基于Process Simulation 的工藝仿真能力建設(shè)研究

李增增

摘要：通過對Process Simulation軟件應(yīng)用于仿真風(fēng)電行業(yè)裝配工藝過程的分析和研究，闡述了本公司建設(shè)工藝仿真能力的基本流程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了加強工藝仿真能力建設(shè)的方式方法，著重于構(gòu)建加強工藝仿真能力建設(shè)的復(fù)用流程，致力于工藝仿真能力的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，使得工藝仿真能夠有效助推設(shè)計、工藝、制造一體的數(shù)字化雙胞胎和智能制造的快速實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：仿真風(fēng)電行業(yè) 裝配工藝 Process Simulation 工藝仿真能力

Research on Process Simulation Capability Construction Based on Process Simulation

LI Zengzeng

（Shanghai Electric Wind Power Group Co.，Ltd.， Shanghai， 200233 China）

Abstract： Through the analysis and research on the application of Process Simulation software to simulate the assembly process of wind power industry， this paper expounds the basic process of building process simulation capability and tries to find a better method to strengthen the building of process simulation capability. By constructing a reuse process to standardize process of process simulation， boosting the rapid realization of digital twins and intelligent manufacturing.

Key Words：Simulated wind power industry; Assembly process; Process Simulation; Process simulation capability

據(jù)統(tǒng)計，產(chǎn)品的裝配費用占據(jù)整個生產(chǎn)成本的30%-50%，乃至更高。在風(fēng)電機組的制造過程中，裝配也占據(jù)了重要的地位。以提高質(zhì)量和效率、降低成本為目標(biāo)，對產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行改進(jìn)和在規(guī)劃，是增強企業(yè)競爭力的重要環(huán)節(jié)。裝配過程中常見的問題包括零件裝配干涉、裝配順序有誤、工裝工具發(fā)生干涉、復(fù)雜工裝運動動作有誤、工具設(shè)備與環(huán)境沖突、人工操作空間不足等。傳統(tǒng)對于上述問題的解決即產(chǎn)品的裝配性驗證的方法主要為物理模式——試裝。風(fēng)機新產(chǎn)品開發(fā)時，普遍采用“樣機”驗證其可裝配性和實際性能，風(fēng)機樣機的試裝費用一般需要300-800萬，試裝時間2-8周不等，成本高，時間久。通過采用工藝仿真軟件對裝配工藝進(jìn)行仿真可以解決這些問題[1]。三維可視化裝配工藝仿真可以在計算機虛擬環(huán)境下，驗證裝配工藝可行性，優(yōu)化制造裝配工藝過程，盡早發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，減少現(xiàn)場重做和返工，提高產(chǎn)品的一次生產(chǎn)正確率[2]。同時，分析操作空間與人的身高與體重沖突等因素造成的操作使用問題，從人機工效的角度，解決產(chǎn)品設(shè)計的合理性、工藝可行性等問題，保護(hù)工人的人身安全和健康[3]。

工藝仿真在汽車、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用，有效證明了通過工藝仿真等可快速產(chǎn)品實現(xiàn)設(shè)計裝配運維全生命周期各環(huán)節(jié)的迭代優(yōu)化，從而提高研發(fā)效率，降低制造成本，縮短產(chǎn)品全生命周期[4]。

公司引進(jìn)Process Simulation（以下簡稱PS）軟件，對風(fēng)機整機車間裝配和風(fēng)場安裝整個裝配過程進(jìn)行仿真。目的就是降低樣機設(shè)計制造后端問題，縮短風(fēng)機設(shè)計制造及風(fēng)場安裝的整體時間，同時建設(shè)并加強公司內(nèi)部的工藝仿真能力，最終實現(xiàn)數(shù)字化樣機對物理樣機的替代[5]。本文通過對PS引進(jìn)和應(yīng)用的整個過程的分析和研究，探究加強工藝仿真能力建設(shè)的方式方法，并構(gòu)建加強工藝仿真能力建設(shè)的復(fù)用流程，致力于工藝仿真的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，使其有效助推設(shè)計、工藝、制造一體化的數(shù)字化雙胞胎和智能制造的快速實現(xiàn)[6]。

