杜 宇,柴文杰,劉 冬

(1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,大連 116028;2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,大連 116024)

0 引言

壓鑄制造業(yè)存在智能化程度低、無法對(duì)壓鑄過程進(jìn)行有效監(jiān)控、生產(chǎn)過程中積累的大量數(shù)據(jù)無法有效利用等問題,嚴(yán)重限制壓鑄制造業(yè)轉(zhuǎn)向智能制造。數(shù)字孿生作為制造業(yè)智能技術(shù)[1-2],對(duì)實(shí)現(xiàn)壓鑄制造實(shí)時(shí)監(jiān)控和精細(xì)化質(zhì)量控制預(yù)測(cè),提高生產(chǎn)智能化水平、壓鑄效率和質(zhì)量具有重要意義。

近年來,針對(duì)制造車間生產(chǎn)過程的數(shù)字孿生建模、大數(shù)據(jù)分析和仿真預(yù)測(cè)等方面開展了大量研究,取得了許多研究成果。QI、TAO等[3-4]首先探索提出數(shù)字孿生車間概念,從根本上闡述了數(shù)字孿生車間的系統(tǒng)組成部分、運(yùn)行方式、運(yùn)行機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn),奠定了理論基礎(chǔ);吳鵬興等[5]搭建了離散數(shù)字孿生制造車間的可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控方案,提出基于數(shù)據(jù)和事件驅(qū)動(dòng)的虛實(shí)映射方法;WANG等[6]提出將智能制造和深度學(xué)習(xí)方法結(jié)合,討論了它們?cè)谥圃鞓I(yè)“智能化”方面的應(yīng)用;NEGRI等[7]提出一種將制造執(zhí)行系統(tǒng)和仿真模型集成的方法,實(shí)現(xiàn)建模與MES軟件實(shí)現(xiàn)集成,完成數(shù)據(jù)雙邊通信;張佳朋等[8]先分析了航天器裝配流程,并進(jìn)行數(shù)字孿生高保真建模和基于流程的數(shù)據(jù)管理,最后利用灰度關(guān)聯(lián)方法實(shí)現(xiàn)裝配過程質(zhì)量預(yù)測(cè)。

綜上所述,盡管在制造領(lǐng)域已有許多建模和數(shù)據(jù)分析的研究,但在壓鑄制造領(lǐng)域,仍然缺乏基于數(shù)字孿生技術(shù)的生產(chǎn)過程監(jiān)控與預(yù)測(cè)方法。因此,本文提出了一種數(shù)字孿生和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壓鑄過程監(jiān)控和質(zhì)量預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)體系,該結(jié)構(gòu)體系旨在針對(duì)壓鑄車間建立數(shù)字孿生系統(tǒng),并采用Stacking集成學(xué)習(xí)方法來預(yù)測(cè)壓鑄件的質(zhì)量。最后,通過實(shí)際案例驗(yàn)證了這種方法的可行性。

1 數(shù)字孿生壓鑄監(jiān)控和質(zhì)量預(yù)測(cè)總體架構(gòu)

數(shù)字孿生和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的過程監(jiān)控和質(zhì)量預(yù)測(cè)體系結(jié)構(gòu)由物理基礎(chǔ)層、信息處理層、虛擬模型層和應(yīng)用層組成[9],系統(tǒng)框架如圖1所示。該框架實(shí)現(xiàn)了鋁合金壓鑄生產(chǎn)過程的數(shù)字孿生建模、協(xié)同仿真、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量預(yù)測(cè)。

(1)物理基礎(chǔ)層。物理層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),其他層級(jí)都是基于物理層進(jìn)行搭建的。這包括各種設(shè)備如壓鑄機(jī)、切邊機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂、工業(yè)機(jī)器人、冷卻槽,以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備如PLC、傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等。智能壓鑄生產(chǎn)單元能夠采集和記錄數(shù)據(jù),其中設(shè)備數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生過程監(jiān)控和質(zhì)量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

(2)信息處理層。信息處理層在系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵的連接角色,包括4個(gè)主要功能:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。這一層使用數(shù)據(jù)通信協(xié)議從不同設(shè)備中收集各種數(shù)據(jù),包括設(shè)備運(yùn)行情況、狀態(tài)、傳感器信息和工藝參數(shù),然后將這些數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。這些數(shù)據(jù)可以大致分為兩種類型:①用于控制虛擬車間協(xié)同仿真的信號(hào)數(shù)據(jù),②通過數(shù)據(jù)預(yù)處理后,使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來預(yù)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量所需的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)。

(3)虛擬模型層。該層是對(duì)上述信息處理層數(shù)據(jù)的映射,主要包括各設(shè)備的數(shù)字模型、幾何模型和數(shù)字工藝信息。虛擬層首先通過內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序和虛擬信號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部仿真,然后利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),將真實(shí)和虛擬信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。這基于高度逼真的數(shù)字孿生模型,實(shí)現(xiàn)了物理車間和虛擬車間的協(xié)同仿真,以還原各種車間生產(chǎn)過程。

