工業(yè)仿真賦能平臺(tái)探索

趙幼芳，周藍(lán)海

（1.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410151；2.金蝶中國(guó)長(zhǎng)沙研發(fā)中心，長(zhǎng)沙 410151）

0 引言

傳統(tǒng)制造企業(yè)在前三次工業(yè)革命中圍繞材料、裝備、方法、測(cè)量和維護(hù)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，往往忽略了人的經(jīng)驗(yàn)因素。隨著工業(yè)數(shù)字化技術(shù)的逐步深入，越來(lái)越多的企業(yè)意識(shí)到數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新、生產(chǎn)制造，以及原材料供應(yīng)、銷售和市場(chǎng)相關(guān)的系列活動(dòng)中，通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真、工藝流程仿真、生產(chǎn)系統(tǒng)仿真、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)警降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，尤其在節(jié)約研發(fā)經(jīng)費(fèi)、縮短上市周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面取得顯著成效。在創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的新發(fā)展理念指引下，我國(guó)正積極推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，引導(dǎo)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。企業(yè)生存之道在于洞察數(shù)據(jù)本質(zhì)，從技術(shù)視角來(lái)看，數(shù)字技術(shù)發(fā)展從萬(wàn)物互聯(lián)的泛在化、虛實(shí)互動(dòng)的無(wú)界化、算力算法的平臺(tái)化、軟件定義的服務(wù)化，到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景化，技術(shù)支撐和業(yè)務(wù)落地雙輪驅(qū)動(dòng)。

2021年4月工信部發(fā)布《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》征求意見(jiàn)稿，提出要以新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合為主線，加快構(gòu)建智能制造發(fā)展生態(tài)，特別提到要加強(qiáng)自主供給，壯大產(chǎn)業(yè)體系新優(yōu)勢(shì)，合力發(fā)展工業(yè)軟件。中國(guó)工程院柴天佑院士強(qiáng)調(diào)：“如果能夠把全自動(dòng)軟件工程平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和智能化的工業(yè)軟件結(jié)合起來(lái)，有望加快我們國(guó)家在下一輪競(jìng)爭(zhēng)中的步伐?！痹谶@一背景下本文嘗試進(jìn)行工業(yè)仿真軟件平臺(tái)化實(shí)踐。

1 工業(yè)仿真的基本含義

智能制造是一個(gè)不斷演進(jìn)的大系統(tǒng)，涵蓋了產(chǎn)品、制造、服務(wù)全生命周期中所涉及的理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用[1]。數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造與仿真以實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)為目標(biāo)，以計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)為基礎(chǔ)，以數(shù)字化信息為輔助手段，進(jìn)行產(chǎn)品建模、分析、修改、優(yōu)化，以及生成設(shè)計(jì)、工藝文檔的技術(shù)。工業(yè)仿真技術(shù)應(yīng)用涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃和制造執(zhí)行多個(gè)環(huán)節(jié)，其業(yè)務(wù)范圍如圖1所示，特點(diǎn)如下：1）行業(yè)繁雜，流程行業(yè)和離散行業(yè)有39個(gè)工業(yè)大類，191個(gè)中類和525個(gè)小類；2）專業(yè)繁多，涉及機(jī)械、電子、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、流體、熱處理等眾多專業(yè)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)；3）工藝復(fù)雜，涉及研發(fā)、生產(chǎn)、營(yíng)銷、運(yùn)維、供應(yīng)鏈、設(shè)備、測(cè)量、質(zhì)量、安全等多環(huán)節(jié)；4）產(chǎn)品復(fù)雜，航空、高鐵等高端產(chǎn)品復(fù)雜度大，比如空客380具有600多萬(wàn)個(gè)零件；5）實(shí)時(shí)可靠，數(shù)據(jù)可靠性的差錯(cuò)可能帶來(lái)成本、安全性的巨大犧牲；6）協(xié)作困難，比如，波音747由6個(gè)國(guó)家的16 500家大中小企業(yè)協(xié)作生產(chǎn)。盤活全產(chǎn)業(yè)鏈，突破地域、文化、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)及企業(yè)、工廠、車間、部門間壁壘尤為重要。

