基于数字孪生汽车车身焊接智能产线数据监控平台构建

蒋昌

摘要：针对数字化生产线监控过程中透明度低、实时性差以及监控数据不全无法及时发现的问题，本文从汽车焊装生产线的主要设备出发，提出了基于汽车车身焊接智能产线孪生模型及设备数据监控平台的构建方法，实现数据与模型的关联映射，并通过各类设备运行状态及数据看板，解决生产现场的透明化，促进生产效率、质量的提高。

关键词：数字孪生；智能产线；数据监控平台；构建方法

引言

当前，我国制造业正处于全面提档升级的关键阶段，加快推进制造业数字化转型意义重大。智能生产线是智能工厂的重要组成部分，其运行效率将直接影响企业的经济效益。建立一种运行数据可视化且具有智能分析预警功能的监控系统，成为实现高效数字化智能现场管理亟待解决的关键问题。本文基于数字孪生技术，针对汽车车身焊接智能产线设备情况和控制系统，提出了一种面向汽车焊接智能产线数据监控平台的构建方法，实现了对焊接过程的实时监控、预测和优化，提高焊接质量和生产效率，为汽车制造业的数字化转型提供一定的参考。

1. 搭建数字孪生汽车车身焊接智能

产线数据监控平台的背景和意义随着现代制造业向数字化、智能化、绿色化方向发展，对生产线的监控系统也提出了更高的要求。尤其是汽车制造行业，虽然采用机器人焊接，但是焊接制造环节尚未做到焊接关键参数数据采集分析，为确保车身焊接质量和产线的高效运行，做到有据可查，生产企业迫切需要开发一套汽车车身焊装生产过程数字化、智能化、可视化的监控系统解决方案。

数字孪生技术能够实现智能生产线物理模型和虚拟模型（即仿真模型）的融合与迭代优化，其典型要素之一是仿真模型对物理设备的高度仿真。基于数字孪生技术构建汽车车身焊接产线孪生模型，根据汽车车身自动焊接生产线实际工艺流程，编写控制程序，利用OPC（Object Linking andEmbedding for Process Control，过程控制中的对象链接与嵌入）服务器实现PLC（Programmable Logic Controller，可编程控制逻辑控制器）与车身焊接产线的交互控制，通过产线运行实时数据映射到虚拟模型上，实现虚拟监控画面与现场信号同步，并通过产线设备运行数据的提取，实现产线运行数据可视化交互式监控。

2. 数字孪生汽车车身焊接智能产线数据监控平台的功能与优势

2.1 实时监测焊接过程数据

数字孪生汽车车身焊接产线数据监控平台的一个重要功能是实时监测焊接过程数据。在焊接过程中，数字孪生平台可以通过传感器和监测设备获取大量实时数据，如焊接电流、电压、温度、速度等，然后对这些数据进行实时分析和处理，从而及时检测焊接过程中的问题和缺陷，并及时提供反馈和指导，以便生产工人及时调整和优化生产过程，确保焊接质量和产品的安全性。此外，数字孪生平台还可以对焊接过程中的数据进行可视化展示，让生产工人和管理人员可以直观地了解焊接质量和生产效率的情况，并及时采取措施，提高生产效率和产品质量。通过实时监测焊接过程数据，数字孪生平台可以大大减少焊接缺陷和问题的发生，提高焊接产品的质量和安全性，同时也可以减少生产过程中的浪费和损失，从而实现成本的优化和效益的提高。

2.2 预测焊接质量

数字孪生汽车车身焊接产线数据监控平台的另一个重要功能是预测焊接质量。通过对焊接过程中的大量实时数据进行分析和处理，数字孪生平台可以建立一个完整的数字模型，模拟和预测焊接过程中可能出现的问题和缺陷，并提前预警和预测焊接产品的质量状况。这样生产工人可以根据数字孪生平台提供的预测结果，及时采取措施，调整和优化生产过程，从而保证焊接产品的质量和安全性，避免生产中出现质量问题和缺陷。同时，数字孪生平台还可以根据实时的数据和模型结果，为生产工人和管理人员提供实时的反馈和指导，帮助他们及时调整和优化生产过程，提高生产效率和产品质量。通过预测焊接质量，数字孪生平台可以在生产过程中及时发现和解决潜在问题，从而避免了生产过程中的质量問题和缺陷，提高了产品的质量和安全性，也为企业节约了成本和资源[1]。

2.3 优化生产效率与成本

数字孪生汽车车身焊接产线数据监控平台的另一个重要功能是优化生产效率与成本。通过实时监测焊接过程数据和预测焊接质量，数字孪生平台可以提供一系列的生产优化方案，帮助企业优化生产效率和降低成本。例如，数字孪生平台可以通过优化焊接参数和调整焊接设备的运行方式，提高生产效率和产品质量，并减少生产过程中的浪费和损失。数字孪生平台还可以利用机器学习和人工智能技术，对生产过程进行自动化调整和优化，从而提高生产效率和降低成本。此外，数字孪生平台还可以提供生产计划和生产进度的监控和管理，从而保证生产过程的高效运行和生产效率的最大化。通过优化生产效率与成本，数字孪生平台可以帮助企业提高生产效率和产品质量，降低生产成本和资源消耗，从而提高企业的竞争力和市场占有率。