(4)應(yīng)用層。通過應(yīng)用層和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互,采用OPC UA協(xié)議來完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、映射和可視化,完成數(shù)字孿生與物理制造單元的互聯(lián)和信息交互,實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓鑄過程可視化監(jiān)控,同時(shí)在三維模型上顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)了全要素全流程數(shù)據(jù)可視化。并利用工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和傳感器參數(shù),輸入本文提出的一種質(zhì)量預(yù)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)壓鑄產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)。

2 過程監(jiān)控與質(zhì)量預(yù)測(cè)分析

2.1 壓鑄單元概述

壓鑄制造是將液態(tài)金屬按照不同需求以特定參數(shù)充填至壓鑄模具型腔內(nèi),并在高壓下成型的一種鑄造方法。它的加工過程是在壓鑄機(jī)安全門關(guān)閉后,合模油缸前進(jìn)進(jìn)行合模,把高溫鋁料倒入料筒的倒料口,壓射油缸前進(jìn)將鋁料壓射到模具里,并在模具保持一定壓力,產(chǎn)品在模具內(nèi)冷卻并凝固,合模油缸后退進(jìn)行開模,接著頂出板前進(jìn)把產(chǎn)品從動(dòng)模頂出,取出產(chǎn)品,最后經(jīng)過切邊機(jī)切邊得到最終產(chǎn)品。從整體上看,整個(gè)過程可分為合模、壓射、鎖模、冷卻凝固、開模、頂出產(chǎn)品等流程。其中壓射、鎖模和冷卻過程及其中間所產(chǎn)生的各種參數(shù)是決定壓鑄產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

2.2 壓鑄過程數(shù)字孿生建模與控制

孿生模型是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分,建立高保真的虛擬模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)壓鑄單元的準(zhǔn)確映射。首先使用UG三維建模軟件建立了壓鑄制造單元所有生產(chǎn)要素的參數(shù)化三維模型,并在3dsMax中實(shí)現(xiàn)模型簡(jiǎn)化處理,將關(guān)鍵結(jié)構(gòu)保留,刪除不涉及關(guān)鍵步驟的結(jié)構(gòu)線條,后導(dǎo)入到數(shù)字孿生平臺(tái)中,按照物理現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景進(jìn)行虛擬車間搭建。利用父子層級(jí)技術(shù),結(jié)合實(shí)際制造單元的父子節(jié)點(diǎn)關(guān)系,建立父子節(jié)點(diǎn)層級(jí)結(jié)構(gòu)的虛擬車間。這種結(jié)構(gòu)保證了模型的后續(xù)擴(kuò)展以及驅(qū)動(dòng)行為的實(shí)現(xiàn)。虛實(shí)同步技術(shù)框架如圖2所示。

圖2 虛實(shí)同步技術(shù)框架

(1)數(shù)字孿生建模流程。壓鑄制造過程中的數(shù)字孿生模型是孿生單元的基礎(chǔ),也是對(duì)真實(shí)物理車間的虛擬映射,這個(gè)映射包括設(shè)備本身、車間環(huán)境和壓鑄單元運(yùn)行邏輯。利用數(shù)字孿生建模技術(shù),真實(shí)壓鑄制造單元中各種資源設(shè)備被映射到虛擬空間中。數(shù)字孿生建模主要包括兩個(gè)流程,分別是軟件層面流程和參數(shù)化建模流程。

①軟件層面流程。利用UG建模軟件、3dsMax軟件和Visual Components平臺(tái)(VC)建立數(shù)字孿生體,并搭建壓鑄單元數(shù)字孿生系統(tǒng),如圖3所示。

圖3 軟件層面流程

UG建模軟件在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛,通過同步建模和混合建?？梢钥焖俳⑵疖囬g的基本模型。

3dsMax在實(shí)際建模精度方面表現(xiàn)一般,但是在輕量化處理、確定結(jié)構(gòu)關(guān)系、模型運(yùn)行關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)等方面具有很好的效果。

Visual Components是一款專業(yè)針對(duì)工業(yè)仿真運(yùn)行的軟件,其擁有豐富的數(shù)據(jù)通信接口,可以應(yīng)對(duì)工廠復(fù)雜多樣的設(shè)備,并且可以在設(shè)計(jì)不同虛擬模型和模型之間的交互關(guān)系。

②參數(shù)化建模流程。參數(shù)化建模主要包括孿生模型構(gòu)建、模型運(yùn)行邏輯構(gòu)建和壓鑄單元整體行為構(gòu)建,具體為:

孿生模型構(gòu)建。首先確定壓鑄單元中設(shè)備、人員和環(huán)境的具體內(nèi)容,進(jìn)行數(shù)字建模,接著導(dǎo)入3dsMax中進(jìn)行輕量化處理,并確定模型結(jié)構(gòu)關(guān)系,最后導(dǎo)入Visual Components中設(shè)定模型的特征、屬性和行為,定義模型子部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié),設(shè)定好根部件和子部件的父子關(guān)系。

