汽車用微電機(jī)齒輪裝配工位數(shù)字孿生系統(tǒng)研究

【摘" 要】為了解決某汽車用微電機(jī)的齒輪裝配工位因壓頭壓力過大、過小和無壓力導(dǎo)致的各種品質(zhì)問題，文章提出建立數(shù)字孿生系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠?qū)崟r展現(xiàn)實(shí)物工位的運(yùn)行狀況和壓頭的位移和壓力值，能對壓力值異常情況進(jìn)行故障報警和診斷。經(jīng)過一周的試驗測試，產(chǎn)品的合格率提升40%，達(dá)到99%以上，解決因大量不合格品的返修而造成的時間和成本的浪費(fèi)問題，說明數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用能夠大大提升智能制造的水平，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)和效率的提升，最終使得成本降低。

【關(guān)鍵詞】汽車用微電機(jī);齒輪裝配;數(shù)字孿生系統(tǒng)

中圖分類號：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0032-03

Research on Digital Twin System for Automotive Micro Motor Gear Assembly Station

LI Feng，HUANG Jinyong，HU Wanli

（Changsha Ruibote Technology Co.，Ltd，Changsha 410135，China）

【Abstract】In order to solve various quality problems caused by excessive，insufficient，and no pressure in the gear assembly station of a certain automotive micro motor，the article proposes to establish a digital twin system that can display the real-time operation status of the physical station，the displacement and pressure value of the pressure head，and provide fault alarms and diagnosis for abnormal pressure values. After a week of experimental testing，the qualification rate of the product has increased by 40%，reaching over 99%，solving the problem of time and cost waste caused by the repair of a large number of unqualified products. This indicates that the application of digital twin systems can greatly improve the level of intelligent manufacturing，achieve the improvement of product quality and efficiency，and ultimately reduce costs.

【Key words】automotive micro motors;gear assembly;digital twin system

作者簡介

李峰（1974—），男，研究方向為汽車電器零部件自動化非標(biāo)設(shè)備研發(fā)與產(chǎn)線制造。

隨著數(shù)字技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今社會已經(jīng)進(jìn)入萬物互聯(lián)的社會。隨著中國制造工業(yè)的發(fā)展，智能制造和智能工廠已經(jīng)成為當(dāng)今中國制造業(yè)發(fā)展的重要方向。數(shù)字孿生技術(shù)作為對物理世界的數(shù)字化拷貝，對于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造意義重大[1]。數(shù)字孿生能夠構(gòu)建一個與物理世界一致的模型，通過數(shù)據(jù)采集、處理和交互應(yīng)用實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中模擬物理世界的行為，監(jiān)控和反映物理世界的變化，評估和診斷物理世界出現(xiàn)的問題，甚至優(yōu)化和改進(jìn)物理世界，能夠突破很多物理世界的限制，以交互式界面展示物理世界[2]，因此在當(dāng)今智能制造領(lǐng)域已經(jīng)成為熱門，很多企業(yè)都建立了數(shù)字孿生智能化工廠。在汽車制造領(lǐng)域，每個零件特別是電器件裝配工序多，品質(zhì)要求高，一旦一個工序出現(xiàn)問題就會導(dǎo)致整個零件的報廢。因此如果能夠融合數(shù)字孿生技術(shù)與汽車零件制造，在虛擬世界中復(fù)現(xiàn)整個制造過程，并且能夠顯示整個裝配過程的狀態(tài)信息，根據(jù)這些信息診斷實(shí)物制造過程的問題，并對異常情況進(jìn)行及時預(yù)警處理，避免損失，意義非常大。本文選取某款汽車使用的微電機(jī)齒輪裝配工序為研究對象，研究如何建立整個裝配工序的數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)，能夠?qū)崟r模擬整個工序的裝配過程，同時能夠?qū)Ξ惓栴}進(jìn)行實(shí)時診斷和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對整個制造過程的智能診斷，提升智能智造的品質(zhì)和效率。

