基于Process Simulation 的工藝仿真能力建設(shè)研究

李增增

摘要：通過(guò)對(duì)Process Simulation軟件應(yīng)用于仿真風(fēng)電行業(yè)裝配工藝過(guò)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(qiáng)工藝仿真能力建設(shè)的方式方法，著重于構(gòu)建加強(qiáng)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(jì)、工藝、制造一體的數(shù)字化雙胞胎和智能制造的快速實(shí)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(jì)，產(chǎn)品的裝配費(fèi)用占據(jù)整個(gè)生產(chǎn)成本的30%-50%，乃至更高。在風(fēng)電機(jī)組的制造過(guò)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(duì)產(chǎn)品裝配過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)和在規(guī)劃，是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要環(huán)節(jié)。裝配過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)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(yùn)動(dòng)動(dòng)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(duì)于上述問(wèn)題的解決即產(chǎn)品的裝配性驗(yàn)證的方法主要為物理模式——試裝。風(fēng)機(jī)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，普遍采用“樣機(jī)”驗(yàn)證其可裝配性和實(shí)際性能，風(fēng)機(jī)樣機(jī)的試裝費(fèi)用一般需要300-800萬(wàn)，試裝時(shí)間2-8周不等，成本高，時(shí)間久。通過(guò)采用工藝仿真軟件對(duì)裝配工藝進(jìn)行仿真可以解決這些問(wèn)題[1]。三維可視化裝配工藝仿真可以在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下，驗(yàn)證裝配工藝可行性，優(yōu)化制造裝配工藝過(guò)程，盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，減少現(xiàn)場(chǎng)重做和返工，提高產(chǎn)品的一次生產(chǎn)正確率[2]。同時(shí)，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(wèn)題，從人機(jī)工效的角度，解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性、工藝可行性等問(wèn)題，保護(hù)工人的人身安全和健康[3]。

工藝仿真在汽車(chē)、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用，有效證明了通過(guò)工藝仿真等可快速產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)裝配運(yùn)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(jiǎn)稱(chēng)PS）軟件，對(duì)風(fēng)機(jī)整機(jī)車(chē)間裝配和風(fēng)場(chǎng)安裝整個(gè)裝配過(guò)程進(jìn)行仿真。目的就是降低樣機(jī)設(shè)計(jì)制造后端問(wèn)題，縮短風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)制造及風(fēng)場(chǎng)安裝的整體時(shí)間，同時(shí)建設(shè)并加強(qiáng)公司內(nèi)部的工藝仿真能力，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字化樣機(jī)對(duì)物理樣機(jī)的替代[5]。本文通過(guò)對(duì)PS引進(jìn)和應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程的分析和研究，探究加強(qiáng)工藝仿真能力建設(shè)的方式方法，并構(gòu)建加強(qiáng)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(jì)、工藝、制造一體化的數(shù)字化雙胞胎和智能制造的快速實(shí)現(xiàn)[6]。

1工藝仿真能力建設(shè)的過(guò)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(guò)程。PS軟件作為目前主流的工藝仿真軟件，已經(jīng)被越來(lái)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(guó)內(nèi)主要采用3層結(jié)構(gòu)，首先安裝Oracle（數(shù)據(jù)庫(kù)），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(tái)、軟件的融合問(wèn)題。本公司擁有專(zhuān)門(mén)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺(tái)，PS軟件需要架構(gòu)到該設(shè)計(jì)平臺(tái)，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和工藝仿真的協(xié)同化操作，當(dāng)然與此同時(shí)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(duì)風(fēng)機(jī)整機(jī)車(chē)間裝配和風(fēng)場(chǎng)安裝整個(gè)裝配過(guò)程進(jìn)行了仿真，需要設(shè)計(jì)、工藝、風(fēng)場(chǎng)工服各方協(xié)同。首先對(duì)人員進(jìn)行軟件的認(rèn)識(shí)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(jì)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(jì)的產(chǎn)品數(shù)模，甚至包括一些外購(gòu)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(gòu)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(yùn)輸設(shè)備的型號(hào)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(bào)表模板等。

特殊要求需要規(guī)定仿真的關(guān)鍵工藝過(guò)程和特殊零件的重點(diǎn)仿真等。公司樣機(jī)和量產(chǎn)時(shí)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(shí)施計(jì)劃

仿真實(shí)施計(jì)劃包括總體計(jì)劃、月計(jì)劃、周計(jì)劃和與之相應(yīng)的實(shí)施方案。因本次仿真工作量巨大，月計(jì)劃和周計(jì)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(shí)別的格式。PS支持Co文件和JT文件，同時(shí)支持Xml文件;對(duì)于各種CAD文件，可通過(guò)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(guò)程和現(xiàn)實(shí)中的工藝規(guī)劃類(lèi)似，需要在PDPS軟件中形成IPA樹(shù)。例如，本次仿真中，首先分為車(chē)間裝配和風(fēng)場(chǎng)安裝兩大塊（工廠級(jí)別的規(guī)劃）;接著，其中的車(chē)間安裝又分為機(jī)艙、輪轂、驅(qū)動(dòng)鏈3個(gè)模塊（產(chǎn)線級(jí)別的規(guī)劃）;然后，其中機(jī)艙模塊又分為7個(gè)工位（工位級(jí)別的規(guī)劃）;最后的工藝仿真實(shí)質(zhì)就是進(jìn)行工序級(jí)別的仿真。