模型運(yùn)行邏輯構(gòu)建。數(shù)字孿生的核心是實(shí)現(xiàn)模型與現(xiàn)實(shí)的虛實(shí)映射,在Visual Components中將為模型的運(yùn)行關(guān)節(jié)添加伺服控制器和信號(hào)接口,并編寫驅(qū)動(dòng)程序,例如實(shí)現(xiàn)壓鑄機(jī)的開模合模、切邊機(jī)切刀的上下移動(dòng)和機(jī)械臂的移動(dòng)等行為。信號(hào)接口和驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)同步的基礎(chǔ)。

壓鑄單元整體行為構(gòu)建。將上述模型按照真實(shí)車間布局搭建虛擬數(shù)字孿生壓鑄單元,實(shí)現(xiàn)模型和位置的高保真還原,劃定生產(chǎn)過程的運(yùn)行規(guī)則和邏輯,完成車間整體布局和內(nèi)部仿真。

(2)孿生三維模型構(gòu)建。通過建立1∶1還原的高保真三維模型來實(shí)現(xiàn),車間人員可以直觀得監(jiān)控壓鑄過程實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)和運(yùn)行情況。如圖4所示,通過層級(jí)關(guān)系將壓鑄單元的生產(chǎn)要素進(jìn)行分類,根據(jù)壓鑄單元的實(shí)際情況,將模型劃分為生產(chǎn)模型、輔助模型和環(huán)境模型。其中生產(chǎn)模型包括壓鑄機(jī)、切邊設(shè)備、噴淋機(jī)械臂等,輔助模型包括轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂、傳送帶、冷卻槽和水塔、倉(cāng)儲(chǔ)箱等,環(huán)境模型包括人員、檢驗(yàn)臺(tái)、圍欄、顯示器等。

圖4 壓鑄制造單元模型

壓鑄機(jī)、切邊設(shè)備、兩個(gè)機(jī)械臂是壓鑄單元的主要設(shè)備,在壓鑄過程中,壓鑄機(jī)生成工件,機(jī)械臂負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)工件和噴淋脫模劑,切邊設(shè)備負(fù)責(zé)修去工件毛邊,建模過程為:

(1)壓鑄機(jī)建模。首先在VC中導(dǎo)入經(jīng)過輕量化的壓鑄機(jī)模型,設(shè)置模型的屬性和行為。首先定義兩個(gè)子部件,包括壓射推桿和動(dòng)模模具,這兩個(gè)子部件需要進(jìn)行平行移動(dòng),然后設(shè)置伺服控制器和信號(hào)接口,信號(hào)接口的作用是接受來自于數(shù)據(jù)庫(kù)的布爾信號(hào),并在python程序中將兩個(gè)運(yùn)動(dòng)組件掛載到伺服控制器上,定義移動(dòng)范圍和移動(dòng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的移動(dòng),完成整個(gè)壓鑄機(jī)的建模,具體如圖5所示,包括模型、python程序和行為設(shè)置。

圖5 壓鑄機(jī)建模 圖6 切邊設(shè)備建模

(2)切邊設(shè)備建模。切邊設(shè)備建模主要步驟和壓鑄機(jī)相同,不同的是切邊設(shè)備需要定義3個(gè)運(yùn)動(dòng)子部件,其中一個(gè)子部件在模型內(nèi)部,如圖6所示。

(3)機(jī)械臂建模。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂和噴淋機(jī)械臂模型相同,因此本文只對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行詳細(xì)說明。因?yàn)閿?shù)字孿生平臺(tái)內(nèi)部有模板模型,所以利用模板機(jī)械臂進(jìn)行新機(jī)械臂的建模。首先導(dǎo)入經(jīng)過處理的CAD模型,修改模型坐標(biāo)系,將模板機(jī)械臂的幾何外觀替代成導(dǎo)入的機(jī)械臂幾何外觀,最后更新機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),建模流程如圖7所示。

