動(dòng)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(shè)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(jì)劃將沖壓生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各類要素，如板料、設(shè)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化完成在不同條件的組合操作，以提高生產(chǎn)效率，同時(shí)實(shí)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(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)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(jìn)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(jìn)行溯源回放。

沖壓車間虛實(shí)融合互動(dòng)

依托數(shù)字孿生技術(shù)，可以對(duì)沖壓車間實(shí)體廠房、沖壓線等重點(diǎn)工藝設(shè)備、生產(chǎn)信息進(jìn)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(cè)物理實(shí)體的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)沖壓車間生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)映射，同時(shí)在虛擬空間中通過虛擬生產(chǎn)的方式來模擬真實(shí)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(duì)沖壓車間的真實(shí)物理實(shí)體進(jìn)行操作和管理，形成虛實(shí)空間的交互聯(lián)動(dòng)。通過VR 技術(shù)可以在數(shù)字孿生空間感受真實(shí)的沖壓生產(chǎn)。

沖壓車間設(shè)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(kù)共享或者OPC Server 方式訪問和獲取沖壓車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及信號(hào)，并將獲取的數(shù)據(jù)及信號(hào)推送到數(shù)字孿生沖壓車間三維場(chǎng)景中。在沖壓車間數(shù)字化虛擬場(chǎng)景中將物料配送、庫(kù)存管理、沖壓件生產(chǎn)、信息上報(bào)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行可視化，并模擬真實(shí)產(chǎn)生環(huán)境對(duì)現(xiàn)場(chǎng)攝像、安全生產(chǎn)、物料運(yùn)輸?shù)葏^(qū)域進(jìn)行全面監(jiān)控，時(shí)刻掌控車間生產(chǎn)、運(yùn)輸狀況，全方位監(jiān)管沖壓車間生產(chǎn)運(yùn)行情況，通過大數(shù)據(jù)圖表的方式統(tǒng)計(jì)展示采集的車間信息。沖壓車間數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)刷新數(shù)據(jù)，并進(jìn)行趨勢(shì)分析，同時(shí)通過規(guī)則引擎發(fā)送實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)設(shè)備、沖壓物料存儲(chǔ)、沖壓生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)的三維可視化，更有效支撐車間生產(chǎn)進(jìn)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(yǔ)

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(shè)的維度提升。沖壓數(shù)字孿生的應(yīng)用不僅可以將生產(chǎn)信息數(shù)字化，直觀、真實(shí)、實(shí)時(shí)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(dǎo)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)，全方位輔助車間現(xiàn)場(chǎng)工作人員管理，提升沖壓車間的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率，實(shí)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(yīng)用可以推動(dòng)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。

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