王樸，張澤志，彭浩，杜文博，王欣

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

數(shù)字孿生是指基于傳感器數(shù)據(jù)更新及歷史信息等，建立物理實(shí)體在虛擬空間中映射（孿生模型），通過虛擬模型對實(shí)體進(jìn)行模擬、指導(dǎo)、控制、優(yōu)化、預(yù)測等全壽命周期管理應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷3個階段：（1）概念形成期：從美國航空航天局（NASA）的Apollo13到數(shù)字孿生概念正式提出，數(shù)字孿生理論框架基本形成；（2）應(yīng)用探索期：軍事航空航天領(lǐng)域最早提出及應(yīng)用數(shù)字孿生，隨后向工業(yè)制造領(lǐng)域拓展；（3）智能發(fā)展期：數(shù)字孿生與AI及大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等NewIT技術(shù)融合，應(yīng)用場景向民用領(lǐng)域拓展，推動各領(lǐng)域數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

BOSCH擰緊系統(tǒng)應(yīng)用于奔馳汽車裝焊工藝全機(jī)器人4門2蓋高度自動化生產(chǎn)線，與VMT在線檢測系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、PLC、PLUS、IPM組成高度智能化擰緊工藝，是智能制造領(lǐng)域里程碑式的技術(shù)模式。與APEX擰緊流程相比，VMT和機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)高度自動化和柔性化的關(guān)鍵，BOSCH擰緊工藝通訊控制過程，其具體實(shí)現(xiàn)路徑為白車身到位后，1號機(jī)器人帶著擰緊軸去IFSYS自動送釘站取釘，2號機(jī)器人抓著工件到達(dá)測量位置，VMT檢測工件與車身之間的間隙、平順度、距離、輪廓等尺寸數(shù)據(jù)，計(jì)算與理論數(shù)據(jù)之間的偏差，VMT輸出偏移值給機(jī)器人，機(jī)器人1到達(dá)在“原定軌跡數(shù)據(jù)+偏移值”得出的精確擰緊位置，浮動機(jī)構(gòu)自適應(yīng)到達(dá)最終擰緊位置，BOSCH擰緊系統(tǒng)進(jìn)行擰緊，擰緊完畢后，BOSCH將擰緊數(shù)據(jù)上傳至IPM存儲7年，VMT再次測量車身數(shù)據(jù)然后將數(shù)據(jù)上傳至PLUS。

BOSCH智能制造生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)高度智能化運(yùn)行，并且工藝數(shù)據(jù)可追溯，然而，BOSCH智能制造生產(chǎn)線在高產(chǎn)量、高線速、高度精確、高設(shè)備量的擰緊位置的壓力下，當(dāng)擰緊結(jié)果出來時，生產(chǎn)現(xiàn)場工作人員如何判定是哪個擰緊設(shè)備在車身的哪個位置，擰緊質(zhì)量是否合格，成為實(shí)時性和緊急性最高的任務(wù)，否則，如果擰緊質(zhì)量不合格，判定故障點(diǎn)花費(fèi)的時間將嚴(yán)重影響產(chǎn)量，造成產(chǎn)量風(fēng)險，另外，即使擰緊質(zhì)量數(shù)據(jù)上傳，故障點(diǎn)不解決，連續(xù)的質(zhì)量不合格會造成批量車身質(zhì)量問題，造成質(zhì)量風(fēng)險。

所以BOSCH智能制造生產(chǎn)線迫切需要數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控顯示擰緊位置、擰緊設(shè)備、擰緊質(zhì)量信息等功能，從而掌控生產(chǎn)情況，做到快速高效定位故障點(diǎn)，消除質(zhì)量風(fēng)險隱患，是提高汽車制造可靠性和設(shè)備健康管理的先進(jìn)手段。

BOSCH擰緊數(shù)字孿生體通過接收擰緊工藝過程全生命周期各個階段的數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整自身模型，實(shí)時保持與實(shí)際擰緊結(jié)果一致，監(jiān)控?cái)Q緊設(shè)備的運(yùn)行情況。此外，數(shù)字孿生體可作為擰緊設(shè)備生命期內(nèi)數(shù)據(jù)的管理庫，應(yīng)用到同類型產(chǎn)品的下一個研發(fā)周期中，可大大提高研發(fā)速度、降低研發(fā)成本。

1 BOSCH擰緊數(shù)字孿生解決方案

1.1 解決方案所處的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)