(4)壓鑄單元整體運(yùn)行邏輯構(gòu)建。整體運(yùn)行邏輯構(gòu)建包含兩個(gè)方面,①車間運(yùn)行行為分析,②數(shù)字孿生內(nèi)部仿真調(diào)試。整個(gè)壓鑄單元包括一臺(tái)壓鑄機(jī)、一臺(tái)切邊設(shè)備、兩臺(tái)機(jī)械臂、傳送帶、冷卻槽和檢測(cè)臺(tái)組成,如圖8所示。其中壓鑄機(jī)負(fù)責(zé)生產(chǎn)工件,是單元的基礎(chǔ)。當(dāng)生產(chǎn)過程開始時(shí),壓鑄機(jī)合模,等壓射錘頭前進(jìn)生成工件后,壓鑄機(jī)開模。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂從初始狀態(tài)開始移動(dòng)從模具中取出工件,接著移動(dòng)至機(jī)臺(tái)邊掃碼計(jì)件,抓取零件至冷卻槽降溫。在得到掃碼信號(hào)后,噴淋機(jī)械臂從初始位置移動(dòng)到模具中間進(jìn)行噴灑脫模劑并冷卻模具,完成動(dòng)作后回到初始位置,等待下一次掃碼信號(hào)。等待噴淋機(jī)械臂回到初始位置,壓鑄機(jī)合模。工件降溫完成后,轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂移動(dòng)將工件放置于工件中轉(zhuǎn)臺(tái),緊接著從切邊機(jī)取出上一個(gè)切邊完成的工件放置于傳送帶,然后返回將中轉(zhuǎn)臺(tái)的工件取出放置于切邊機(jī),切邊設(shè)備刀具模塊下降對(duì)工件進(jìn)行去毛邊。轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂回到初始位置,等待壓鑄機(jī)開模。完成一個(gè)循環(huán)。其中壓鑄機(jī)和切邊機(jī)為輔,壓鑄單元主要的行為動(dòng)作由兩個(gè)機(jī)械臂完成。

圖8 壓鑄單元整體行為構(gòu)建

如圖8所示,除去壓鑄機(jī)和切邊機(jī)的兩個(gè)固定動(dòng)作,兩臺(tái)機(jī)械臂一共可以分為5個(gè)動(dòng)作。對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂,動(dòng)作1為從模具取件到掃碼處,動(dòng)作2為機(jī)械臂抓件水冷降溫并將工件放置中轉(zhuǎn)臺(tái),動(dòng)作3為機(jī)械從切邊機(jī)取件至傳送帶,動(dòng)作4為從中轉(zhuǎn)臺(tái)取件至切邊機(jī),然后返回初始位置。對(duì)于噴淋機(jī)械臂,動(dòng)作5為從初始位置至模具中間,進(jìn)行上下噴掃,然后返回初始位置。將這些動(dòng)作進(jìn)行封裝,通過一個(gè)信號(hào)變量進(jìn)行驅(qū)動(dòng),完成內(nèi)部仿真。

除去壓鑄機(jī)和切邊機(jī)的兩個(gè)固定動(dòng)作,兩臺(tái)機(jī)械臂一共可以分為5個(gè)動(dòng)作。對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂,動(dòng)作1為從模具取件到掃碼處,動(dòng)作2為機(jī)械臂抓件水冷降溫并將工件放置中轉(zhuǎn)臺(tái),動(dòng)作3為機(jī)械從切邊機(jī)取件至傳送帶,動(dòng)作4為從中轉(zhuǎn)臺(tái)取件至切邊機(jī),然后返回初始位置。對(duì)于噴淋機(jī)械臂,動(dòng)作5為從初始位置至模具中間,進(jìn)行上下噴掃,然后返回初始位置。將這些動(dòng)作進(jìn)行封裝,通過一個(gè)信號(hào)變量進(jìn)行驅(qū)動(dòng),完成內(nèi)部仿真。

通過對(duì)壓鑄單元整體行為的分析,將生產(chǎn)過程分解,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部仿真調(diào)試,可以為后面與真實(shí)車間的虛實(shí)同步提供指導(dǎo)。

2.3 壓鑄件產(chǎn)品質(zhì)量影響指標(biāo)

壓鑄過程是一個(gè)具有周期性、多參數(shù)性、非線性和多步驟性的生產(chǎn)過程。壓鑄件質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一般分為外觀和結(jié)構(gòu)性能,外觀包括表面缺肉多肉、劃痕、飛邊、粘料、料餅厚度變形等;結(jié)構(gòu)性能包括抗拉抗彎強(qiáng)度、尺寸等。根據(jù)車間加工實(shí)踐和工人經(jīng)驗(yàn),選擇料餅厚度作為壓鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。主要原因是料餅厚度對(duì)壓鑄產(chǎn)品有很大影響,具體為:①厚度過薄時(shí)料餅中無高溫和流動(dòng)性較好的鋁液,無法向型腔傳遞壓力,容易造成產(chǎn)品縮孔、欠鑄等缺陷;而厚度過厚時(shí)會(huì)有浪費(fèi)原材料、料餅容易爆炸開裂,以及造成產(chǎn)品缺肉等問題;②料餅厚度能很好反應(yīng)壓鑄過程的穩(wěn)定性;③厚度容易測(cè)量且具有普適性。所以選擇料餅厚度作為質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),確保其在合理的范圍之內(nèi)。

