蔣昌

摘要：針對(duì)數(shù)字化生產(chǎn)線監(jiān)控過程中透明度低、實(shí)時(shí)性差以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不全無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題，本文從汽車焊裝生產(chǎn)線的主要設(shè)備出發(fā)，提出了基于汽車車身焊接智能產(chǎn)線孿生模型及設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的關(guān)聯(lián)映射，并通過各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)看板，解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的透明化，促進(jìn)生產(chǎn)效率、質(zhì)量的提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；智能產(chǎn)線；數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)；構(gòu)建方法

引言

當(dāng)前，我國制造業(yè)正處于全面提檔升級(jí)的關(guān)鍵階段，加快推進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型意義重大。智能生產(chǎn)線是智能工廠的重要組成部分，其運(yùn)行效率將直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。建立一種運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化且具有智能分析預(yù)警功能的監(jiān)控系統(tǒng)，成為實(shí)現(xiàn)高效數(shù)字化智能現(xiàn)場(chǎng)管理亟待解決的關(guān)鍵問題。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，針對(duì)汽車車身焊接智能產(chǎn)線設(shè)備情況和控制系統(tǒng)，提出了一種面向汽車焊接智能產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)測(cè)和優(yōu)化，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為汽車制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供一定的參考。

1. 搭建數(shù)字孿生汽車車身焊接智能

產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的背景和意義隨著現(xiàn)代制造業(yè)向數(shù)字化、智能化、綠色化方向發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)也提出了更高的要求。尤其是汽車制造行業(yè)，雖然采用機(jī)器人焊接，但是焊接制造環(huán)節(jié)尚未做到焊接關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)采集分析，為確保車身焊接質(zhì)量和產(chǎn)線的高效運(yùn)行，做到有據(jù)可查，生產(chǎn)企業(yè)迫切需要開發(fā)一套汽車車身焊裝生產(chǎn)過程數(shù)字化、智能化、可視化的監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。

數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)智能生產(chǎn)線物理模型和虛擬模型（即仿真模型）的融合與迭代優(yōu)化，其典型要素之一是仿真模型對(duì)物理設(shè)備的高度仿真?；跀?shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建汽車車身焊接產(chǎn)線孿生模型，根據(jù)汽車車身自動(dòng)焊接生產(chǎn)線實(shí)際工藝流程，編寫控制程序，利用OPC（Object Linking andEmbedding for Process Control，過程控制中的對(duì)象鏈接與嵌入）服務(wù)器實(shí)現(xiàn)PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制邏輯控制器）與車身焊接產(chǎn)線的交互控制，通過產(chǎn)線運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)映射到虛擬模型上，實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)控畫面與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)同步，并通過產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的提取，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)可視化交互式監(jiān)控。

2. 數(shù)字孿生汽車車身焊接智能產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的功能與優(yōu)勢(shì)

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過程數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的一個(gè)重要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過程數(shù)據(jù)。在焊接過程中，數(shù)字孿生平臺(tái)可以通過傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如焊接電流、電壓、溫度、速度等，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，從而及時(shí)檢測(cè)焊接過程中的問題和缺陷，并及時(shí)提供反饋和指導(dǎo)，以便生產(chǎn)工人及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)過程，確保焊接質(zhì)量和產(chǎn)品的安全性。此外，數(shù)字孿生平臺(tái)還可以對(duì)焊接過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，讓生產(chǎn)工人和管理人員可以直觀地了解焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率的情況，并及時(shí)采取措施，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過程數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生平臺(tái)可以大大減少焊接缺陷和問題的發(fā)生，提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，同時(shí)也可以減少生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)和損失，從而實(shí)現(xiàn)成本的優(yōu)化和效益的提高。