1" 汽車用微電機(jī)齒輪裝配工序介紹

微電機(jī)在汽車上有著廣泛的應(yīng)用（如雨刮器、鼓風(fēng)機(jī)、電動座椅和電動天窗等），主要用于執(zhí)行傳感器和傳動件的動作，通過裝配一個齒輪與活動部件相連來實(shí)現(xiàn)動作。齒輪和電機(jī)是2個獨(dú)立的零件，需要在電機(jī)生產(chǎn)線上先進(jìn)行壓裝才能實(shí)現(xiàn)齒輪與電機(jī)的相連。齒輪壓裝實(shí)物如圖1所示，從圖中可以看出，齒輪是通過電缸機(jī)壓裝在電機(jī)上的，其壓裝的工藝工序為首先將齒輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)輸至工位的指定位置，然后通過夾具抓手將齒輪運(yùn)至電機(jī)轉(zhuǎn)子的正上方，電缸機(jī)的壓頭下降插入齒輪中，下面的電機(jī)轉(zhuǎn)子被下面的托盤頂升起來，并且齒輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子對好后，電缸機(jī)下壓，將齒輪壓裝至電機(jī)轉(zhuǎn)子上。齒輪壓裝完成后，電缸機(jī)壓頭和下面托盤歸位，然后裝配好的電機(jī)齒輪將運(yùn)輸至下一個工位，不斷重復(fù)上述工序，不斷完成電機(jī)與齒輪的裝配。

2" 數(shù)字孿生系統(tǒng)建立

2.1" 數(shù)字孿生系統(tǒng)建立的目標(biāo)

微電機(jī)在壓裝齒輪的過程中容易出現(xiàn)電缸機(jī)壓力過大、過小等問題，當(dāng)壓力過大時，很容易壓壞電機(jī)轉(zhuǎn)子，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子失效，當(dāng)壓力過小時，容易出現(xiàn)齒輪壓裝不到位，壓裝產(chǎn)品品質(zhì)不過關(guān)的問題[3]。為了解決齒輪壓裝過程中的問題，本文通過數(shù)字孿生技術(shù)在虛擬計算機(jī)世界中建立一個與物理世界一樣的微電機(jī)齒輪壓裝工位數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在仿真環(huán)境中展示齒輪裝配的全過程，以及對齒輪裝配的全過程模擬。通過在齒輪裝配工位裝配壓力傳感器、位移傳感器和PLC信號采集等措施實(shí)現(xiàn)實(shí)物信息與系統(tǒng)信息的實(shí)時傳遞，建立起交互式界面，實(shí)時展示裝配過程中的數(shù)據(jù)，比如壓頭壓力。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時診斷，如果此工位出現(xiàn)故障或者異常情況將會實(shí)時得到預(yù)警和診斷，操作人員將及時進(jìn)行現(xiàn)場處理，以便避免品質(zhì)問題發(fā)生、停機(jī)停線等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)的提升。數(shù)字孿生系統(tǒng)的建立分為6個部分，主要包括：數(shù)字孿生系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊設(shè)計、數(shù)字孿生模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)可視化模塊設(shè)計和故障診斷模塊設(shè)計等。

2.2" 數(shù)字孿生系統(tǒng)需求分析

為了實(shí)現(xiàn)故障診斷的目標(biāo)，首先需要完成各模塊的需求分析。各模塊需求如下：①數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊需要完成的任務(wù)是采集裝配工位的實(shí)時數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸至其他模塊，在數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中必須保持高效運(yùn)行;②數(shù)字孿生模塊需要將裝配工位的物理信息、運(yùn)行規(guī)則等進(jìn)行虛擬映射，并且在此系統(tǒng)中建立一個完全一樣的三維模型，并且在三維模型中能夠展示實(shí)時工作狀態(tài);③數(shù)據(jù)可視化模塊能夠?qū)崟r展示裝配工位的各種數(shù)據(jù)，比如能夠?qū)侯^的力以折線圖的形式展示;④故障診斷模塊能夠?qū)の坏难b配過程故障進(jìn)行診斷，將診斷模型數(shù)據(jù)融入到可視化界面進(jìn)行展示，發(fā)生故障立馬報警，展示相關(guān)數(shù)據(jù)以方便決策。

