蔣昌

摘要：針對數(shù)字化生產(chǎn)線監(jiān)控過程中透明度低、實時性差以及監(jiān)控數(shù)據(jù)不全無法及時發(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)控平臺的構(gòu)建方法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型的關(guān)聯(lián)映射，并通過各類設(shè)備運行狀態(tài)及數(shù)據(jù)看板，解決生產(chǎn)現(xiàn)場的透明化，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；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，其運行效率將直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。建立一種運行數(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)，成為實現(xiàn)高效數(shù)字化智能現(xiàn)場管理亟待解決的關(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)控平臺的構(gòu)建方法，實現(xiàn)了對焊接過程的實時監(jiān)控、預(yù)測和優(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)汽車車身自動焊接生產(chǎn)線實際工藝流程，編寫控制程序，利用OPC（Object Linking andEmbedding for Process Control，過程控制中的對象鏈接與嵌入）服務(wù)器實現(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)線運行實時數(shù)據(jù)映射到虛擬模型上，實現(xiàn)虛擬監(jiān)控畫面與現(xiàn)場信號同步，并通過產(chǎn)線設(shè)備運行數(shù)據(jù)的提取，實現(xiàn)產(chǎn)線運行數(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)控平臺的功能與優(yōu)勢

2.1 實時監(jiān)測焊接過程數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的一個重要功能是實時監(jiān)測焊接過程數(shù)據(jù)。在焊接過程中，數(shù)字孿生平臺可以通過傳感器和監(jiān)測設(shè)備獲取大量實時數(shù)據(jù)，如焊接電流、電壓、溫度、速度等，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析和處理，從而及時檢測焊接過程中的問題和缺陷，并及時提供反饋和指導(dǎo)，以便生產(chǎn)工人及時調(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)字孿生平臺還可以對焊接過程中的數(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，并及時采取措施，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過實時監(jiān)測焊接過程數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生平臺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，同時也可以減少生產(chǎn)過程中的浪費和損失，從而實現(xiàn)成本的優(yōu)化和效益的提高。

2.2 預(yù)測焊接質(zhì)量

數(shù)字孿生汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的另一個重要功能是預(yù)測焊接質(zhì)量。通過對焊接過程中的大量實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，數(shù)字孿生平臺可以建立一個完整的數(shù)字模型，模擬和預(yù)測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)字孿生平臺提供的預(yù)測結(jié)果，及時采取措施，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，數(shù)字孿生平臺還可以根據(jù)實時的數(shù)據(jù)和模型結(jié)果，為生產(chǎn)工人和管理人員提供實時的反饋和指導(dǎo)，幫助他們及時調(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)測焊接質(zhì)量，數(shù)字孿生平臺可以在生產(chǎn)過程中及時發(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)控平臺的另一個重要功能是優(yōu)化生產(chǎn)效率與成本。通過實時監(jiān)測焊接過程數(shù)據(jù)和預(yù)測焊接質(zhì)量，數(shù)字孿生平臺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)字孿生平臺可以通過優(yōu)化焊接參數(shù)和調(diào)整焊接設(shè)備的運行方式，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，并減少生產(chǎn)過程中的浪費和損失。數(shù)字孿生平臺還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動化調(diào)整和優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率和降低成本。此外，數(shù)字孿生平臺還可以提供生產(chǎn)計劃和生產(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)的競爭力和市場占有率。

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)測等環(huán)節(jié)融合到一個整體框架中，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對焊接過程的實時監(jiān)控和預(yù)測。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焊接過程中的各項參數(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)字孿生模型實現(xiàn)對焊接過程的實時監(jiān)控和預(yù)測，以便實現(xiàn)對焊接質(zhì)量和安全性的控制和保障[2]。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)字孿生模型的優(yōu)點在于它可以自適應(yīng)地學(xué)習(xí)和優(yōu)化模型，以適應(yīng)不同的焊接場景和要求。同時，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，以實現(xiàn)對焊接過程準(zhǔn)確全面的監(jiān)控和預(yù)測。