3 基于孿生數(shù)據(jù)的Stacking集成學(xué)習(xí)的質(zhì)量預(yù)測(cè)方法

本文提出一種基于Stacking集成的質(zhì)量預(yù)測(cè)方法。Stacking集成的方法是首先建立多個(gè)不同類型的基學(xué)習(xí)器,初始數(shù)據(jù)集作為輸入訓(xùn)練得到每個(gè)基學(xué)習(xí)器的初級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果,然后將初級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果合并組成一個(gè)新的次級(jí)數(shù)據(jù)集,輸入構(gòu)建的一個(gè)元學(xué)習(xí)器,輸出最終的預(yù)測(cè)結(jié)果[10]。

3.1 預(yù)測(cè)模型

對(duì)Stacking集成的方法是首先建立多個(gè)不同類型的基學(xué)習(xí)器,初始數(shù)據(jù)集作為輸入訓(xùn)練得到每個(gè)基學(xué)習(xí)器的初級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果,然后將初級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果合并組成一個(gè)新的次級(jí)數(shù)據(jù)集,輸入構(gòu)建的一個(gè)元學(xué)習(xí)器,輸出最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。Stacking集成預(yù)測(cè)模型的框架如圖9所示。

圖9 Stacking集成學(xué)習(xí)的質(zhì)量預(yù)測(cè)方法

3.2 方法描述

本文通過上述Stacking方法集成不同類型的模型來提升整體預(yù)測(cè)性能,利用采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)壓鑄件進(jìn)行質(zhì)量預(yù)測(cè)。以壓鑄過程中采集的工藝數(shù)據(jù)X=(x1,x2,…,xn)作為輸入?yún)?shù),然后預(yù)測(cè)壓鑄件的質(zhì)量指標(biāo)Y。

整個(gè)方法主要有以下5個(gè)步驟:

步驟1:數(shù)據(jù)預(yù)處理。鑒于數(shù)據(jù)中可能存在缺失值、異常值和不相關(guān)的特征,我們首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。我們使用隨機(jī)森林缺失值填充法來填補(bǔ)缺失值,采用專門的修改和調(diào)整來處理異常值,同時(shí)刪除明顯有問題的數(shù)據(jù)。還有,我們直接刪除了由于重復(fù)的壓鑄工藝導(dǎo)致的重復(fù)數(shù)據(jù)。此外,無效的特征,如機(jī)器標(biāo)識(shí)machineId和循環(huán)時(shí)間loopTime等,也被移除;

步驟2:關(guān)鍵特征選擇。這一方法涉及計(jì)算特征與質(zhì)量指標(biāo)之間的距離相關(guān)系數(shù)。當(dāng)這一系數(shù)較小時(shí),我們將認(rèn)為該特征對(duì)質(zhì)量影響不大,然后將其從數(shù)據(jù)中移除。這樣做有助于減少數(shù)據(jù)的維度,同時(shí)確保保留的特征對(duì)模型的性能提升有積極作用;

步驟3:基于時(shí)序的特征構(gòu)建。數(shù)字孿生系統(tǒng)捕獲的質(zhì)量特征具有時(shí)間序列屬性,因?yàn)樯a(chǎn)設(shè)備、原材料和模具等在隨時(shí)間推移中可能會(huì)發(fā)生微小變化。因此,我們采取了一種策略,將t-1時(shí)刻的質(zhì)量指標(biāo)作為t時(shí)刻產(chǎn)品的新特征。這一方法的目的是彌補(bǔ)數(shù)據(jù)中的信息缺失,使模型更好地考慮時(shí)間相關(guān)性,以提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性;

步驟4:數(shù)據(jù)集劃分。將數(shù)據(jù)集按照8∶2的比例劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集,并按照模次時(shí)間排序,確保訓(xùn)練得到模型滿足預(yù)測(cè)要求;

步驟5:模型評(píng)估與分析。通過測(cè)試集對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估分析,并利用網(wǎng)格搜索法確定最佳參數(shù),并選擇決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)作為評(píng)估指標(biāo),計(jì)算公式為:

(1)

(2)

4 系統(tǒng)驗(yàn)證和分析

4.1 壓鑄過程監(jiān)控

基于本文提出的壓鑄過程可視化監(jiān)控方法,以某汽車零部件制造企業(yè)的壓鑄車間為試驗(yàn)對(duì)象。首先基于UG、3DMAX等三維建模軟件壓鑄制造單元的幾何模型(如表1所示),模型簡(jiǎn)化后并將其導(dǎo)入Visual Components數(shù)字孿生平臺(tái),其次在平臺(tái)中設(shè)置各個(gè)虛擬組件的特征、屬性、行為、數(shù)據(jù)顯示看板和驅(qū)動(dòng)腳本。通過虛實(shí)同步技術(shù)和MySql數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)壓鑄制造單元和虛擬制造單元的虛實(shí)交互。

表1 軟件開發(fā)環(huán)境

(1)系統(tǒng)功能描述?；跀?shù)字孿生的壓鑄單元監(jiān)控具體功能有生產(chǎn)信息顯示、交互和虛實(shí)同步,具體內(nèi)容如圖10所示。