1工藝仿真能力建設(shè)的過程

本文以PS軟件為例，展現(xiàn)并分析公司裝配工藝仿真能力建設(shè)的過程。PS軟件作為目前主流的工藝仿真軟件，已經(jīng)被越來越多的公司引進(jìn)并應(yīng)用[7] 。

1.1軟件安裝

1.1.1 軟件安裝

Tecnomatix是一套全面的數(shù)字化制造解決方案組合，是Process Designerand Process Simulation（PDPS），Plant Simulation， Robcad等一系列軟件的合集。 Tecnomatix 一般有3層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)兩種形式，多層結(jié)構(gòu)主要是增加了Web服務(wù)器和其它服務(wù)器。如：域服務(wù)器等。目前國內(nèi)主要采用3層結(jié)構(gòu)，首先安裝Oracle（數(shù)據(jù)庫），然后安裝eMServer，最后安裝Client在操作人員電腦上。

PS軟件需要用到幾乎全部的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及制造工廠的設(shè)備資源等大量信息，軟件的安裝需要充分考慮到信息的保密性以及其與其他平臺、軟件的融合問題。本公司擁有專門的產(chǎn)品設(shè)計平臺，PS軟件需要架構(gòu)到該設(shè)計平臺，有助于實現(xiàn)設(shè)計和工藝仿真的協(xié)同化操作，當(dāng)然與此同時也增加了軟件安裝維護(hù)的難度。

1.2.2 基礎(chǔ)操作培訓(xùn)

本次仿真對風(fēng)機整機車間裝配和風(fēng)場安裝整個裝配過程進(jìn)行了仿真，需要設(shè)計、工藝、風(fēng)場工服各方協(xié)同。首先對人員進(jìn)行軟件的認(rèn)識和基礎(chǔ)操作進(jìn)行了培訓(xùn)，包括PS界面概述、PS建模、PS仿真操作、PS人因工程等方面的培訓(xùn)。培訓(xùn)前制定了合理的培訓(xùn)計劃，配合適度的練習(xí)，并輸出了培訓(xùn)考核表。

1.2 ? 需求調(diào)研

1.2.1仿真需求

仿真需要產(chǎn)品數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、裝配工藝流程文件、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、特殊要求等一系列資料。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)不僅包括公司自己設(shè)計的產(chǎn)品數(shù)模，甚至包括一些外購件的整體數(shù)模。本公司產(chǎn)品是以NX12.0的裝配方式提供，外購件以整體part的形式提供。

資源數(shù)據(jù)包括大量的標(biāo)準(zhǔn)工具數(shù)模、自制工裝工具數(shù)模、工廠布局圖（dwg格式）、特種設(shè)備和運輸設(shè)備的型號行程限位參數(shù)等。

標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范包含安全、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)及企業(yè)形象文化等方面的資料，例如公司工藝報表模板等。

特殊要求需要規(guī)定仿真的關(guān)鍵工藝過程和特殊零件的重點仿真等。公司樣機和量產(chǎn)時的工藝布局和使用資源有些區(qū)別，仿真特別要求需要進(jìn)行區(qū)分仿真。

1.2.2仿真實施計劃

仿真實施計劃包括總體計劃、月計劃、周計劃和與之相應(yīng)的實施方案。因本次仿真工作量巨大，月計劃和周計劃還區(qū)分了不同的模塊。

1.3數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

上文提及的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和資源數(shù)據(jù)以NX12.0的裝配方式或整體part的形式提供，這些均需要轉(zhuǎn)換成PS識別的格式。PS支持Co文件和JT文件，同時支持Xml文件;對于各種CAD文件，可通過轉(zhuǎn)換為JT文件為PS使用。

1.4工藝規(guī)劃

工藝規(guī)劃的過程和現(xiàn)實中的工藝規(guī)劃類似，需要在PDPS軟件中形成IPA樹。例如，本次仿真中，首先分為車間裝配和風(fēng)場安裝兩大塊（工廠級別的規(guī)劃）;接著，其中的車間安裝又分為機艙、輪轂、驅(qū)動鏈3個模塊（產(chǎn)線級別的規(guī)劃）;然后，其中機艙模塊又分為7個工位（工位級別的規(guī)劃）;最后的工藝仿真實質(zhì)就是進(jìn)行工序級別的仿真。

