胡青報(bào) 國(guó)睿信維 本文選自《智慧企業(yè)之路》第四期

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法通常是根據(jù)預(yù)估的制造特性，參考設(shè)計(jì)側(cè)提供的圖紙，模型及相關(guān)設(shè)計(jì)要求，然后對(duì)制造處理工藝單元的產(chǎn)品尺寸、結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇計(jì)算并對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行基于經(jīng)驗(yàn)的分解。其不足在于，難以獲取設(shè)計(jì)參數(shù)與生產(chǎn)設(shè)備之間的定量關(guān)系，是一種黑箱方法。

數(shù)字化工藝仿真是利用產(chǎn)品的三維數(shù)字樣機(jī)，對(duì)產(chǎn)品的裝配過(guò)程統(tǒng)一建模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從零件、組件裝配成產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程的模擬和仿真。這樣，在建立了產(chǎn)品和資源數(shù)字模型的基礎(chǔ)上，就可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段模擬出產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，而無(wú)需實(shí)物樣機(jī)，使合格的設(shè)計(jì)模型加速轉(zhuǎn)化為工廠的完美產(chǎn)品。

數(shù)字化工藝仿真利用了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)及一些核心算法涵蓋機(jī)加、鑄造、表面處理、工裝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)布局、裝配、檢測(cè)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)規(guī)劃及仿真應(yīng)用場(chǎng)景。

圖1 裝配仿真路徑自動(dòng)尋優(yōu)

機(jī)械加工工藝過(guò)程仿真，即是按照產(chǎn)品的加工工藝，在虛擬環(huán)境下重現(xiàn)產(chǎn)品的加工過(guò)程。機(jī)加工藝仿真主要解決工藝過(guò)程中刀具的碰撞、干涉、運(yùn)動(dòng)路徑、和機(jī)床后置代碼生成等問(wèn)題。

圖2 機(jī)加仿真

圖3 生產(chǎn)布局仿真

圖4 焊接機(jī)器人仿真

圖5 人機(jī)工程仿真

從以上不難看出，數(shù)字化工藝仿真已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，但是同時(shí)我們也要看到工藝仿真在應(yīng)用中存在問(wèn)題：

• 采用一些功能單一的動(dòng)畫(huà)制作軟件，但對(duì)裝配過(guò)程中缺乏安裝順序、工裝設(shè)備易用性、工具操作空間、干涉、間隙、安裝路徑的考量；

• 沒(méi)有考慮公差影響，研究對(duì)象大多基于理想模型和公稱(chēng)尺寸與實(shí)際有較大差距，動(dòng)態(tài)干涉分析缺失；

• 作為單一指導(dǎo)視頻輸出，缺乏交互能力同時(shí)也沒(méi)有結(jié)構(gòu)化的報(bào)告輸出，缺乏指導(dǎo)設(shè)計(jì)和工藝方法進(jìn)行迭代優(yōu)化的能力。

• 設(shè)計(jì)知識(shí)無(wú)法傳遞給工藝仿真；

• 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輕量化后就造成數(shù)據(jù)鏈條斷裂，基于輕量化的工藝仿真無(wú)法應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更改，不同廠商數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞失真和大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)及特征丟失；

• 各式仿真軟件和仿真數(shù)據(jù)格式形成大量信息孤島。

• 工藝仿真沒(méi)有真正為整體工藝業(yè)務(wù)流程服務(wù)

工藝仿真沒(méi)有真正為整體工藝業(yè)務(wù)流程服務(wù)

盡管工藝環(huán)節(jié)時(shí)間緊迫但工藝仿真因未采用平臺(tái)化產(chǎn)品卻需要做大量數(shù)據(jù)準(zhǔn) 備工作，這些準(zhǔn)備工作并沒(méi)有得到企業(yè)價(jià)值認(rèn)可：

• 工藝BOM信息往往包含工藝結(jié)構(gòu)但采用單一仿真工具很難感知工藝方案及仿真規(guī)劃；

• 工藝路線在不同CAPP及MPM平臺(tái)體現(xiàn)了產(chǎn)品工藝規(guī)劃過(guò)程，但因結(jié)構(gòu)化不徹底和與專(zhuān)業(yè)仿真工具集成難度較高使拉通越來(lái)越困難；

• 基于三維可交互作業(yè)指導(dǎo)比較直觀友好，但傳統(tǒng)工藝系統(tǒng)很難處理基于模型的端到端業(yè)務(wù)，更難以解析各式工藝仿真工具結(jié)果文件。

• 把握關(guān)鍵過(guò)程，提升仿真回報(bào)；

• 制定仿真分級(jí)評(píng)估；

• 將工藝設(shè)計(jì)規(guī)劃條目連續(xù)傳遞至工藝數(shù)字化仿真減少仿真過(guò)程規(guī)劃；

• 仿真過(guò)程輸出3DWI指導(dǎo)車(chē)間生產(chǎn)，使仿真價(jià)值充分得以利用；

• 針對(duì)不同行業(yè)和業(yè)務(wù)需求制定合適的工藝設(shè)計(jì)與仿真流程。

仿真過(guò)程來(lái)源于制造過(guò)程的仿真必定會(huì)涉及到輸入源、仿真流程和輸出物的管理，因此選擇平臺(tái)化的整體解決方案比某個(gè)單一應(yīng)用場(chǎng)景工具更關(guān)鍵，并且避免了大量重復(fù)性的數(shù)據(jù)源一致性問(wèn)題。伴隨更改發(fā)生，能否及時(shí)響應(yīng)成為考量仿真工具是否能應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的智能生產(chǎn)大背景挑戰(zhàn)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

