數字孿生技術在沖壓車間的應用探究

文／秦鵬，孫興武·機械工業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字化建設，提高沖壓車間智能化水平，在沖壓車間規劃過程中提出應用沖壓車間數字孿生技術。本文從整體構成到關鍵要素詳細論述了沖壓車間數字孿生系統的構成及搭建，同時對沖壓車間數字孿生技術的具體應用場景進行了探究，并分析了沖壓車間數字孿生技術的發展趨勢。

全球數字化時代已經來臨，隨著汽車行業競爭加劇，傳統汽車制造業生產模式已經愈發不能滿足當前高效、感知、便捷、可溯的現代管理要求，各汽車制造企業對如何提升生產效率、提高產品質量、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。如何更好地實現上述目標也是擺在先進制造企業面前的一道難題。

在“全球工業4.0 戰略”及“中國制造2025”的引領下，隨著物聯網、大數據、人工智能等新一代信息、通信技術的發展和推動，國內外汽車智能制造行業飛速發展，各先進汽車制造企業利用數字化、智能化技術來優化現有生產系統，打造先進的數字化、智能化工廠已成為當前各汽車制造企業的主流需求，同時數字化制造系統也為各汽車制造企業優化企業資源配置和提高生產效率帶來了新的機遇。

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

數字孿生系統構成

數字孿生技術充分結合數字化模型、設備數據、生產數據等諸多關聯信息，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、生產管理狀態并進行數據聯動，真實反映當下車間內實體裝備運行過程。

車間是制造活動的主體，數字孿生技術為生產制造過程的可視化智能制造提供了一種可行的技術方案。沖壓車間數字孿生可以結合沖壓生產需求與工業三維可視化技術，搭建由物理實體與孿生模型結合成的、可進行連續過程優化的數字孿生系統，通過數據挖掘和IOT 技術為數據賦能，使沖壓車間管理者及時獲取實時運營狀態并進行快速決策，全面推動生產線、生產車間及工廠的數字化轉型。沖壓車間數字孿生系統架構如圖1 所示。

圖1 沖壓車間數字孿生系統架構

實體層

實體層是數字孿生系統的根本，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設備及工裝。通過能夠進行數據通訊的工控機、PLC、傳感器等功能部件，將數字世界與真實世界進行聯通，搭建起孿生的橋梁。

數字孿生系統經過與實體層的有機結合，實現對生產加工、過程裝配、產品運輸和物料倉儲等具體生產活動與數字孿生系統的聯動。

數據層

數據層是數字孿生系統的核心，主要由車間數據和數字模型構成。

車間數據主要通過對沖壓車間大范圍、深層次、多種類的海量數據進行采集，以及對異構數據的協議轉換與邊緣計算處理數據而獲得，并對數據進行匯集，形成數字孿生系統的數據庫。

數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。

數字孿生系統通過對車間數據和數字模型進行有機結合，搭建虛擬的數字空間。

應用層

應用層是數字孿生系統的窗口，主要面向用戶進行信息交互，實現虛擬與現實的信息傳遞。通過數字孿生系統使虛擬數字空間與現實生產車間進行實時聯動，實現了多角度的三維實時監控，同時利用虛實交互過程中的大量數據用以實現生產制造過程優化和決策。

數字孿生既可以完成車間現場的數字化重建，使虛擬的數字空間聯動現實生產車間的生產活動，也可以實現車間生產活動在數字空間內的虛擬再現，并支持進行管理分析、優化及決策等功能。

數字孿生系統關鍵要素

通過以上架構搭建的沖壓車間數字孿生系統，可以重構沖壓車間的生產活動。沖壓車間數字孿生系統是通過多技術交叉融合而實現的，其中數據采集、模型構建和生產過程的實時聯動是整個系統的關鍵。

數據采集

沖壓車間存在大量來自不同廠家的產品和設備，多類型設備的接入且數據類型的解析和格式均不一致。因此數字孿生系統需要與多設備進行數據接合，需要對生產制造過程中多源、異構、海量的數據進行采集和處理，同時具備實時采集、協議解析、邊緣計算等功能，數據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動協議，以保證孿生系統與生產設備進行穩定、迅速、安全的實時交互。

模型構建

數字孿生系統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設備實際，搭建1:1 真實還原的3D 可視化模型，保證數字孿生系統中設備模型與設備實體從幾何尺寸、材質屬性、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系、原點、從屬關系等，使設備模型具備模型結構上的“孿生”特性。沖壓數字孿生設備模型如圖2 所示。

圖2 沖壓數字孿生設備模型

在數字孿生系統搭建過程中，設備模型的應用也需要進行相關處理，主要分為：模型輕量化、圖形渲染與場景搭建和動態產線構建。

1)模型輕量化。數字孿生系統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，既要保證數字孿生系統中模型的特征，又要進行模型數據輕量化，以提高模型在系統中的使用效率。