本次仿真每個模塊都需要1-2人協(xié)同操作，產(chǎn)品數(shù)據(jù)、廠級或產(chǎn)線級別的資源數(shù)據(jù)（例如行車）會被共用。為了避免單人誤操作導(dǎo)致的整體數(shù)據(jù)混亂，需要特別注意協(xié)同操作規(guī)范，故特別制定了多人協(xié)同實施規(guī)范并進(jìn)行了培訓(xùn)。

1.5工藝驗證

工藝驗證大體可以分為裝配工藝流程的驗證和人工操作的驗證這兩方面。兩者是可以分開建立仿真模型的，即可以先根據(jù)裝配工藝流程建立完整的仿真過程，然后再添加人工操作的仿真。

工藝驗證需要輸出仿真分析報告、干涉分析報告、工藝卡、工藝時序圖、過程問題記錄和人因工程學(xué)報告等，是驗證裝配工藝流程的實操階段，直接影響仿真的最終效果。

2加強工藝仿真能力的方法

工藝仿真能力建設(shè)的過程是從無到有的過程，基本的建設(shè)流程遵循一般的項目實施規(guī)律，但是當(dāng)和公司實際產(chǎn)品、實際業(yè)務(wù)等相融合時，會遇到各種不可預(yù)料的問題。上文中對于本公司在工藝仿真能力建設(shè)過程中的一般流程和特別注意事項做了較為完整的描述。

如同汽車行業(yè)用了差不多10年的時間才將工藝仿真輸出作為汽車廠房建設(shè)的必備要求之一一樣，風(fēng)電等其他類似的制造業(yè)也需要不斷加深對工藝仿真的應(yīng)用，不斷加強工藝仿真的能力，才能切實革新公司設(shè)計工藝和制造的方式，切實推進(jìn)向數(shù)字化企業(yè)轉(zhuǎn)換的變革[8]。

基于對本公司裝配仿真能力建設(shè)過程的分析和研究，本文以最終實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化為目標(biāo)，以最少投入為原則，提出5點加強工藝仿真能力的可行性建議：

2.1文檔資料的復(fù)用

在工藝仿真能力建立的各個階段，都需要使用文檔來記錄，它是被使用最多頻的一種記錄方式。是否能夠做到文檔資料的復(fù)用是工藝仿真能力強化、傳承、迭代的關(guān)鍵。

在安裝培訓(xùn)階段，需要形成《軟件安裝向?qū)А贰盾浖S護(hù)手冊》《PS仿真培訓(xùn)計劃》《培訓(xùn)考核表》等文檔資料;在需求調(diào)研階段，需要形成《需求調(diào)研計劃》《調(diào)研報告》《實施計劃》《實施方案》等文檔資料;在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，需要形成《數(shù)據(jù)類型與轉(zhuǎn)換》《數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范》等文檔資料;在工藝規(guī)劃階段，需要形成《多人協(xié)同實施規(guī)范》等文檔資料;在工藝驗證階段，需要形成《PS操作規(guī)范》《干涉分析報告》《工藝卡》《人體工程學(xué)報告》《過程問題記錄》等文檔資料。

針對文檔資料的復(fù)用：首先，通過構(gòu)建上述各種資料的標(biāo)準(zhǔn)化模板，保證文檔資料的記錄和傳承;然后，結(jié)合公司的文檔管理系統(tǒng)，將這文檔資料作為知識資源發(fā)布到公共平臺，達(dá)到文檔資料的復(fù)用和迭代。這樣，這些資料將會被長時間的保留，同時也可以被其他人員翻閱學(xué)習(xí)。

2.2數(shù)模資料的復(fù)用

數(shù)模資源的復(fù)用具有其特殊性，如上文所述數(shù)模資源主要包括產(chǎn)品數(shù)模和工具設(shè)備數(shù)模等。尤其是產(chǎn)品數(shù)模，涉及到保密性的問題，每個公司都會對其進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