圖10 數(shù)字孿生的壓鑄單元監(jiān)控

圖11 數(shù)字孿生單元和車間映射

其中生產(chǎn)信息顯示包括壓鑄機(jī)狀態(tài)、切邊設(shè)備狀態(tài)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂狀態(tài)、噴淋機(jī)械臂狀態(tài)和生產(chǎn)參數(shù)。

交互包括監(jiān)控視角切換和場(chǎng)景漫游。通過點(diǎn)擊場(chǎng)景左下角視角切換按鈕,可以快速改變監(jiān)視角度,方便查看不同設(shè)備的不同狀態(tài)。

虛實(shí)同步包括整體虛擬壓鑄單元、壓鑄過程監(jiān)控和實(shí)時(shí)映射。通過虛實(shí)同步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的三維可視化,并且制造過程與現(xiàn)實(shí)車間生產(chǎn)過程保持一致。壓鑄過程包括壓鑄機(jī)開模合模,機(jī)械臂轉(zhuǎn)運(yùn)工件、機(jī)械臂噴淋模具等。

(2)壓鑄數(shù)字孿生單元實(shí)現(xiàn)。①數(shù)字孿生單元。按照真實(shí)壓鑄單元進(jìn)行測(cè)量和布局,在數(shù)字孿生平臺(tái)搭建與現(xiàn)場(chǎng)車間完全一致的數(shù)字壓鑄單元,實(shí)現(xiàn)等比例復(fù)刻。通過監(jiān)控視角切換等交互行為,實(shí)時(shí)監(jiān)控壓鑄單元的加工狀態(tài)和生產(chǎn)信息。②數(shù)字孿生單元。搭建好的壓鑄數(shù)字孿生單元可以按照工廠人員的需求去調(diào)整觀察視角,可以快速切換監(jiān)控不同設(shè)備的運(yùn)行情況和車間的不同區(qū)域,如圖12所示。

圖12 多視角視圖

設(shè)備狀態(tài)信息和生產(chǎn)工藝參數(shù)都是以看板的形式置于對(duì)應(yīng)模型旁邊,這樣可以通過數(shù)據(jù)更加直觀的監(jiān)控壓鑄單元的整體運(yùn)行狀況。將采集到的數(shù)據(jù)顯示在看板上,工廠人員可以查看設(shè)備運(yùn)行情況、生產(chǎn)過程和工藝參數(shù)等信息,完成了壓鑄制造的數(shù)據(jù)可視化。數(shù)據(jù)看板包括壓鑄機(jī)、切邊設(shè)備、兩個(gè)機(jī)械臂以及工藝參數(shù),具體包括生產(chǎn)個(gè)數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、開始時(shí)間、當(dāng)前工序位置等信息,其中生產(chǎn)個(gè)數(shù)是通過掃碼裝置采集的信號(hào)現(xiàn),該布爾值每變化一次,就表示是生產(chǎn)一個(gè)工件,壓鑄機(jī)的工作狀態(tài)通過是否合模這個(gè)信號(hào)判斷,機(jī)械臂的當(dāng)前位置和當(dāng)前工通過graspHydroCooling和spurtOutModel等布爾變量判斷。③虛實(shí)同步。虛實(shí)同步是用物理車間的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬車間運(yùn)行,驅(qū)動(dòng)過程分為兩部分,包括狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和位姿數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。首先對(duì)數(shù)字孿生模型設(shè)定屬性、行為和子部件,并編寫python程序,對(duì)于壓鑄機(jī)和切邊設(shè)備利用布爾信號(hào)進(jìn)行去驅(qū)動(dòng),對(duì)于機(jī)械臂則用位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。如圖13所示,以轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂為例,驗(yàn)證第3節(jié)中虛實(shí)同步技術(shù),首先在上位機(jī)運(yùn)行OPC UA服務(wù)器,接著與數(shù)據(jù)庫(kù)連接交互將位姿數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)布出來,數(shù)字孿生平臺(tái)訂閱信號(hào),將關(guān)節(jié)參數(shù)數(shù)據(jù)與虛擬機(jī)械臂組件的關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng),驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的同步運(yùn)行。

圖13 壓鑄數(shù)字孿生單元和真實(shí)車間映射

最后,通過數(shù)字孿生壓鑄單元監(jiān)控方法的應(yīng)用,基本實(shí)現(xiàn)了壓鑄制造的虛實(shí)交互、同步運(yùn)行,以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化,完成了對(duì)壓鑄單元生產(chǎn)過程全要素、全流程的監(jiān)控功能。

