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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。 現(xiàn)階段數(shù)字化工藝仿真手段及應(yīng)用現(xiàn)狀分析數(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)專業(yè)的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)規(guī)劃及仿真應(yīng)用場(chǎng)景。 數(shù)字化仿真手段在裝配環(huán)節(jié)應(yīng)用在虛擬環(huán)境中，依據(jù)設(shè)計(jì)好的裝配工藝流程，通過(guò)對(duì)每個(gè)零件、成品和組件的移動(dòng)、定位、夾緊和裝配過(guò)程等進(jìn)行產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與工裝的干涉檢查，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在干涉情況時(shí)報(bào)警，并給出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助工藝設(shè)計(jì)人員查找和分析干涉原因。
圖1 裝配仿真路徑自動(dòng)尋優(yōu) 數(shù)字化工藝仿真在機(jī)械加工的應(yīng)用機(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 生產(chǎn)布局可以使用三維仿真軟件實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程及產(chǎn)品在廠房?jī)?nèi)運(yùn)輸過(guò)程的模擬。其對(duì)制造資源(包括人、機(jī)、料)在空間上密切有機(jī)結(jié)合，時(shí)間上適當(dāng)連接，在布局設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮物流因素，選擇搬運(yùn)的最佳路線，減少物料搬運(yùn)工作量，不僅能降低其過(guò)程中的運(yùn)輸成本，還能加快生產(chǎn)流程，最終達(dá)到提高生產(chǎn)能力和降低企業(yè)生產(chǎn)成本的目的。
圖3 生產(chǎn)布局仿真 通過(guò)焊接機(jī)器人仿真模擬能實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人虛擬示教、焊接機(jī)器人工作站布局、焊接機(jī)器人工作姿態(tài)優(yōu)化，確認(rèn)系統(tǒng)方案、焊接機(jī)器人型號(hào)、焊接機(jī)器人/工件安裝位置、焊接機(jī)器人動(dòng)作范圍和可達(dá)到性等，進(jìn)而對(duì)夾具提出修改意見(jiàn)等全面、系統(tǒng)的仿真應(yīng)用；通過(guò)工業(yè)機(jī)器人離線編程仿真方法進(jìn)行產(chǎn)線控制。焊接作為應(yīng)用最廣泛的材料連接方式之一，未來(lái)應(yīng)關(guān)注焊接過(guò)程中的應(yīng)力、溫度、變形來(lái)綜合優(yōu)化焊接過(guò)程工藝，同時(shí)引入多智能體調(diào)控技術(shù)將感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面與焊接智能產(chǎn)線結(jié)合。
圖4 焊接機(jī)器人仿真 在計(jì)算機(jī)中建立人、機(jī)、環(huán)境的數(shù)字模型，結(jié)合人體生理特征和姿態(tài)動(dòng)作，仿真人機(jī)交互的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并利用人機(jī)工程學(xué)的各種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和算法，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的人機(jī)工程因素進(jìn)行量化分析和評(píng)價(jià)。按照工藝流程進(jìn)行裝配工人可視性、可達(dá)性、可操作性、舒適性以及安全性的仿真。
圖5 人機(jī)工程仿真 其它工藝類型包括鑄造、噴涂、檢測(cè)等典型工藝仿真，也可以通過(guò)三維可視化的仿真實(shí)現(xiàn)。
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： 對(duì)仿真動(dòng)畫(huà)認(rèn)知不足，存在一定的片面性目前很多企業(yè)對(duì)裝配仿真仍存在一些片面認(rèn)識(shí)主要集中在：工藝仿真與設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃工作協(xié)同不夠仿真往往被錯(cuò)誤作為單一場(chǎng)景在企業(yè)工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程中被隔離開(kāi)來(lái)主要存在這些數(shù)據(jù)鴻溝：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。