圖1 工業(yè)仿真業(yè)務(wù)范圍

2 工業(yè)仿真的業(yè)務(wù)瓶頸

工業(yè)仿真作為工業(yè)生產(chǎn)制造中必不可少的首要環(huán)節(jié)，被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。新技術(shù)與傳統(tǒng)制造的結(jié)合催生了大量新型應(yīng)用，如數(shù)字孿生、工業(yè)智能，利用模型推理、復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中事件發(fā)生的本質(zhì)過(guò)程，對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)來(lái)保證物理系統(tǒng)的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性和正確性。工業(yè)仿真技術(shù)的引入，使工業(yè)設(shè)計(jì)的手段和思想發(fā)生質(zhì)的飛躍，對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及人們的觀念產(chǎn)生巨大影響，但其過(guò)高的技術(shù)門檻和資金投入嚴(yán)重制約了其產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）技術(shù)門檻高。仿真系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，需具備豐富經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)背景的工程師才能獲得可信結(jié)果。

2）仿真時(shí)間長(zhǎng)。在工作站上運(yùn)行某些仿真業(yè)務(wù)，時(shí)間開(kāi)銷從幾小時(shí)到幾個(gè)月不等，難以滿足業(yè)務(wù)進(jìn)度要求。

3）培訓(xùn)周期長(zhǎng)。仿真模型包括物理、數(shù)學(xué)、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)和離散的各種模型，業(yè)務(wù)知識(shí)和軟件操作缺一不可，專業(yè)人才培養(yǎng)成本高。

4）閉環(huán)追溯困難。不同人員對(duì)業(yè)務(wù)和系統(tǒng)的理解不同，仿真結(jié)果千差萬(wàn)別，且采用工具仿真軟件，隨著人員調(diào)動(dòng)或者流失，之前的仿真數(shù)據(jù)重用度低，業(yè)務(wù)閉環(huán)困難。

5）知識(shí)體系困擾。大多從事仿真技術(shù)的人員認(rèn)為這門學(xué)科還沒(méi)建立完善和清晰的知識(shí)體系，仿真建模技術(shù)的運(yùn)用還停留在自主發(fā)揮階段，仿真知識(shí)難以優(yōu)化、沉淀、分享。

6）切斷無(wú)形“卡脖子”之手。對(duì)于高端仿真軟件，研發(fā)周期長(zhǎng)，而某些國(guó)家對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行封鎖禁售，嚴(yán)重阻礙中國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，成為中國(guó)高端制造最薄弱的環(huán)節(jié)之一。

可見(jiàn)，工業(yè)仿真軟件體系復(fù)雜、涉及面廣、門類眾多，面臨較多的產(chǎn)業(yè)瓶頸，需要降低使用門檻，夯實(shí)基礎(chǔ)，場(chǎng)景化應(yīng)用牽引，依托賦能平臺(tái)促進(jìn)業(yè)務(wù)需求和仿真技術(shù)結(jié)合，全面推動(dòng)仿真產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)，強(qiáng)化知識(shí)沉淀，通過(guò)數(shù)字技術(shù)為勞動(dòng)賦能，繁榮仿真生態(tài)[2]。

3 工業(yè)仿真賦能平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是工業(yè)全要素鏈接的樞紐，是工業(yè)資源配置的核心，以智能技術(shù)為主要支撐，打通設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、流通、消費(fèi)與服務(wù)各環(huán)節(jié)，其核心在“工業(yè)”，而非“軟件”。從工具到系統(tǒng)，經(jīng)歷了工具軟件、系統(tǒng)平臺(tái)、云化部署和工業(yè)互聯(lián)4個(gè)階段，分別滿足企業(yè)單點(diǎn)需求，多場(chǎng)合協(xié)同、供應(yīng)鏈協(xié)同，深度數(shù)字化業(yè)務(wù)場(chǎng)景，最終以工業(yè)APP融合物聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行全方位呈現(xiàn)。仿真賦能在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，一方面將仿真知識(shí)和場(chǎng)景化應(yīng)用進(jìn)行深度集成；另一方面，整個(gè)仿真業(yè)務(wù)需要轉(zhuǎn)型為標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、自動(dòng)化和智能化的模式，利用云計(jì)算的可伸縮性及虛擬化技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)變得可行[3]。弱化工業(yè)仿真軟件的工具屬性，依托賦能平臺(tái)，提供泛在而無(wú)形的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 工業(yè)仿真賦能平臺(tái)