2.3" 數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

整個數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)由物理實(shí)體模塊、數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊、仿真模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊等4部分組成。數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。物理實(shí)體模塊的PLC和傳感器實(shí)時采集裝配工位的數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)傳輸和處理模塊傳遞給仿真模塊。仿真模塊在虛擬世界中構(gòu)建出與實(shí)物模塊一致的數(shù)字孿生模塊，實(shí)時展示工位的運(yùn)動狀態(tài)，同時數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給可視化模塊，可視化模塊實(shí)時展示抽頭的力等故障診斷的信息。一旦出現(xiàn)異?；蚬收?，故障診斷模塊及時展示故障信息和報警，此時工人將及時采取措施對故障進(jìn)行處理，直至整個工位的裝配達(dá)到正常。

2.4" 數(shù)字孿生系統(tǒng)各模塊設(shè)計

2.4.1" 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊由設(shè)備層、傳輸層和應(yīng)用層3個部分組成。

設(shè)備層是安裝在齒輪裝配工位的PLC和各傳感器，這些物理器件構(gòu)成了整個采集與傳輸模塊的主體，被安裝在各個數(shù)據(jù)采集位置實(shí)時采集和傳輸整個工序運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)。本工序設(shè)備層包括伺服壓機(jī)、位移傳感器和壓力傳感器。

傳輸層主要作用是實(shí)時采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸，連接著物理世界和信息世界。傳輸層首先需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以避免數(shù)據(jù)的各種缺陷和問題出現(xiàn)。工業(yè)網(wǎng)關(guān)構(gòu)成了整個傳輸層的核心，實(shí)時采集到的傳感器信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，模擬電信號再經(jīng)過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)到傳輸層的工業(yè)網(wǎng)關(guān)，工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)時存儲這些數(shù)據(jù)。齒輪裝配工位的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)主要使用OPC UA數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議通過傳輸層進(jìn)行實(shí)時采集和傳輸。這些數(shù)據(jù)利用MQTT數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議經(jīng)5G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)近距離傳輸?shù)奖镜胤?wù)器的數(shù)據(jù)庫中。

應(yīng)用層將獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)用于數(shù)字孿生模型，數(shù)字孿生模型根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時更新工位的運(yùn)行狀態(tài)，并將運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳遞至故障診斷模型，實(shí)現(xiàn)對齒輪裝配工位的實(shí)時故障與情況診斷和監(jiān)控。

2.4.2" 數(shù)字孿生模塊設(shè)計

數(shù)字孿生模塊的設(shè)計首先要根據(jù)實(shí)物模型完成虛擬三維模型的設(shè)計，然后將這些虛擬三維模型導(dǎo)入到數(shù)字孿生專業(yè)設(shè)計軟件中，完成數(shù)字孿生模型的設(shè)計，建立的數(shù)字孿生模型如圖3所示。在數(shù)字孿生模型中，需將物理世界的信息和運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時傳輸至各運(yùn)行工序中，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真模擬，查看虛擬狀態(tài)是否和實(shí)物狀態(tài)一致。通過調(diào)試和修正，最終完成數(shù)字孿生模型的設(shè)計，并且保證數(shù)字孿生模型與真實(shí)狀態(tài)一致。

2.4.3" 監(jiān)控與故障診斷模塊設(shè)計

根據(jù)以往的裝配數(shù)據(jù)，齒輪裝配的故障類型有壓入力超過上限、壓入力低于下限、無壓入力、壓入力很小和初始壓入力過大，每種故障有其對應(yīng)的故障原因。首先將這些故障類型和故障原因全部寫入故障診斷數(shù)據(jù)庫中，作為故障診斷的依據(jù)，然后設(shè)計故障診斷流程。

故障診斷流程為：首先將裝配工位的實(shí)時數(shù)據(jù)采集并上傳到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)時數(shù)據(jù)不斷與保存的故障模型樣本進(jìn)行比較。如果這些數(shù)據(jù)不是故障數(shù)據(jù)，工位將正常進(jìn)行;如果數(shù)據(jù)診斷為故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)則停止運(yùn)行，并報警提示系統(tǒng)有故障并判斷出故障類型，提示相關(guān)信息給工作人員，工作人員根據(jù)這些信息進(jìn)行維修決策。

