面向智能辊压成形系统的多维数字孪生体构建方法研究.pdfVIP

摘要

随着工业4.0时代的到来，制造业正面临从传统制造向数字化、智能化转型的

巨大挑战与机遇。辊压成形工艺作为制造领域中的关键技术，通过顺序排列的多道

次成形模具逐渐将金属板材或卷材弯曲成特定断面的型材。由于工序复杂、材料性

能不均、设备信息化程度低等问题，产品质量难以预测，生产调试高度依赖人工经

验，调试周期长，成品率不稳定。

数字孪生技术，作为制造业智能化转型的重要支撑，为辊压成形的智能化提供

了一种全新的思路。本文聚焦于辊压成形装备的智能化升级，深入探索多维数字孪

生体的构建方法。通过分析辊压成形的特点，设计了一种面向辊压成形工艺的六维

数字孪生模型，通过构建一个包括物理层、虚拟层、数据层、连接层、应用层及专

家层的六维数字孪生系统，实现对辊压成形过程的远程监控、深度感知、精准控制

和持续优化，为辊压成形工艺提供全面的数字化解决方案。本文主要工作如下：

（1）构建了一套整合多种通信协议的网络通信与数据采集架构，将辊压成形中

的离散数据进行采集，筛选，集成，储存和分析，有效处理辊压成形车间内的传感

器、图像等多源异构数据。

（2）在Unity环境中构建辊压成形车间的虚拟三维场景，实现辊压成形生产过

程的远程监控，开发基于UnityUI与VR技术的人机交互界面，提高数字孪生系

统的可视化和交互性。基于台达PLC的集成开发环境与Unity构建数字孪生控制

子系统，通过5G无线网络完成49个伺服电机在40ms延迟内的虚实双向控制。

（3）设计利用自动化检测设备快速构建和积累辊压成形数据的专家知识库，采

用正交试验设计，针对帽形件的回弹问题设计了144组实验，涵盖了不同材料和

工艺参数的变化。

（4）提出了数字孪生驱动的辊压成形自适应回弹控制方法来替代人工经验，在

上述功能构建的基础上使用SAPSO-SVR和蝙蝠算法对帽形件的回弹控制进行测

试，两个弯角的回弹量分别降低了0.17°和0.44°，证明了该方法的可行性。

本研究将数字孪生技术融入智能辊压成形系统，构建了覆盖生产全过程的智

能监控与优化体系。该系统实现了数据可视化、多维监控、故障告警和人机交互等

功能，显著提升了工艺参数优化能力和产品质量控制精度，缩短了调试周期，提高

了成品率，降低了生产成本，为辊压成形工艺的智能化转型提供了可行的解决方案。

关键词：辊压成形，数字孪生，三维监控，专家系统

ABSTRACT

Withtheadventoftheindustry4.0era,themanufacturingindustryisfacing

significantchallengesandopportunitiesintransitioningfromtraditionalmanufacturing

todigitizedandintelligentprocesses.Rollforming,asakeytechnologyinthe

manufacturingfield,graduallybendssinglemetalsheetsorcoilsusingsequentially

arrangedmultiple-stageformingtoolstoproducemetalprofileswithspecificcross-

sections.However,thecomplexityofthisprocess,alongwiththeunevennessofmaterial

thicknesspropertiesandthelowdegreeofequipmentinformatization,makesitdifficult

topredictproductquality,leadingtoaheavyrelianceonmanualexperiencefor

productiondebugging,resultinginlongdebuggingcyclesandunstableyieldrates.