2.2 預(yù)測(cè)焊接質(zhì)量

數(shù)字孿生汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的另一個(gè)重要功能是預(yù)測(cè)焊接質(zhì)量。通過對(duì)焊接過程中的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，數(shù)字孿生平臺(tái)可以建立一個(gè)完整的數(shù)字模型，模擬和預(yù)測(cè)焊接過程中可能出現(xiàn)的問題和缺陷，并提前預(yù)警和預(yù)測(cè)焊接產(chǎn)品的質(zhì)量狀況。這樣生產(chǎn)工人可以根據(jù)數(shù)字孿生平臺(tái)提供的預(yù)測(cè)結(jié)果，及時(shí)采取措施，調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)過程，從而保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，避免生產(chǎn)中出現(xiàn)質(zhì)量問題和缺陷。同時(shí)，數(shù)字孿生平臺(tái)還可以根據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和模型結(jié)果，為生產(chǎn)工人和管理人員提供實(shí)時(shí)的反饋和指導(dǎo)，幫助他們及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過預(yù)測(cè)焊接質(zhì)量，數(shù)字孿生平臺(tái)可以在生產(chǎn)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，從而避免了生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題和缺陷，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性，也為企業(yè)節(jié)約了成本和資源[1]。

2.3 優(yōu)化生產(chǎn)效率與成本

數(shù)字孿生汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的另一個(gè)重要功能是優(yōu)化生產(chǎn)效率與成本。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過程數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)焊接質(zhì)量，數(shù)字孿生平臺(tái)可以提供一系列的生產(chǎn)優(yōu)化方案，幫助企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)效率和降低成本。例如，數(shù)字孿生平臺(tái)可以通過優(yōu)化焊接參數(shù)和調(diào)整焊接設(shè)備的運(yùn)行方式，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并減少生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)和損失。數(shù)字孿生平臺(tái)還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)整和優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率和降低成本。此外，數(shù)字孿生平臺(tái)還可以提供生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)進(jìn)度的監(jiān)控和管理，從而保證生產(chǎn)過程的高效運(yùn)行和生產(chǎn)效率的最大化。通過優(yōu)化生產(chǎn)效率與成本，數(shù)字孿生平臺(tái)可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和資源消耗，從而提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)占有率。

3. 數(shù)字孿生汽車車身焊接智能產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的構(gòu)建

3.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字孿生模型

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字孿生模型是汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的一種常用構(gòu)建方法。它將焊接過程中的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、特征提取、建模和預(yù)測(cè)等環(huán)節(jié)融合到一個(gè)整體框架中，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)。具體而言，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字孿生模型需要先對(duì)焊接過程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，以確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和完整性。接下來，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，提取與焊接過程相關(guān)的特征，如電流、電壓、電極壓力等。然后，需要采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)特征進(jìn)行建模和優(yōu)化，建立數(shù)字孿生模型。最后，通過數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量和安全性的控制和保障[2]?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字孿生模型的優(yōu)點(diǎn)在于它可以自適應(yīng)地學(xué)習(xí)和優(yōu)化模型，以適應(yīng)不同的焊接場(chǎng)景和要求。同時(shí)，它也可以通過多源數(shù)據(jù)的融合和多種算法的組合，提高數(shù)字孿生模型的精度和泛化能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程準(zhǔn)確全面的監(jiān)控和預(yù)測(cè)。

3.2 基于物理建模的數(shù)字孿生模型

基于物理建模的數(shù)字孿生模型是汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的一種構(gòu)建方法。它通過建立物理模型，將焊接過程中的物理現(xiàn)象和參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)。具體而言，基于物理建模的數(shù)字孿生模型需要先通過焊接過程中的物理原理和物理現(xiàn)象，建立數(shù)學(xué)模型，如熱傳遞模型、電磁場(chǎng)模型等。然后，將數(shù)學(xué)模型與實(shí)際焊接過程中的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)。此外，還可以通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化和驗(yàn)證，提高數(shù)字孿生模型的精度和泛化能力。