本次仿真每個(gè)模塊都需要1-2人協(xié)同操作，產(chǎn)品數(shù)據(jù)、廠級(jí)或產(chǎn)線級(jí)別的資源數(shù)據(jù)（例如行車(chē)）會(huì)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(shí)施規(guī)范并進(jìn)行了培訓(xùn)。

1.5工藝驗(yàn)證

工藝驗(yàn)證大體可以分為裝配工藝流程的驗(yàn)證和人工操作的驗(yàn)證這兩方面。兩者是可以分開(kāi)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(guò)程，然后再添加人工操作的仿真。

工藝驗(yàn)證需要輸出仿真分析報(bào)告、干涉分析報(bào)告、工藝卡、工藝時(shí)序圖、過(guò)程問(wèn)題記錄和人因工程學(xué)報(bào)告等，是驗(yàn)證裝配工藝流程的實(shí)操階段，直接影響仿真的最終效果。

2加強(qiáng)工藝仿真能力的方法

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

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

基于對(duì)本公司裝配仿真能力建設(shè)過(guò)程的分析和研究，本文以最終實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化為目標(biāo)，以最少投入為原則，提出5點(diǎn)加強(qiáng)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(gè)階段，都需要使用文檔來(lái)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(qiáng)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(cè)》《PS仿真培訓(xùn)計(jì)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(jì)劃》《調(diào)研報(bào)告》《實(shí)施計(jì)劃》《實(shí)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(lèi)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(shí)施規(guī)范》等文檔資料;在工藝驗(yàn)證階段，需要形成《PS操作規(guī)范》《干涉分析報(bào)告》《工藝卡》《人體工程學(xué)報(bào)告》《過(guò)程問(wèn)題記錄》等文檔資料。

針對(duì)文檔資料的復(fù)用：首先，通過(guò)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(shí)資源發(fā)布到公共平臺(tái)，達(dá)到文檔資料的復(fù)用和迭代。這樣，這些資料將會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間的保留，同時(shí)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(wèn)題，每個(gè)公司都會(huì)對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

針對(duì)數(shù)模資料的復(fù)用：首先，通過(guò)建立工藝資源庫(kù)，專(zhuān)門(mén)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(kù)集成于設(shè)計(jì)平臺(tái)，成為設(shè)計(jì)平臺(tái)的補(bǔ)充部分。這樣，可以構(gòu)建設(shè)計(jì)工藝一體化的產(chǎn)品研發(fā)模式，設(shè)計(jì)人員也可以在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用工具設(shè)備資源，保證其設(shè)計(jì)的可裝配性，同時(shí)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(guò)程的復(fù)用

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

針對(duì)仿真操作過(guò)程的復(fù)用：通過(guò)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(shì)庫(kù)等，建立裝配過(guò)程中常見(jiàn)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(gè)階段，可以基本和文檔資料一一對(duì)應(yīng)。視頻資料的復(fù)用相比文檔資料，需要更大的存儲(chǔ)空間和更強(qiáng)的監(jiān)管（有些視頻資料的保密要求更高）。

針對(duì)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(gè)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(qiáng)建設(shè);然后，視頻資料歸屬仿真小組（或?qū)俨块T(mén)）管理，并通過(guò)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(shí)施流程的復(fù)用

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

針對(duì)仿真實(shí)施流程的復(fù)用：首先，通過(guò)仿真實(shí)施過(guò)程的流程圖來(lái)展現(xiàn)仿真的整體操作流程，方便了解仿真的各個(gè)階段;然后，通過(guò)細(xì)分各個(gè)階段的輸入或輸出，保證仿真實(shí)施過(guò)程的高效性、完整性和有用性;最后，通過(guò)仿真實(shí)施過(guò)程的記錄表來(lái)監(jiān)督仿真的實(shí)操過(guò)程，確保按時(shí)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(shí)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(guò)傳感器和實(shí)況顯示屏實(shí)時(shí)檢查裝配情況、裝配數(shù)據(jù)、事故點(diǎn)位[9]。一方面，可以用于可視化指導(dǎo)裝配操作，操作報(bào)錯(cuò)，實(shí)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)裝配和維護(hù)[10]。所以，不斷加強(qiáng)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(shí)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(yǔ)

通過(guò)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(yàn)證轉(zhuǎn)換成前期虛擬驗(yàn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制和維護(hù)，是未來(lái)企業(yè)發(fā)展的必由之路。

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