• OWL語(yǔ)言建立工藝知識(shí)；

• 基于本體工藝知識(shí)語(yǔ)義檢索，語(yǔ)言相似度模型基礎(chǔ)上提出綜合語(yǔ)義間距、重合度、縱深和密度的相似算法；

• 分析基于知識(shí)的數(shù)字化工藝仿真流程進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

圖7 基于知識(shí)的仿真

• 解析產(chǎn)品CAD特征形成輸入層；

• 工藝分類(lèi)和工藝仿真過(guò)程形成規(guī)劃隱藏層通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)訓(xùn)練，聚合和分類(lèi)組合模型；

• 通過(guò)輸入邊界條件解析形成工藝仿真過(guò)程自動(dòng)化和仿真優(yōu)化報(bào)告自動(dòng)化。

圖8 基于大數(shù)據(jù)的仿真

使用機(jī)器人和控制單元虛擬調(diào)試工藝手段優(yōu)點(diǎn)有：

• 結(jié)合機(jī)器型號(hào)RCS進(jìn)行準(zhǔn)確的機(jī)器人仿真；

• 使用生產(chǎn) I/O 和邏輯進(jìn)行模擬；

• 使用虛擬示教器對(duì)虛擬機(jī)器人進(jìn)行編程；

• 對(duì)原生語(yǔ)言機(jī)器人程序進(jìn)行模擬和驗(yàn)證；

• 支持硬件在環(huán)仿真

圖9 基于VR的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真

• 設(shè)計(jì)與工藝仿真協(xié)同一致

  強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同和并行，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段就要考慮產(chǎn)品的工藝性，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而不是等到實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)后再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)，利用數(shù)字化手段，建立Digital Twin，實(shí)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品同數(shù)字化鏡像之間的信息交互，從而不斷的優(yōu)化產(chǎn)品和服務(wù)。在數(shù)字化制造技術(shù)的幫助下，設(shè)計(jì)人員和工藝人員可以在一個(gè)統(tǒng)一的虛擬平臺(tái)上對(duì)自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品及工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，使得企業(yè)的設(shè)計(jì)、工藝、制造能力相互匹配相互驗(yàn)證。

• 工藝仿真與有限元分析協(xié)同一致

  生產(chǎn)過(guò)程中除了通用空間位置仿真分析和資源需求等仿真外，在生產(chǎn)中伴隨制造過(guò)程中力的變化，載荷的變化，熱，振動(dòng)等因素影響需要將不同專(zhuān)業(yè)仿真分析和工藝過(guò)程結(jié)合起來(lái)。

• 工藝仿真與工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)同一致

  將工藝環(huán)節(jié)BOM與工藝路線規(guī)劃和仿真結(jié)合優(yōu)化加工及裝配過(guò)程作業(yè)序列，既驗(yàn)證了工藝規(guī)劃合理性，同時(shí)利用仿真過(guò)程跟利于工藝設(shè)計(jì)的顆粒進(jìn)一步細(xì)化。

• 工藝仿真與工裝設(shè)計(jì)協(xié)同一致

  工藝仿真與工裝設(shè)計(jì)結(jié)合，提升工裝易用性和減少工裝試制成本。

• 工藝仿真與產(chǎn)線設(shè)計(jì)協(xié)同一致

  工藝仿真涉及比較多的是制作單元仿真，將產(chǎn)品生產(chǎn)工程與產(chǎn)線設(shè)計(jì)乃至工廠設(shè)計(jì)協(xié)同起來(lái)，提高產(chǎn)線利用率，規(guī)避瓶頸工序使產(chǎn)線平衡，產(chǎn)能達(dá)優(yōu)，從而減少NPI時(shí)間。

• 工藝仿真與三維作業(yè)指導(dǎo)關(guān)聯(lián)一致

  仿真即服務(wù)，仿真即過(guò)程，將工藝仿真過(guò)程輸出三維作業(yè)指導(dǎo)服務(wù)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)，消弭二維指導(dǎo)帶來(lái)的傳遞誤差，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

• 在產(chǎn)品實(shí)際（實(shí)物）生產(chǎn)之前，通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程仿真，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)，工廠工程設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，有效地減少質(zhì)量缺陷和產(chǎn)品的故障率，減少因裝配干涉等問(wèn)題而進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)和工程更改，保證了產(chǎn)品裝配的質(zhì)量。

• 數(shù)字化工藝仿真過(guò)程產(chǎn)生的3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)直觀地演示工藝過(guò)仿真，使工人更容易理解生產(chǎn)工藝，減少了生產(chǎn)過(guò)程反工，減少了人為差錯(cuò)。

• 裝配仿真過(guò)程產(chǎn)生的3D作業(yè)指導(dǎo)書(shū)可用于對(duì)維修人員的培訓(xùn)。

• 對(duì)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，通過(guò)三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真，減少了技術(shù)決策風(fēng)險(xiǎn)，降低了技術(shù)協(xié)調(diào)成本。

• 通過(guò)三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真，進(jìn)行工時(shí)分析、車(chē)間三維工藝布局、資源規(guī)劃和評(píng)估，有利于提高生產(chǎn)計(jì)劃的準(zhǔn)確度。

• 可提高企業(yè)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制方面的快速應(yīng)變能力，以適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和不同的用戶需求。

• 提高了企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力。