数字孪生技术在冲压车间的应用探究

文／秦鹏，孙兴武·机械工业第九设计研究院股份有限公司

李文彬.中国第一汽车集团有限公司

赵海洋.一汽解放汽车有限公司

为进一步推动冲压车间的数字化建设，提高冲压车间智能化水平，在冲压车间规划过程中提出应用冲压车间数字孪生技术。本文从整体构成到关键要素详细论述了冲压车间数字孪生系统的构成及搭建，同时对冲压车间数字孪生技术的具体应用场景进行了探究，并分析了冲压车间数字孪生技术的发展趋势。

全球数字化时代已经来临，随着汽车行业竞争加剧，传统汽车制造业生产模式已经愈发不能满足当前高效、感知、便捷、可溯的现代管理要求，各汽车制造企业对如何提升生产效率、提高产品质量、降低运营成本、减低故障时间等方面有着较强需求并进行一定的探索。如何更好地实现上述目标也是摆在先进制造企业面前的一道难题。

在“全球工业4.0 战略”及“中国制造2025”的引领下，随着物联网、大数据、人工智能等新一代信息、通信技术的发展和推动，国内外汽车智能制造行业飞速发展，各先进汽车制造企业利用数字化、智能化技术来优化现有生产系统，打造先进的数字化、智能化工厂已成为当前各汽车制造企业的主流需求，同时数字化制造系统也为各汽车制造企业优化企业资源配置和提高生产效率带来了新的机遇。

近年来，随着汽车制造业数字化建设的不断提升，冲压车间整体也在向数字化、智能化方向不断迈进，在诸多先进技术中数字孪生技术因其车间虚实的高度融合、三维空间的立体呈现、生产状态的实时掌握、制造信息的及时跟踪等优势，可以更便捷地辅助车间现场工作人员进行管理和跟踪生产状态，因此逐步被各大汽车制造企业加以应用，成为提升冲压车间数字化、智能化水平的关键因素。

数字孪生系统构成

数字孪生技术充分结合数字化模型、设备数据、生产数据等诸多关联信息，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间还原设备运行状态、生产管理状态并进行数据联动，真实反映当下车间内实体装备运行过程。

车间是制造活动的主体，数字孪生技术为生产制造过程的可视化智能制造提供了一种可行的技术方案。冲压车间数字孪生可以结合冲压生产需求与工业三维可视化技术，搭建由物理实体与孪生模型结合成的、可进行连续过程优化的数字孪生系统，通过数据挖掘和IOT 技术为数据赋能，使冲压车间管理者及时获取实时运营状态并进行快速决策，全面推动生产线、生产车间及工厂的数字化转型。冲压车间数字孪生系统架构如图1 所示。

图1 冲压车间数字孪生系统架构

实体层

实体层是数字孪生系统的根本，冲压车间实体层主要包括冲压线、起重机、立体库、AGV、叉车、模具、辅助工装等车间实体生产设备及工装。通过能够进行数据通讯的工控机、PLC、传感器等功能部件，将数字世界与真实世界进行联通，搭建起孪生的桥梁。

数字孪生系统经过与实体层的有机结合，实现对生产加工、过程装配、产品运输和物料仓储等具体生产活动与数字孪生系统的联动。

数据层

数据层是数字孪生系统的核心，主要由车间数据和数字模型构成。

车间数据主要通过对冲压车间大范围、深层次、多种类的海量数据进行采集，以及对异构数据的协议转换与边缘计算处理数据而获得，并对数据进行汇集，形成数字孪生系统的数据库。

数字模型是对冲压车间建筑和设备进行真实的三维建模，是对车间实体几何物理特征的真实写照。以物理实际为蓝本，将各模型进行刻画，以还原车间的真实状况。

数字孪生系统通过对车间数据和数字模型进行有机结合，搭建虚拟的数字空间。

应用层

应用层是数字孪生系统的窗口，主要面向用户进行信息交互，实现虚拟与现实的信息传递。通过数字孪生系统使虚拟数字空间与现实生产车间进行实时联动，实现了多角度的三维实时监控，同时利用虚实交互过程中的大量数据用以实现生产制造过程优化和决策。

数字孪生既可以完成车间现场的数字化重建，使虚拟的数字空间联动现实生产车间的生产活动，也可以实现车间生产活动在数字空间内的虚拟再现，并支持进行管理分析、优化及决策等功能。

数字孪生系统关键要素

通过以上架构搭建的冲压车间数字孪生系统，可以重构冲压车间的生产活动。冲压车间数字孪生系统是通过多技术交叉融合而实现的，其中数据采集、模型构建和生产过程的实时联动是整个系统的关键。

数据采集

冲压车间存在大量来自不同厂家的产品和设备，多类型设备的接入且数据类型的解析和格式均不一致。因此数字孪生系统需要与多设备进行数据接合，需要对生产制造过程中多源、异构、海量的数据进行采集和处理，同时具备实时采集、协议解析、边缘计算等功能，数据采集过程也要兼容多品牌、多型号的通讯设备并且支持多种驱动协议，以保证孪生系统与生产设备进行稳定、迅速、安全的实时交互。

模型构建

数字孪生系统中模型分为设备模型与厂房模型。

⑴设备模型。

设备模型主要基于生产设备实际，搭建1:1 真实还原的3D 可视化模型，保证数字孪生系统中设备模型与设备实体从几何尺寸、材质属性、颜色、形状等保持高度一致，同时也能真实反映设备实体的装配关系、原点、从属关系等，使设备模型具备模型结构上的“孪生”特性。冲压数字孪生设备模型如图2 所示。