4.2 壓鑄質(zhì)量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征工程

(1)壓鑄數(shù)據(jù)描述。面對(duì)壓鑄生產(chǎn)過程中大量數(shù)據(jù)無法進(jìn)行有效用的問題,利用本文方法,從壓鑄過程監(jiān)控?cái)?shù)字孿生系統(tǒng)中提取到一些壓鑄特征參數(shù)數(shù)據(jù),該套工藝數(shù)據(jù)共計(jì)包括18 560條數(shù)據(jù),由壓鑄機(jī)工藝數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)組成。數(shù)據(jù)集中特征維度為22維,包括升壓時(shí)間(ms)、鑄造壓力(MPa)、澆筑時(shí)間(s)、動(dòng)模溫度(℃)、鎖模力(MN)等。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征工程。

①數(shù)據(jù)預(yù)處理。分別采用拉格朗日插值法、統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)預(yù)覽法對(duì)缺失值、異常值、重復(fù)值進(jìn)行處理。缺失值即數(shù)據(jù)表格中每列的空缺部分,異常值即與正常數(shù)據(jù)相對(duì)較大的數(shù)據(jù),例如在鑄造壓力一列,鑄造壓力突然從57.5降到35.6。因?yàn)閴鸿T數(shù)據(jù)特點(diǎn)相近生產(chǎn)的工件工藝參數(shù)基本相同,所以處理重復(fù)數(shù)據(jù)占比最多。數(shù)據(jù)最終壓縮到9810條,數(shù)據(jù)預(yù)處理中數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是在特征工程之后進(jìn)行。

②特征工程。針對(duì)壓鑄質(zhì)量數(shù)據(jù)特點(diǎn),結(jié)合鑄件質(zhì)量的應(yīng)用場(chǎng)景,質(zhì)量預(yù)測(cè)結(jié)果可以作為壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化的參考,首先利用隨機(jī)森林得到使模型達(dá)到最優(yōu)的特征數(shù)量,然后利用相關(guān)性過濾選出對(duì)壓鑄件料餅厚度影響最大的特征因素。

利用隨機(jī)森林計(jì)算特征參數(shù)的重要性。將壓鑄質(zhì)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)輸入隨機(jī)森林模型中,計(jì)算每個(gè)特征的均方誤差得到每個(gè)特征參數(shù)的重要性分?jǐn)?shù),得到的結(jié)果如圖14所示。從特征減速位置開始,按照分?jǐn)?shù)從高到底的順序增加特征,增加一個(gè)特征就計(jì)算一次均方誤差,在增加完所有特征后,選擇均方誤差最小時(shí)的特征集合為結(jié)果。最終結(jié)果如圖15所示。

圖14 特征重要性分?jǐn)?shù) 圖15 不同特征數(shù)量的均方誤差

在上圖中,橫坐標(biāo)為特征數(shù)量,縱坐標(biāo)為均方誤差數(shù)值,特征數(shù)量從5開始,因?yàn)樾∮?時(shí)均方誤差過大。由圖15可知,當(dāng)特征數(shù)量為15時(shí),整個(gè)過程隨機(jī)森林計(jì)算的均方誤差最小,因此初步選擇特征重要性分?jǐn)?shù)前15個(gè)的特征,具體如表2所示。

表2 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于壓鑄生產(chǎn)特點(diǎn),所以壓鑄數(shù)據(jù)中的參數(shù)是非線性的,采用距離相關(guān)系數(shù)去準(zhǔn)確衡量特征和質(zhì)量指標(biāo)之間的相關(guān)性,經(jīng)過特征重要性選擇后,22種特征剩余15種,對(duì)15種特征計(jì)算與料餅厚度之間的距離相關(guān)系數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 各特征與料餅厚度之間的距離相關(guān)系數(shù)

由上表可知,壓鑄數(shù)據(jù)中有兩個(gè)決定性影響因素減速位置和升壓時(shí)間,其他特征的相關(guān)性均一般,將相關(guān)性小于0.05的特征剔除,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工人師傅經(jīng)驗(yàn),最終的特征選擇具體如表4所示。

表4 最終選擇的特征

根據(jù)基于時(shí)間的序列分析,將t-2時(shí)刻的料餅厚度作為t時(shí)刻鑄件的一個(gè)新特征以彌補(bǔ)信息缺失,在添加新特征后,并經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理。

對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,最終得到的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示。

表5 部分標(biāo)準(zhǔn)化后最終訓(xùn)練數(shù)據(jù)

4.3 壓鑄產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)結(jié)果分析

面對(duì)大量無法有效利用的壓鑄生產(chǎn)過程數(shù)據(jù),本文采用了一種方法,從數(shù)字孿生系統(tǒng)中提取了一組壓鑄特征參數(shù)數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理等步驟,我們得到了一個(gè)包含18 560條數(shù)據(jù)的工藝數(shù)據(jù)集,由壓鑄機(jī)工藝數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)組成。這個(gè)數(shù)據(jù)集包括23個(gè)特征維度,其中包括升壓時(shí)間(ms)、鑄造壓力(MPa)、澆筑時(shí)間(s)、動(dòng)模溫度(℃)、鎖模力(MN)以及t-1時(shí)刻的料餅厚度(mm)等等。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示,其中第一列代表加工順序的模次號(hào),最后一列是壓鑄產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo),即料餅厚度,而其余列則為工藝參數(shù)數(shù)據(jù)。料餅厚度對(duì)壓鑄產(chǎn)品有很大影響,厚度過薄時(shí)料餅中無高溫和流動(dòng)性較好的鋁液,無法向型腔傳遞壓力,容易造成產(chǎn)品縮孔、欠鑄等缺陷;而厚度過厚時(shí)會(huì)有浪費(fèi)原材料、料餅容易爆炸開裂,以及造成產(chǎn)品缺肉等問題。所以選擇料餅厚度作為質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),確保其在合理的范圍之內(nèi)。