4 工業(yè)仿真賦能平臺(tái)試點(diǎn)驗(yàn)證

機(jī)械設(shè)計(jì)包括三大部分：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、尺寸鏈分析。統(tǒng)計(jì)資料表明，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)在產(chǎn)品總成本中只占5%，但產(chǎn)品總成本的70%卻是在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段內(nèi)確定的，這里面65%以上成本是由公差決定的。尺寸鏈分析也稱為公差仿真，公差仿真通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法，來(lái)仿真分析和評(píng)估在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，零部件的制造偏差和裝配工藝偏差是如何影響產(chǎn)品的各種“關(guān)鍵產(chǎn)品特征”，可以幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員分析和評(píng)估某個(gè)零部件、工藝和工裝是否能夠滿足既定設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝來(lái)確保最終的產(chǎn)品制造質(zhì)量。一般包含長(zhǎng)度尺寸鏈、角度尺寸鏈、裝配尺寸鏈、零件尺寸鏈和工藝尺寸鏈幾種類型，支持線性、平面、空間、運(yùn)動(dòng)或多物理場(chǎng)情況下的尺寸鏈分析。

從業(yè)界高端公差仿真軟件來(lái)看，主要有德國(guó)西門子的VSA軟件，法國(guó)達(dá)索的3DCS，美國(guó)CREO的集成軟件CETOL等。以VSA舉例說(shuō)明一下：通過(guò)建立產(chǎn)品和安裝工藝的3D虛擬裝配接觸鏈模型，來(lái)自動(dòng)確立產(chǎn)品的尺寸鏈裝配函數(shù)，并進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，來(lái)仿真分析和優(yōu)化產(chǎn)品尺寸鏈里的公差分配和定位安裝方案，可以在零部件和工裝制造之前就預(yù)測(cè)出在后續(xù)的制造和裝配階段是否會(huì)出現(xiàn)尺寸問(wèn)題。其操作過(guò)程：首先在MOCKUP通過(guò)導(dǎo)入三維CAD模型數(shù)據(jù)，定義基準(zhǔn)特征和公差，確定裝配順序進(jìn)行裝配約束，定義測(cè)量，運(yùn)行仿真并輸出結(jié)果。為了保證分析結(jié)果的可靠性和科學(xué)性，需在VSA中輸入以下數(shù)據(jù)：1）定位基準(zhǔn)策略和坐標(biāo)；2）裝配方式；3）裝配流程順序；4）初始公差值；5）制造工藝能力；6）初始尺寸質(zhì)量目標(biāo)；7）初始測(cè)量計(jì)劃；8）零件與組件的數(shù)模；9）原始制造數(shù)據(jù)等。其中每個(gè)環(huán)節(jié)的定義都需要符合現(xiàn)實(shí)情況，比如裝配方式，對(duì)于相同的零部件，若工裝精度、定位基準(zhǔn)和對(duì)位方式不一樣，裝配邏輯也是不一樣的，分析的結(jié)果往往千差萬(wàn)別。如果涉及其他偏差源，比如機(jī)械變形、熱變形、動(dòng)力、運(yùn)動(dòng)、材料等因素，還需要跟第三方系統(tǒng)，如機(jī)構(gòu)仿真、強(qiáng)度分析、應(yīng)力分析等系統(tǒng)進(jìn)行集成應(yīng)用，具有一定的技術(shù)門檻和專業(yè)能力。