图2 冲压数字孪生设备模型

在数字孪生系统搭建过程中，设备模型的应用也需要进行相关处理，主要分为：模型轻量化、图形渲染与场景搭建和动态产线构建。

1)模型轻量化。数字孪生系统中设备模型的应用需要在保证模型固有特征的前提下，通过减少模型的特征点、线、面来进行模型的压缩处理，既要保证数字孪生系统中模型的特征，又要进行模型数据轻量化，以提高模型在系统中的使用效率。

2)图形渲染与场景搭建。利用三维引擎对模型进行渲染，在视觉效果层面提升模型的真实度，如PBR 基于物理渲染、光线追踪渲染、光栅化渲染的极限——环境光遮蔽AO、HDRP 高清渲染管线、次世代渲染等技术。

3)动态产线构建。对于非规则运动轨迹的设备，按生产作业实际，完善运行轨迹，形成设备运行动作的模型，搭建动态产线。

⑵厂房模型。

厂房模型应充分反映建筑物的主要结构和细节特征，依据厂房图纸和实际进行精细建模，详细还原厂房模型的真实状态。在厂房模型构建过程中还可以通过三维激光扫描技术采集厂房楼面梁、立柱、楼板洞口等关键场景的点云数据，处理点云数据以得到精准的轮廓模型。冲压车间数字孪生厂房模型如图3 所示。

图3 冲压车间数字孪生厂房模型

生产过程实时联动

数字孪生模型与车间实体的实时动作、行为和状态的联动是数字孪生技术的应用基础。与传统对生产现场数据统计分析相比，通过对数字孪生体的实时监控可以提供更全面、透明、多层次的视角。车间生产运行实时联动虚拟空间，利用实时数据实现虚拟空间多种设备动作的驱动、工件位置状态的变化、故障预警及调度规划等功能。因此，车间生产运行实时联动是生产过程虚实融合的最终目的，为车间生产过程监控与优化提供基础服务。

冲压车间数字孪生技术应用场景

冲压车间生产过程实时同步

通过数字孪生技术可以解决冲压车间的空间构建问题，实现冲压车间生产的精确还原，冲压车间设备和生产通过现场真实数据进行驱动，支持数据的可视化展示。数字孪生技术先进的数据采集模块可以实现冲压车间设备数据采集、物料监控、存储管理等诸多功能，并且对不需要的数据进行过滤、对重复的数据进行去重等处理机制，实现IT、OT 数据的融合与增强。

数据的整合与交互，厂房和设备相结合的三维模型搭建，使数字孪生系统能够提供管理及辅助车间决策的能力，形成完整的决策闭环，实现对冲压线等设备和冲压生产过程的实时监控及分析等功能，降低冲压车间生产事故和停产停机事件发生的概率，提高故障发现和解决的效率。同时通过3D 模型搭建的仿真冲压线，为数据空间中的模型或组件接入真实车间数据，进行工艺逻辑转换、数据过滤和加工处理，从而真正实现在数据驱动下还原真实冲压车间里的生产动作与过程。

冲压车间生产过程历史追溯

在冲压件的生产制造环节中，将冲压件数模同冲压设备、生产流程等其他形态的数字孪生高度集成起来，按照生产计划将冲压生产环节的各类要素，如板料、设备、模具、工艺配方和工序等要求数字化集成在虚拟空间的生产流程中，根据既定的规则，可以实现自动化完成在不同条件的组合操作，以提高生产效率，同时实现虚拟空间中冲压生产的同步并记录生产过程中的各类数据，并对其进行优化处理存储到数据库中，生产信息的数据化可以为后期的生产分析和优化提供重要依据。根据这些历史数据，数字孪生技术可以辅助冲压车间进行产品生产信息的追溯，并将已完成的冲压生产历史过程进行溯源回放。

冲压车间虚实融合互动

依托数字孪生技术，可以对冲压车间实体厂房、冲压线等重点工艺设备、生产信息进行1:1 数字化建模，在虚拟的数字冲压车间中通过车间数据监测物理实体的状态，实现冲压车间生产过程实时动态映射，同时在虚拟空间中通过虚拟生产的方式来模拟真实生产过程，综合分析生产效率和改善措施，并且可以通过数字孪生系统对冲压车间的真实物理实体进行操作和管理，形成虚实空间的交互联动。通过VR 技术可以在数字孪生空间感受真实的冲压生产。

冲压车间设备和生产的可视化分析能力

数字孪生通过数据库共享或者OPC Server 方式访问和获取冲压车间现场数据及信号，并将获取的数据及信号推送到数字孪生冲压车间三维场景中。在冲压车间数字化虚拟场景中将物料配送、库存管理、冲压件生产、信息上报等关键环节进行可视化，并模拟真实产生环境对现场摄像、安全生产、物料运输等区域进行全面监控，时刻掌控车间生产、运输状况，全方位监管冲压车间生产运行情况，通过大数据图表的方式统计展示采集的车间信息。冲压车间数字孪生可以实时刷新数据，并进行趋势分析，同时通过规则引擎发送实时报警数据，实现冲压生产设备、冲压物料存储、冲压生产指标数据的三维可视化，更有效支撑车间生产进度的调节，合理资源的调配、生产质量的监控等。

结束语

数字孪生技术是冲压车间数字化与智能化的桥梁和纽带，通过数字孪生技术构建虚拟数字车间，使冲压数字化建设的维度提升。冲压数字孪生的应用不仅可以将生产信息数字化，直观、真实、实时展示冲压车间生产过程，形成生产过程的数字化交互，也可以直接通过虚拟数字空间的调节引导现实生产，全方位辅助车间现场工作人员管理，提升冲压车间的生产运营效率，实现冲压车间可视化管理手段的创新和生产决策分析能力的提高。

数字孪生技术的应用可以推动数字化、智能化冲压车间的建成，成为打造冲压生产制造元宇宙的基石。

弈秋课徒