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——環境光遮蔽AO、HDRP 高清渲染管線、次世代渲染等技術。

3)動態產線構建。對于非規則運動軌跡的設備，按生產作業實際，完善運行軌跡，形成設備運行動作的模型，搭建動態產線。

⑵廠房模型。

廠房模型應充分反映建筑物的主要結構和細節特征，依據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。在廠房模型構建過程中還可以通過三維激光掃描技術采集廠房樓面梁、立柱、樓板洞口等關鍵場景的點云數據，處理點云數據以得到精準的輪廓模型。沖壓車間數字孿生廠房模型如圖3 所示。

圖3 沖壓車間數字孿生廠房模型

生產過程實時聯動

數字孿生模型與車間實體的實時動作、行為和狀態的聯動是數字孿生技術的應用基礎。與傳統對生產現場數據統計分析相比，通過對數字孿生體的實時監控可以提供更全面、透明、多層次的視角。車間生產運行實時聯動虛擬空間，利用實時數據實現虛擬空間多種設備動作的驅動、工件位置狀態的變化、故障預警及調度規劃等功能。因此，車間生產運行實時聯動是生產過程虛實融合的最終目的，為車間生產過程監控與優化提供基礎服務。

沖壓車間數字孿生技術應用場景

沖壓車間生產過程實時同步

通過數字孿生技術可以解決沖壓車間的空間構建問題，實現沖壓車間生產的精確還原，沖壓車間設備和生產通過現場真實數據進行驅動，支持數據的可視化展示。數字孿生技術先進的數據采集模塊可以實現沖壓車間設備數據采集、物料監控、存儲管理等諸多功能，并且對不需要的數據進行過濾、對重復的數據進行去重等處理機制，實現IT、OT 數據的融合與增強。

數據的整合與交互，廠房和設備相結合的三維模型搭建，使數字孿生系統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，實現對沖壓線等設備和沖壓生產過程的實時監控及分析等功能，降低沖壓車間生產事故和停產停機事件發生的概率，提高故障發現和解決的效率。同時通過3D 模型搭建的仿真沖壓線，為數據空間中的模型或組件接入真實車間數據，進行工藝邏輯轉換、數據過濾和加工處理，從而真正實現在數據驅動下還原真實沖壓車間里的生產動作與過程。

沖壓車間生產過程歷史追溯

在沖壓件的生產制造環節中，將沖壓件數模同沖壓設備、生產流程等其他形態的數字孿生高度集成起來，按照生產計劃將沖壓生產環節的各類要素，如板料、設備、模具、工藝配方和工序等要求數字化集成在虛擬空間的生產流程中，根據既定的規則，可以實現自動化完成在不同條件的組合操作，以提高生產效率，同時實現虛擬空間中沖壓生產的同步并記錄生產過程中的各類數據，并對其進行優化處理存儲到數據庫中，生產信息的數據化可以為后期的生產分析和優化提供重要依據。根據這些歷史數據，數字孿生技術可以輔助沖壓車間進行產品生產信息的追溯，并將已完成的沖壓生產歷史過程進行溯源回放。

沖壓車間虛實融合互動

依托數字孿生技術，可以對沖壓車間實體廠房、沖壓線等重點工藝設備、生產信息進行1:1 數字化建模，在虛擬的數字沖壓車間中通過車間數據監測物理實體的狀態，實現沖壓車間生產過程實時動態映射，同時在虛擬空間中通過虛擬生產的方式來模擬真實生產過程，綜合分析生產效率和改善措施，并且可以通過數字孿生系統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動。通過VR 技術可以在數字孿生空間感受真實的沖壓生產。

沖壓車間設備和生產的可視化分析能力

數字孿生通過數據庫共享或者OPC Server 方式訪問和獲取沖壓車間現場數據及信號，并將獲取的數據及信號推送到數字孿生沖壓車間三維場景中。在沖壓車間數字化虛擬場景中將物料配送、庫存管理、沖壓件生產、信息上報等關鍵環節進行可視化，并模擬真實產生環境對現場攝像、安全生產、物料運輸等區域進行全面監控，時刻掌控車間生產、運輸狀況，全方位監管沖壓車間生產運行情況，通過大數據圖表的方式統計展示采集的車間信息。沖壓車間數字孿生可以實時刷新數據，并進行趨勢分析，同時通過規則引擎發送實時報警數據，實現沖壓生產設備、沖壓物料存儲、沖壓生產指標數據的三維可視化，更有效支撐車間生產進度的調節，合理資源的調配、生產質量的監控等。

結束語

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

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

弈秋課徒