針對數(shù)模資料的復(fù)用：首先，通過建立工藝資源庫，專門用于放置仿真所需要的工具設(shè)備的數(shù)模;然后，將工藝資源庫集成于設(shè)計平臺，成為設(shè)計平臺的補充部分。這樣，可以構(gòu)建設(shè)計工藝一體化的產(chǎn)品研發(fā)模式，設(shè)計人員也可以在設(shè)計時調(diào)用工具設(shè)備資源，保證其設(shè)計的可裝配性，同時工具設(shè)備數(shù)模和產(chǎn)品數(shù)模采取了同樣的管理模式，達(dá)到了保密性的要求。

2.3仿真操作過程的復(fù)用

對于基于某一產(chǎn)品開發(fā)的新產(chǎn)品，或是不同產(chǎn)品的裝配過程，都有大量的重復(fù)的安裝工藝流程。例如，在風(fēng)機整機的安裝過程中，螺栓的緊固過程和各部件吊裝過程都是會不斷重復(fù)的工藝過程。仿真操作過程的復(fù)用可以大大地減少這些重復(fù)過程地仿真工作。

針對仿真操作過程的復(fù)用：通過創(chuàng)建仿真標(biāo)準(zhǔn)工作流程，構(gòu)建合適顆粒度的仿真基本工藝流程作為模板，使其可以直接被新的仿真調(diào)用;借助PS軟件中自帶的人體標(biāo)準(zhǔn)姿勢庫等，建立裝配過程中常見的人體姿態(tài)，包括手部姿態(tài)等，后續(xù)也可以被直接調(diào)用。

2.4視頻資料的復(fù)用

視頻資料也存在于工藝仿真能力建立的各個階段，可以基本和文檔資料一一對應(yīng)。視頻資料的復(fù)用相比文檔資料，需要更大的存儲空間和更強的監(jiān)管（有些視頻資料的保密要求更高）。

針對視頻資料的復(fù)用：首先，需要保證工藝仿真能力建設(shè)的各個階段保留了足夠多的視頻資料，如果其比文檔資料更多，更有利于后續(xù)的加強建設(shè);然后，視頻資料歸屬仿真小組（或?qū)俨块T）管理，并通過制作成系列的微視頻進(jìn)行教學(xué)，不斷普及仿真的基本操作，提升全員的仿真能力，形成源源不斷的仿真人力資源池。

2.5仿真實施流程的復(fù)用

仿真實施流程的復(fù)用是所有階段的最后一環(huán)，實操才會出結(jié)果，有效的實操才能充分運用仿真技術(shù)，為企業(yè)創(chuàng)造價值。

針對仿真實施流程的復(fù)用：首先，通過仿真實施過程的流程圖來展現(xiàn)仿真的整體操作流程，方便了解仿真的各個階段;然后，通過細(xì)分各個階段的輸入或輸出，保證仿真實施過程的高效性、完整性和有用性;最后，通過仿真實施過程的記錄表來監(jiān)督仿真的實操過程，確保按時得到有效的輸出物。

3工藝仿真的擴(kuò)展應(yīng)用

工藝仿真的充分應(yīng)用是實現(xiàn)數(shù)字雙胞胎技術(shù)的前提。數(shù)字雙胞胎技術(shù)通過傳感器和實況顯示屏實時檢查裝配情況、裝配數(shù)據(jù)、事故點位[9]。一方面，可以用于可視化指導(dǎo)裝配操作，操作報錯，實現(xiàn)“傻瓜式”裝配;另一方面，可以基于人工智能進(jìn)行事故原因分析，最終實現(xiàn)精準(zhǔn)裝配和維護(hù)[10]。所以，不斷加強工藝仿真能力建設(shè)，不斷深化工藝仿真的應(yīng)用有助于加快實現(xiàn)企業(yè)的數(shù)字化和工廠的智能化的進(jìn)程。

4結(jié)語

通過應(yīng)用包括工藝仿真等在內(nèi)的數(shù)字化技術(shù)手段，有助于企業(yè)將后期物理驗證轉(zhuǎn)換成前期虛擬驗證降低制造成本，有助于企業(yè)充分利用前端后端數(shù)據(jù)提高研發(fā)有效性，有助于企業(yè)建立實時監(jiān)測控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制和維護(hù)，是未來企業(yè)發(fā)展的必由之路。

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