在206項(xiàng)目階段，通過之前多個項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測出如果72把擰緊軸高線速工作，數(shù)以百計(jì)的擰緊工藝位置，如果發(fā)生擰緊NOK，怎么快速查出具體是哪一把擰緊軸在哪一個擰緊位置發(fā)生的問題，這是一個很大的挑戰(zhàn)，進(jìn)一步來講，如果知道是哪一把擰緊軸發(fā)生問題，如何進(jìn)行在線控制與測試來節(jié)約故障判斷時間，也是一個挑戰(zhàn)。為此，特基于數(shù)字孿生技術(shù)做了BOSCH擰緊數(shù)字孿生解決方案。我們該怎樣判斷一顆螺絲有沒有擰好？在傳統(tǒng)的流水線上，這項(xiàng)工作當(dāng)然需要人去做檢查，但在數(shù)字工廠，就需要更自動化的策略。IoT數(shù)據(jù)采集，當(dāng)然能測出擰這顆螺絲用了多大力、擰了多少度數(shù)，但這還不夠，數(shù)據(jù)指標(biāo)不能解決一切問題，因?yàn)槊款w螺絲、每塊鋼板都存在微小的差異。工廠是個復(fù)雜的系統(tǒng)，綜合考慮這些復(fù)雜的因素，就需要建立算法模型，對“擰好螺絲”這件小事作出判斷。

1.2 解決方案落地應(yīng)用場景

數(shù)字孿生技術(shù)在擰緊工藝運(yùn)行維護(hù)中的應(yīng)用落地場景如圖1~3所示，以應(yīng)用為導(dǎo)向，主要解決擰緊工藝運(yùn)行維護(hù)中的擰緊質(zhì)量結(jié)果診斷、擰緊故障點(diǎn)診斷、整機(jī)性能預(yù)測、控制優(yōu)化等問題。在汽車裝配全生命周期不同的階段，數(shù)字孿生模型解決問題的側(cè)重點(diǎn)不同，因此模型包含的內(nèi)容也有所差異。依據(jù)數(shù)字孿生模型的定義，擰緊工藝運(yùn)維數(shù)字孿生模型包含了物理空間中的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和擰緊工藝實(shí)體、數(shù)字空間中的數(shù)字環(huán)境和數(shù)字實(shí)體、物理空間和數(shù)字空間的數(shù)據(jù)/信息雙向交換。

圖1 數(shù)字孿生實(shí)時質(zhì)量監(jiān)控

圖2 數(shù)字孿生在線控制

1.3 解決方案數(shù)據(jù)流向

物理空間向數(shù)字空間傳遞的數(shù)據(jù)為實(shí)時數(shù)據(jù)，其中，實(shí)時數(shù)據(jù)是指傳感器數(shù)據(jù)，包含了機(jī)器人信息、擰緊軸信息等，這些數(shù)據(jù)支撐了數(shù)字空間中數(shù)字環(huán)境和數(shù)字實(shí)體的構(gòu)建和更新。數(shù)字空間向物理空間傳遞的信息是包含行為指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)，是數(shù)字孿生體的行為特征，可對擰緊工藝行為精準(zhǔn)監(jiān)測、故障診斷、性能預(yù)測和控制優(yōu)化。

在擰緊工藝運(yùn)維數(shù)字孿生模型中，運(yùn)維數(shù)字孿生體是物理空間和數(shù)字空間的雙向精準(zhǔn)映射的基礎(chǔ)?；跀Q緊工藝原理構(gòu)建的多領(lǐng)域物理基準(zhǔn)模型，并融合不同的數(shù)據(jù)建立精細(xì)化模型形成運(yùn)維數(shù)字孿生體，可針對擰緊工藝運(yùn)維中的不同場景提供預(yù)測和指導(dǎo)。

圖3 數(shù)字孿生中的數(shù)據(jù)流向

本解決方案設(shè)備層主要基于BOSCH與PLC的信息交互，信息層即將數(shù)據(jù)信息在integra平臺實(shí)現(xiàn)信息邏輯處理與人機(jī)交互。數(shù)據(jù)結(jié)果還可以繼續(xù)經(jīng)過MSB平臺在KIBANA進(jìn)行歷史信息的大數(shù)據(jù)顯示與分析，從而做到發(fā)揮各平臺對數(shù)據(jù)的高效利用。

1.4 解決方案實(shí)施步驟

本項(xiàng)目的技術(shù)準(zhǔn)備工作有4個：（1）擰緊軸PLCI/O點(diǎn)，包含了擰緊軸組打釘Ok和Nok、擰緊軸單軸打釘Ok和Nok、人工確認(rèn)質(zhì)量ok、啟動擰緊程序、啟動松釘程序等；（2）BOSCH擰緊參數(shù)配置和程序配置，完成BOSCH與PLC的信號通訊，從而在擰緊后判斷質(zhì)量結(jié)果，在線控制時調(diào)用擰緊程序；（3）4門2蓋車身二維圖片，既要美觀又要擰緊點(diǎn)清晰可見；（4）從ScrewOverview等工藝文件中找到該工位要擰緊的釘號和圖片元素。