根據(jù)以上診斷流程，最終建立的CWAFCM-SMOTE-RF建模流程圖如圖4所示。模型具體的構(gòu)建流程為：①在數(shù)據(jù)預(yù)處理中對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，將不合格的異常數(shù)據(jù)去除，提取最合適的數(shù)據(jù)放進(jìn)數(shù)據(jù)庫中，建立最優(yōu)的原始數(shù)據(jù)集;②利用CWAFCM算法對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行處理，將其進(jìn)行聚類以獲得不同的聚類中心;③過采樣，使用SMOTE算法對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行再一次采用，增加樣本數(shù)量，豐富數(shù)據(jù)樣本數(shù)量，使數(shù)據(jù)集更加豐富和平衡;④使用隨機(jī)森林對數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，并且還通過網(wǎng)格搜索算法優(yōu)化模型的參數(shù)，獲得準(zhǔn)確的模型分類結(jié)果;⑤模型評估，通過模型對結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，然后將模型預(yù)測結(jié)果與模型的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證模型的準(zhǔn)確性。

2.4.4" 數(shù)據(jù)可視化模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)可視化模塊的設(shè)計主要是將齒輪裝配工位的實(shí)時數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生系統(tǒng)的故障診斷數(shù)據(jù)實(shí)時地展現(xiàn)出來。如果實(shí)際工位出現(xiàn)異常或者故障，可視化界面（曲線）將立馬顯示相關(guān)故障情況并報出故障的原因、類型等信息給工作人員。數(shù)據(jù)可視化模塊如圖5所示，上部窗口主要顯示各種數(shù)據(jù)名稱和結(jié)果，中間窗口顯示選中數(shù)據(jù)的結(jié)果曲線，下部窗口主要是進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置和選擇等。

3" 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用實(shí)物試驗

為了檢驗數(shù)字孿生系統(tǒng)的效果，在某工廠建立了微電機(jī)的數(shù)字孿生實(shí)物測試生產(chǎn)線，將此數(shù)字孿生系統(tǒng)與此生產(chǎn)線的齒輪裝配工位相連，其實(shí)物測試模型如圖2所示。經(jīng)過長達(dá)一周的測試運(yùn)行，共采集了1萬多條數(shù)據(jù)。在這1萬多條數(shù)據(jù)中，正常的數(shù)據(jù)樣本條數(shù)是5800條，壓力超過上限值的數(shù)據(jù)樣本是2300多條，壓力超過下限值的數(shù)據(jù)樣本是960多條，無壓入力或者壓入力很小的數(shù)據(jù)樣本是1025條，微電機(jī)齒輪裝配過程中故障率達(dá)到了42.85%。如果不進(jìn)行處理，流到下一個工序直至成品，將會有42.85%的齒輪裝配不達(dá)標(biāo)，必須將其全部返工重新裝配，耗費(fèi)大量工時，效率大大降低，造成很大的成本浪費(fèi)。但是裝上數(shù)字孿生系統(tǒng)后，齒輪裝配的壓力異常導(dǎo)致的裝配品質(zhì)問題都得到了及時的報警和故障診斷。工作人員根據(jù)故障診斷信息及時進(jìn)行故障問題處理，重新壓裝直至壓裝合格，保證到達(dá)下一個工序的產(chǎn)品合格，品質(zhì)合格率提高至99%以上，不合格品下降了40%以上，解決了大量不合格品的返修而造成的工時和成本浪費(fèi)，大大提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率、產(chǎn)品合格率和產(chǎn)品品質(zhì)，降低了制造成本。

4" 結(jié)論

本文以某汽車用微電機(jī)的齒輪裝配工位為研究對象，建立起與之完全相同的數(shù)字孿生系統(tǒng)。在虛擬空間中實(shí)時展現(xiàn)出了實(shí)物工位的裝配狀況，同時通過數(shù)據(jù)處理和故障診斷，在數(shù)字孿生系統(tǒng)的可視化平臺中展現(xiàn)出齒輪裝配工位的位移和壓力狀況，對于有異常的故障進(jìn)行實(shí)時報警和故障診斷處理。通過測試驗證，產(chǎn)品的合格率達(dá)到99%，大大提升了齒輪裝配工位的效率和品質(zhì)，降低了返修成本。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2024-03-03