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，以實現(xiàn)對焊接過程的實時監(jiān)控和預(yù)測。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、電磁場模型等。然后，將數(shù)學(xué)模型與實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，實現(xiàn)對焊接過程的實時監(jiān)控和預(yù)測。此外，還可以通過對數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化和驗證，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，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用性，以實現(xiàn)對焊接過程更加準(zhǔn)確和全面的監(jiān)控和預(yù)測。然而，基于物理建模的數(shù)字孿生模型的缺點在于需要對焊接過程中的物理現(xiàn)象和參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的建模和驗證，需要較高的物理和數(shù)學(xué)專業(yè)知識和技術(shù)。同時，建立物理模型需要大量的實驗數(shù)據(jù)和實驗設(shè)備支持，所需時間和成本較高。

3.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生模型

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生模型是汽車車身焊接產(chǎn)線數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的一種構(gòu)建方法。它基于大量的歷史數(shù)據(jù)和實時數(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，以實現(xiàn)對焊接過程的實時監(jiān)控和預(yù)測。具體而言，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(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)和實時數(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)字孿生模型實現(xiàn)對焊接過程的實時監(jiān)控和預(yù)測，以便實現(xiàn)對焊接質(zhì)量和安全性的控制和保障。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生模型的優(yōu)點在于可以快速地構(gòu)建數(shù)字孿生模型，并且不需要對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，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，以實現(xiàn)對焊接過程更加準(zhǔn)確和全面的監(jiān)控和預(yù)測。然而，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字孿生模型的缺點在于可能會面臨數(shù)據(jù)量不足、數(shù)據(jù)質(zhì)量差等問題，這會影響模型的準(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用性。

4. 應(yīng)用實例

該構(gòu)建方法應(yīng)用在某汽車車身部件自動焊接產(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個工作站，包括4臺焊接機(jī)器人、3臺搬運機(jī)器人、視覺檢測機(jī)器人等設(shè)備，物流方面由智能料架、自動傳送帶、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)線上的模擬運行，產(chǎn)線產(chǎn)量、生產(chǎn)節(jié)拍、物料信息等運行數(shù)據(jù)可實時顯示在監(jiān)控平臺上，并通過看板按鍵切換查看單站設(shè)備工作數(shù)據(jù)，從而能夠及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)判產(chǎn)線運行問題及設(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)控平臺構(gòu)建方法，并通過在實際車身焊接產(chǎn)線上應(yīng)用進(jìn)行了實踐，效果良好。數(shù)字孿生汽車車身焊接產(chǎn)線監(jiān)控平臺能夠有效實現(xiàn)對焊接過程數(shù)據(jù)的實時采集監(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，對產(chǎn)線管控會提出更多的需求和挑戰(zhàn)，未來將會向增加人工智能的生產(chǎn)現(xiàn)場智能運維方向拓展研究，進(jìn)一步升級生產(chǎn)管控智能決策功能。

參考文獻(xiàn)：

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[2]范蕊，劉青川，高健.基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)線系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測技術(shù)[J].集成電路應(yīng)用，2021，38（11）：120-121.

[3]姜闊勝，范再川，侯佳淑.自動化生產(chǎn)線的數(shù)字孿生可視化監(jiān)測系統(tǒng)研制.安陽工學(xué)院學(xué)報，2022，21（2）：53-56.

[4]常嘉瑋.淺談汽車車身焊接的智能化及自動化[J].時代汽車，2021，（8）：137-138.

[5]劉靜.汽車車身焊接工藝分析及工裝設(shè)計[J].時代汽車，2020，（16）：123-124.

作者簡介：李楊，碩士研究生，高級實驗師，研究方向：智能控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)。

基金項目：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)計劃項目（桂教師培〔2021〕8號）。