對(duì)各個(gè)學(xué)習(xí)器進(jìn)行分別實(shí)驗(yàn)以使每個(gè)模型得到最優(yōu)超參數(shù)組合,結(jié)合交叉驗(yàn)證法和網(wǎng)格調(diào)參方法確定最優(yōu)參數(shù)。將所提模型與XGBoost、LGBM和TabNet模型進(jìn)行對(duì)比,以判斷所提模型的性能,驗(yàn)證方法有效性。所提模型及其他3種模型的預(yù)測(cè)值及預(yù)測(cè)誤差如表6所示。

表6 4種方法質(zhì)量預(yù)測(cè)對(duì)比表

Stacking集成的方法是首先建立多個(gè)不同類型的基學(xué)習(xí)器,初始數(shù)據(jù)集作為輸入訓(xùn)練得到每個(gè)基學(xué)習(xí)器的初級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果,然后將初級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果合并組成一個(gè)新的次級(jí)數(shù)據(jù)集,輸入構(gòu)建的一個(gè)元學(xué)習(xí)器,輸出最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。

文中模型和以上3種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果值與真實(shí)值折線圖如圖16所示,預(yù)測(cè)值和真實(shí)值的絕對(duì)誤差折線圖如圖17所示。可以看出,圓形標(biāo)記線大部分在三角標(biāo)記線附近,以及實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的絕對(duì)誤差大多在±2 mm之間,所提出的Stacking集成模型的絕對(duì)誤差小于其他3個(gè)單一模型,這也說明集成模型預(yù)測(cè)效果更加穩(wěn)健。

(a) LGBM (b) XGBoost

圖17 4種方法質(zhì)量預(yù)測(cè)殘差圖

為進(jìn)一步對(duì)比分析各方法的預(yù)測(cè)效果,本文采用決定系數(shù)(R2)和均方根誤差(RMSE)對(duì)本方法在壓鑄質(zhì)量預(yù)測(cè)場(chǎng)景中的效果進(jìn)行評(píng)估,由表7可知,Stacking集成預(yù)測(cè)方法的R2較XGBoost模型提高了5.2%,較LGBM提高了12.7%,較TabNet提高了8.1%,RMSE較上述3者分別降低了7.7%、22.6%、9.2%,提出的預(yù)測(cè)方法具有良好的預(yù)測(cè)性能。

表7 4種模型的R2和RMSE對(duì)比

在應(yīng)用所提出的預(yù)測(cè)方法之前,對(duì)于壓鑄質(zhì)量問題,只有在壓鑄完成后通過手動(dòng)檢查才能篩選出性能指標(biāo)合格的鑄件,不合格的鑄件應(yīng)進(jìn)行修理或報(bào)廢。應(yīng)用所提出的預(yù)測(cè)方法后,在壓鑄工藝階段,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集的特征數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)最終的壓鑄質(zhì)量。當(dāng)預(yù)測(cè)結(jié)果不符合性能指標(biāo)時(shí),我們可以提前干預(yù)壓鑄過程,從而大大減少鑄件維修和廢料的數(shù)量。

5 結(jié)論

在智慧工廠和智能制造不斷發(fā)展的背景下,本文針對(duì)壓鑄制造實(shí)時(shí)監(jiān)控困難和大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法有效利用等問題,提出一種基于數(shù)字孿生的壓鑄過程監(jiān)控和產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)方法,構(gòu)建了其完整的體系,實(shí)現(xiàn)了過程監(jiān)控和產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)。在參數(shù)化建模、數(shù)據(jù)管理、虛實(shí)同步和數(shù)據(jù)可視化4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,建立了數(shù)字孿生系統(tǒng),本文還基于孿生數(shù)據(jù)中的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù),利用機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)挖掘方法,提出一種基于Stacking集成產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了鋁合金壓鑄件質(zhì)量預(yù)測(cè),準(zhǔn)確率到達(dá)92.5%,壓鑄單元的數(shù)字孿生已應(yīng)用于企業(yè)。未來將在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)提高數(shù)字孿生體的規(guī)模和精度,進(jìn)一步完善質(zhì)量預(yù)測(cè)模型,基于孿生數(shù)據(jù)的分析發(fā)掘?qū)崿F(xiàn)車間智能決策等方面的研究。