3. 数字孪生汽车车身焊接智能产线数据监控平台的构建

3.1 基于机器学习的数字孪生模型

基于机器学习的数字孪生模型是汽车车身焊接产线数据监控平台的一种常用构建方法。它将焊接过程中的数据采集、预处理、特征提取、建模和预测等环节融合到一个整体框架中，通过机器学习算法建立数字孪生模型，实现对焊接过程的实时监控和预测。具体而言，基于机器学习的数字孪生模型需要先对焊接过程中的各项参数进行数据采集和预处理，以确保数据的质量和完整性。接下来，需要对数据进行特征提取，提取与焊接过程相关的特征，如电流、电压、电极压力等。然后，需要采用机器学习算法对特征进行建模和优化，建立数字孪生模型。最后，通过数字孪生模型实现对焊接过程的实时监控和预测，以便实现对焊接质量和安全性的控制和保障[2]。基于机器学习的数字孪生模型的优点在于它可以自适应地学习和优化模型，以适应不同的焊接场景和要求。同时，它也可以通过多源数据的融合和多种算法的组合，提高数字孪生模型的精度和泛化能力，以实现对焊接过程准确全面的监控和预测。

3.2 基于物理建模的数字孪生模型

基于物理建模的数字孪生模型是汽车车身焊接产线数据监控平台的一种构建方法。它通过建立物理模型，将焊接过程中的物理现象和参数进行数学建模，以实现对焊接过程的实时监控和预测。具体而言，基于物理建模的数字孪生模型需要先通过焊接过程中的物理原理和物理现象，建立数学模型，如热传递模型、电磁场模型等。然后，将数学模型与实际焊接过程中的参数数据进行整合，建立数字孪生模型，实现对焊接过程的实时监控和预测。此外，还可以通过对数学模型的优化和验证，提高数字孪生模型的精度和泛化能力。

基于物理建模的数字孪生模型的优点在于可以准确地反映焊接过程中的物理现象和参数变化，从而提高数字孪生模型的精度和泛化能力[3]。同时，也可以通过与其他方法的结合和综合，提高数字孪生模型的可靠性和实用性，以实现对焊接过程更加准确和全面的监控和预测。然而，基于物理建模的数字孪生模型的缺点在于需要对焊接过程中的物理现象和参数进行准确的建模和验证，需要较高的物理和数学专业知识和技术。同时，建立物理模型需要大量的实验数据和实验设备支持，所需时间和成本较高。

3.3 基于数据驱动的数字孪生模型

基于数据驱动的数字孪生模型是汽车车身焊接产线数据监控平台的一种构建方法。它基于大量的历史数据和实时数据，采用机器学习和深度学习等算法，建立数字孪生模型，以实现对焊接过程的实时监控和预测。具体而言，基于數据驱动的数字孪生模型需要先收集和整合焊接过程中的历史数据和实时数据，如电流、电压、电极压力等。然后，采用机器学习和深度学习等算法对数据进行建模和训练，以建立数字孪生模型。最后，通过数字孪生模型实现对焊接过程的实时监控和预测，以便实现对焊接质量和安全性的控制和保障。

基于数据驱动的数字孪生模型的优点在于可以快速地构建数字孪生模型，并且不需要对焊接过程中的物理现象和参数进行建模，降低了建模的难度和成本[4]。同时，也可以通过数据的不断更新和迭代，提高数字孪生模型的精度和泛化能力，以实现对焊接过程更加准确和全面的监控和预测。然而，基于数据驱动的数字孪生模型的缺点在于可能会面临数据量不足、数据质量差等问题，这会影响模型的准确性和泛化能力。因此，需要在数据采集、处理、存储等方面进行优化，以提高数字孪生模型的可靠性和实用性。

4. 应用实例

该构建方法应用在某汽车车身部件自动焊接产线上。通过西门子数字孪生软件构建出焊接产线1：1的三维监控模型。焊接智能产线实景如图1所示，三维模型如图2所示。产线上有上料站、焊接站、下料站、质监站4个工作站，包括4台焊接机器人、3台搬运机器人、视觉检测机器人等设备，物流方面由智能料架、自动传送带、AGV小车构成。软件方面部署了MES、ERP、SCM、RFID、WOMS等系统[5]。

该产线可以完整模拟汽车底盘部件的上料焊装、装配到入库的生产流程。本文通过三维监控系统在产线上的模拟运行，产线产量、生产节拍、物料信息等运行数据可实时显示在监控平台上，并通过看板按键切换查看单站设备工作数据，从而能够及时发现和预判产线运行问题及设备异常状况，取得了良好的效果，提升了产线管控的透明度。焊接产线智能总调度监控系统界面如图3所示。

结语

本文研究了基于数字孪生的产线监控平台构建方法，并通过在实际车身焊接产线上应用进行了实践，效果良好。数字孪生汽车车身焊接产线监控平台能够有效实现对焊接过程数据的实时采集监控、分析和预警，提升了生产效率和生产质量。随着人工智能等更多新技术的推广应用，对产线管控会提出更多的需求和挑战，未来将会向增加人工智能的生产现场智能运维方向拓展研究，进一步升级生产管控智能决策功能。

参考文献：

[1]孙元亮，马文茂，张超，等.面向数据孪生的智能生产线监控系统关键技术研究，2021，64（8）：58-65.

[2]范蕊，刘青川，高健.基于数字孪生的智能生产线系统数据检测技术[J].集成电路应用，2021，38（11）：120-121.

[3]姜阔胜，范再川，侯佳淑.自动化生产线的数字孪生可视化监测系统研制.安阳工学院学报，2022，21（2）：53-56.

[4]常嘉玮.浅谈汽车车身焊接的智能化及自动化[J].时代汽车，2021，（8）：137-138.

[5]刘静.汽车车身焊接工艺分析及工装设计[J].时代汽车，2020，（16）：123-124.

作者简介：李杨，硕士研究生，高级实验师，研究方向：智能控制技术、机电一体化技术。

基金项目：广西壮族自治区教育厅2021年广西高职院校高水平专业群骨干教师国内访学计划项目（桂教师培〔2021〕8号）。