基于物理建模的數(shù)字孿生模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以準(zhǔn)確地反映焊接過程中的物理現(xiàn)象和參數(shù)變化，從而提高數(shù)字孿生模型的精度和泛化能力[3]。同時(shí)，也可以通過與其他方法的結(jié)合和綜合，提高數(shù)字孿生模型的可靠性和實(shí)用性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程更加準(zhǔn)確和全面的監(jiān)控和預(yù)測(cè)。然而，基于物理建模的數(shù)字孿生模型的缺點(diǎn)在于需要對(duì)焊接過程中的物理現(xiàn)象和參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的建模和驗(yàn)證，需要較高的物理和數(shù)學(xué)專業(yè)知識(shí)和技術(shù)。同時(shí)，建立物理模型需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持，所需時(shí)間和成本較高。

3.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生模型

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生模型是汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)的一種構(gòu)建方法。它基于大量的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等算法，建立數(shù)字孿生模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)。具體而言，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生模型需要先收集和整合焊接過程中的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如電流、電壓、電極壓力等。然后，采用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和訓(xùn)練，以建立數(shù)字孿生模型。最后，通過數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量和安全性的控制和保障。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以快速地構(gòu)建數(shù)字孿生模型，并且不需要對(duì)焊接過程中的物理現(xiàn)象和參數(shù)進(jìn)行建模，降低了建模的難度和成本[4]。同時(shí)，也可以通過數(shù)據(jù)的不斷更新和迭代，提高數(shù)字孿生模型的精度和泛化能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程更加準(zhǔn)確和全面的監(jiān)控和預(yù)測(cè)。然而，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生模型的缺點(diǎn)在于可能會(huì)面臨數(shù)據(jù)量不足、數(shù)據(jù)質(zhì)量差等問題，這會(huì)影響模型的準(zhǔn)確性和泛化能力。因此，需要在數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)等方面進(jìn)行優(yōu)化，以提高數(shù)字孿生模型的可靠性和實(shí)用性。

4. 應(yīng)用實(shí)例

該構(gòu)建方法應(yīng)用在某汽車車身部件自動(dòng)焊接產(chǎn)線上。通過西門子數(shù)字孿生軟件構(gòu)建出焊接產(chǎn)線1：1的三維監(jiān)控模型。焊接智能產(chǎn)線實(shí)景如圖1所示，三維模型如圖2所示。產(chǎn)線上有上料站、焊接站、下料站、質(zhì)監(jiān)站4個(gè)工作站，包括4臺(tái)焊接機(jī)器人、3臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人、視覺檢測(cè)機(jī)器人等設(shè)備，物流方面由智能料架、自動(dòng)傳送帶、AGV小車構(gòu)成。軟件方面部署了MES、ERP、SCM、RFID、WOMS等系統(tǒng)[5]。

該產(chǎn)線可以完整模擬汽車底盤部件的上料焊裝、裝配到入庫的生產(chǎn)流程。本文通過三維監(jiān)控系統(tǒng)在產(chǎn)線上的模擬運(yùn)行，產(chǎn)線產(chǎn)量、生產(chǎn)節(jié)拍、物料信息等運(yùn)行數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控平臺(tái)上，并通過看板按鍵切換查看單站設(shè)備工作數(shù)據(jù)，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)判產(chǎn)線運(yùn)行問題及設(shè)備異常狀況，取得了良好的效果，提升了產(chǎn)線管控的透明度。焊接產(chǎn)線智能總調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖3所示。

結(jié)語

本文研究了基于數(shù)字孿生的產(chǎn)線監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)建方法，并通過在實(shí)際車身焊接產(chǎn)線上應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)踐，效果良好。數(shù)字孿生汽車車身焊接產(chǎn)線監(jiān)控平臺(tái)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集監(jiān)控、分析和預(yù)警，提升了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。隨著人工智能等更多新技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)線管控會(huì)提出更多的需求和挑戰(zhàn)，未來將會(huì)向增加人工智能的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)智能運(yùn)維方向拓展研究，進(jìn)一步升級(jí)生產(chǎn)管控智能決策功能。

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作者簡(jiǎn)介：李楊，碩士研究生，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：智能控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)。

基金項(xiàng)目：廣西壯族自治區(qū)教育廳2021年廣西高職院校高水平專業(yè)群骨干教師國內(nèi)訪學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目（桂教師培〔2021〕8號(hào)）。