同時(shí)，也可以看到隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的要求越來(lái)越高。以往可能是一個(gè)產(chǎn)品擁有某一項(xiàng)功能，或具有更先進(jìn)的工藝與材料，就能吸引到消費(fèi)者?，F(xiàn)階段同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，比如3C消費(fèi)類產(chǎn)品中的手機(jī)，除了功能需要達(dá)標(biāo)外，在外觀、手感、視覺(jué)、體驗(yàn)和舒適性等方面也有嚴(yán)格要求，日趨高端化、智能化。作為一種電子產(chǎn)品，其更新迭代的速度也是很快的，一般來(lái)說(shuō)3～6個(gè)月就會(huì)推出新一代產(chǎn)品。這種情況下，采用工具軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化，各種弊端就顯露出來(lái)了。

以某型號(hào)曲屏手機(jī)屏幕裝配工序?yàn)楸尘埃枋銎渲圃飙h(huán)節(jié)的公差仿真場(chǎng)景：曲屏手機(jī)的屏幕與中框之間通過(guò)密封膠黏結(jié)，存在膠縫過(guò)大、過(guò)小、偏移或不均勻的現(xiàn)象，影響成品手感質(zhì)量和外觀。其影響因素有：屏幕尺寸誤差、中框尺寸誤差、偏移裝配誤差、旋轉(zhuǎn)傾斜誤差和膠層厚度誤差等，其中膠層厚度誤差受裝配壓合力影響比較大，壓力大則膠層的厚度越薄，過(guò)大的壓合力又可能導(dǎo)致碎屏或應(yīng)力集中。膠縫異常需要對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行分析，明確裝配問(wèn)題根源所在，一般考慮端面間隙誤差、側(cè)面間隙誤差和圓角處間隙誤差就可以全面反映出屏幕與中框的間隙分布。以側(cè)面間隙為例，需要考慮的因素如圖3所示。

圖3 手機(jī)屏幕裝配公差影響因素

零部件進(jìn)入制造環(huán)節(jié)后，若出現(xiàn)批次質(zhì)量問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)操作工對(duì)來(lái)料情況、設(shè)備精度及操作比較熟悉，而對(duì)仿真過(guò)程難以掌握，就會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題隱患難以及時(shí)排除，存在停線風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)深入分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于既定的工位的裝配設(shè)備而言，如果設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、裝配工藝和裝配設(shè)備都確定的情況下，只有物料的公差會(huì)影響裝配良率，對(duì)一線操作者來(lái)說(shuō)，只需要關(guān)注物料公差和設(shè)備精度對(duì)良率的影響即可，而無(wú)需對(duì)整個(gè)尺寸鏈過(guò)程做詳細(xì)的了解，也無(wú)需深入學(xué)習(xí)尺寸鏈的基本原則。根據(jù)這個(gè)邏輯，收集行業(yè)典型的裝配場(chǎng)景并固化成模板，供相關(guān)人員通過(guò)APP調(diào)用操作簡(jiǎn)單，無(wú)需強(qiáng)大的公差背景，也能快速定位問(wèn)題根源。

經(jīng)過(guò)收集和整理，制定的手機(jī)業(yè)務(wù)典型的場(chǎng)景和優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 公差仿真業(yè)務(wù)場(chǎng)景化

可看出在賦能平臺(tái)上，該方法對(duì)典型的手機(jī)裝配工藝進(jìn)行剖析，將公差原理相似的場(chǎng)景固化下來(lái)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化形成模板供業(yè)務(wù)部門調(diào)用，用戶通過(guò)APP直接獲得精準(zhǔn)的仿真結(jié)果，無(wú)需專業(yè)的公差背景和仿真知識(shí)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢測(cè)量的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)反饋到公差帶分布上，如果出現(xiàn)幾何或者形位超差，就可有效定位到缺陷源頭。數(shù)據(jù)中臺(tái)沉淀下來(lái)的數(shù)據(jù)可作為其他領(lǐng)域仿真的輸入。在擴(kuò)展功能上支持仿真要素的疊加，如裝配順序、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、彈柔性體、溫度熱力、機(jī)械應(yīng)力等。標(biāo)準(zhǔn)算法中臺(tái)可支持其他類型的仿真，比如蒙特卡洛算法[4]，可用于三維公差分析、單板錫膏量仿真、產(chǎn)品可靠性仿真等。