圖4 數(shù)字孿生實(shí)施過程

本項(xiàng)目具體實(shí)施采用IntegraDesignerPro,首先建立車身二維圖畫面，標(biāo)注車身件信息、擰緊位置信息和螺栓信息，然后設(shè)置擰緊質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)控點(diǎn)質(zhì)量合格為綠色，不合格為紅色，要做好關(guān)聯(lián)，將擰緊質(zhì)量監(jiān)控畫面關(guān)聯(lián)到工位主界面中。我們需要將編輯好的畫面編譯上傳到在線畫面中，點(diǎn)擊編譯，彈出提示框正在編譯中，注意在編譯過程中千萬不能關(guān)閉軟件，幾分鐘后編譯完成，彈出提示框編譯成功后點(diǎn)擊OK?，F(xiàn)在我們來打開畫面顯示的軟件integraSIS，打開軟件后，點(diǎn)擊左上角的隱藏菜單欄，選擇HMIbuild，會彈出一個提示框，詢問是否再次將AWL文件導(dǎo)入，這里我們點(diǎn)擊NO(因?yàn)槲覀冞@次編輯畫面和這個不相關(guān))，我們點(diǎn)進(jìn)這個框里只是為了看畫面是否還有報(bào)錯，在這一欄中我們看到所編輯的MA411212良好。

2 BOSCH擰緊數(shù)字孿生解決方案意義

2.1 定位故障點(diǎn)階段耗時耗力

汽車行業(yè)目前亟需在汽車制造全過程建立數(shù)字化生態(tài)，打通數(shù)據(jù)壁壘。由于汽車行業(yè)特殊性，為了滿足汽車工藝質(zhì)量要求，一輛汽車擰緊點(diǎn)少則百余個。主機(jī)廠和設(shè)備供應(yīng)商之間沒有達(dá)成有效的數(shù)據(jù)共享，整個行業(yè)也存在數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，導(dǎo)致無法精確定位故障點(diǎn)。

2.2 設(shè)備數(shù)量眾多，定位故障設(shè)備耗時耗力

隨著PLC技術(shù)、擰緊技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，越來越多的汽車生產(chǎn)廠引進(jìn)并使用智能制造技術(shù)，多種技術(shù)的綜合運(yùn)用在時間效益、經(jīng)濟(jì)效益、擰緊質(zhì)量、智能水平等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢，已經(jīng)成為一種先進(jìn)制造領(lǐng)域的常規(guī)設(shè)計(jì)，制造工藝的自動化率、工藝質(zhì)量穩(wěn)定性、工藝數(shù)據(jù)可追溯性、人機(jī)交互程度、數(shù)據(jù)可追溯性等可作為評價智能制造水平的指標(biāo)。高度自動化、柔性化生產(chǎn)線帶來的設(shè)備數(shù)量眾多，快速定位故障設(shè)備成為制約高效生產(chǎn)的發(fā)展瓶頸。本解決方案可快速定位問題點(diǎn)，每次節(jié)約人工處理時間約至少3min，并有效防止質(zhì)量事故。

2.3 缺乏數(shù)字孿生知識與人才

近幾年，擰緊技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域迅速發(fā)展，設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，但缺少數(shù)字孿生技術(shù)的成熟應(yīng)用案例，行業(yè)急缺數(shù)字孿生技術(shù)方面的人才，也缺少相應(yīng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。如何準(zhǔn)確構(gòu)建擰緊質(zhì)量診斷數(shù)字孿生模型是車身健康監(jiān)測行業(yè)的一大痛點(diǎn)。本案例參與了“國家工業(yè)信息安全發(fā)展中心”的《工業(yè)設(shè)備數(shù)字孿生白皮書》編制，為數(shù)字孿生知識傳播作出了一定的貢獻(xiàn)。

3 數(shù)字孿生發(fā)展展望

結(jié)合當(dāng)前擰緊工藝數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用需求和發(fā)展現(xiàn)狀，后續(xù)可以“資產(chǎn)”孿生和“召回”孿生為目標(biāo)，逐步開展研究和演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)擰緊工藝數(shù)字孿生的構(gòu)建。

（1）資產(chǎn)孿生：通過監(jiān)控生產(chǎn)過程中，物聯(lián)網(wǎng)傳感器傳出的實(shí)時數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生體還可以模擬關(guān)鍵設(shè)備何時需要維護(hù)，甚至可以用來確定整個生產(chǎn)線、工廠或工廠網(wǎng)絡(luò)的健康狀況。Gartner公司是一家美國評估機(jī)構(gòu)，其在2018年的一份報(bào)告中指出，美國所有制造企業(yè)經(jīng)由數(shù)字孿生體技術(shù)，每年在資產(chǎn)維護(hù)方面節(jié)省的開支達(dá)到了1萬億美元。

（2）召回孿生：建立數(shù)字線程和全生命周期管理的數(shù)字孿生體，并通過跟蹤產(chǎn)品中的關(guān)鍵部件及其序列號，不必在產(chǎn)品出現(xiàn)問題時召回成千上萬的產(chǎn)品。我們可以將工作范圍縮小到那些直接受到影響的產(chǎn)品身上。例如，一批在海外運(yùn)輸途中發(fā)生腐蝕的車身零部件，通過數(shù)字孿生體就可以精確定位到其裝配具體批次車身。

（3）通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護(hù)和共享服務(wù)。通過結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和仿真技術(shù)，幫助現(xiàn)場人員分析特定的工作條件并預(yù)測故障，從而節(jié)約運(yùn)維成本。