通過(guò)該平臺(tái)的推廣使用，基本達(dá)到表1所示的目標(biāo)。

表1 平臺(tái)推廣使用達(dá)到的基本的目標(biāo)

工業(yè)仿真技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用，主要是以產(chǎn)品模型為中心的仿真、以制造模型為中心的仿真和以開(kāi)發(fā)過(guò)程模型為中心的仿真。工業(yè)賦能平臺(tái)作為數(shù)字化仿真的新載體，以“場(chǎng)景+數(shù)據(jù)+模型+平臺(tái)”方式將分散的研發(fā)過(guò)程、工藝過(guò)程、制造過(guò)程、多專業(yè)學(xué)科及工具軟件能力整合為集成的、跨部門的仿真協(xié)同服務(wù)，在云計(jì)算框架下實(shí)現(xiàn)非定期任務(wù)并行調(diào)度方法[5]，大大提升仿真效率。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，不斷積累和應(yīng)用企業(yè)的最佳研發(fā)實(shí)踐知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，為驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供強(qiáng)大的平臺(tái)性支持，搭建仿真平臺(tái)推動(dòng)工業(yè)智能場(chǎng)景化落地，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)、人才與業(yè)務(wù)的深度融合。

5 結(jié)語(yǔ)

工欲善其事必先利其器，后工業(yè)時(shí)代，由產(chǎn)業(yè)鏈低端向中高端轉(zhuǎn)移，數(shù)字化平臺(tái)戰(zhàn)略日趨凸顯，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已逐漸成為千行百業(yè)突破發(fā)展瓶頸的必經(jīng)之路。工業(yè)仿真是數(shù)字化關(guān)鍵所在，其人才壁壘高，專業(yè)性強(qiáng)，無(wú)形增加企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型難度和試錯(cuò)成本。智能制造所要解決的核心問(wèn)題是知識(shí)的產(chǎn)生、分享與傳承，仿真賦能平臺(tái)將新技術(shù)與智能制造應(yīng)用場(chǎng)景深入融合，通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型釋放出新的潛能。制造企業(yè)借助仿真平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，充分利用平臺(tái)賦能，場(chǎng)景化業(yè)務(wù)模型降低勞動(dòng)技能門檻，快速掌握合理運(yùn)用，避免錯(cuò)誤認(rèn)知。隨著萬(wàn)物互聯(lián)成為可能，橫向的供應(yīng)鏈協(xié)同和縱向的研發(fā)協(xié)同成為新的需求，工業(yè)仿真平臺(tái)的部署方式和服務(wù)形態(tài)也發(fā)生變化，將傳統(tǒng)架構(gòu)的軟件經(jīng)過(guò)工業(yè)技術(shù)的軟件化，將技術(shù)、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行沉淀轉(zhuǎn)變成工業(yè)微服務(wù)。

沉淀集體智慧，賦能個(gè)體用戶，仿真賦能平臺(tái)是工業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐的技術(shù)溢出，催生數(shù)字化生產(chǎn)要素，從跟蹤、模仿以至超越，下一步將以企業(yè)業(yè)務(wù)能力為參照，基于統(tǒng)一模型規(guī)范的全行業(yè)、全場(chǎng)景、全系統(tǒng)建模、分析、仿真一體化，在數(shù)字孿生框架下，建立模型標(biāo)準(zhǔn)研究、領(lǐng)域模型創(chuàng)造與重用、營(yíng)造工業(yè)領(lǐng)域基于模型知識(shí)的“Know-how”仿真新生態(tài)，推進(jìn)仿真體系建設(shè)，進(jìn)一步健全企業(yè)業(yè)務(wù)能力，從流程、標(biāo)準(zhǔn)和價(jià)值的維度，對(duì)思維方式、模型轉(zhuǎn)化、運(yùn)營(yíng)能力、數(shù)字融合方向聚焦主航道，增強(qiáng)企業(yè)數(shù)字化戰(zhàn)斗力，愿拋磚引玉更將迸發(fā)出前所未有的行業(yè)新價(jià)值。