? 工藝仿真相關(guān)問(wèn)題的破題思路選擇合適的仿真層級(jí)及創(chuàng)建連續(xù)仿真場(chǎng)景數(shù)字化工藝仿真在裝配環(huán)節(jié)工程化應(yīng)用目前在各行業(yè)普及并不高，采用如下建議可以加速企業(yè)應(yīng)用水平提升：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。
根據(jù)設(shè)計(jì)工具使用情況推薦不同工藝仿真工具以加速三維工程化應(yīng)用為目標(biāo)，上文已經(jīng)提到一些方式，在應(yīng)用實(shí)踐中，不同CAD、PLM、MPM及MES系統(tǒng)承接能力是不同的。所以我們建議為保證工藝仿真成果最大轉(zhuǎn)化，應(yīng)該注意從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否準(zhǔn)確順暢，輕量化是否可回溯，多專業(yè)仿真能否同源共存等角度進(jìn)行軟件的選型。同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)要提出基于模型和特征定義的輸入要求，制造端應(yīng)具備支持三維模型瀏覽和交互動(dòng)畫(huà)與作業(yè)過(guò)程關(guān)聯(lián)演示，支持質(zhì)量三維可視化標(biāo)定與對(duì)比等核心承載能力。注重端到端的流暢，選擇平臺(tái)化產(chǎn)品仿真過(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)。 工藝數(shù)字化仿真發(fā)展趨勢(shì)目前的仿真優(yōu)化系統(tǒng)要求用戶對(duì)仿真優(yōu)化算法和仿真建模工具有較深入的了解，才能夠開(kāi)展工程應(yīng)用。如各種仿真優(yōu)化算法存在大量運(yùn)行參數(shù)需要選擇，仿真實(shí)驗(yàn)也需要設(shè)置各種參數(shù)，如仿真開(kāi)始時(shí)間、仿真結(jié)束時(shí)間、仿真迭代次數(shù)和“預(yù)熱”時(shí)間等等，任何一項(xiàng)參數(shù)的變動(dòng)對(duì)仿真優(yōu)化結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生影響，要求非仿真專業(yè)人員來(lái)完成這些設(shè)置幾乎是一件不可能的事。因此，利用專家知識(shí)系統(tǒng)作為輔助，協(xié)助普通人完成這些專業(yè)工作是一個(gè)可行的實(shí)現(xiàn)方法。可通如下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：
圖7 基于知識(shí)的仿真 ? 應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)工藝仿真優(yōu)化的應(yīng)用目標(biāo)是為用戶提供一個(gè)可視化展示和輔助決策支持工具，而實(shí)際工程設(shè)計(jì)問(wèn)題一般比較復(fù)雜，涉及因素較多，完全依靠傳統(tǒng)手段來(lái)進(jìn)行決策很難考慮周全，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將領(lǐng)域知識(shí)引入到仿真優(yōu)化系統(tǒng)中，建立決策支持系統(tǒng)，充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同決策功能。具體可采用如下步驟實(shí)現(xiàn)： 圖8 基于大數(shù)據(jù)的仿真
? 結(jié)合虛擬調(diào)試及VR技術(shù)形成虛實(shí)互相提升使用機(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
虛擬現(xiàn)實(shí)是時(shí)下比較火熱的技術(shù)，但是很多人對(duì)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)都存在認(rèn)識(shí)上的誤差，認(rèn)為二者是一回事。其實(shí)，仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著一定的相似點(diǎn)，但也存在差異性。縱觀當(dāng)下工業(yè)仿真軟件，可視化、智能化的仿真已成趨勢(shì)，結(jié)合手柄、動(dòng)作捕捉套件、力反饋機(jī)械臂等硬件在工藝仿真中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅能更加形象直觀地顯示仿真全過(guò)程，而且會(huì)讓計(jì)算機(jī)與人之間的溝通更人性化，增強(qiáng)仿真系統(tǒng)的尋優(yōu)能力。
圖9 基于VR的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真
以企業(yè)概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)交付的業(yè)務(wù)視角來(lái)看還為了保障設(shè)計(jì)、工藝、工程、制造等環(huán)節(jié)的連續(xù)流暢還需要做到如下6個(gè)融合：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。
通過(guò)三維數(shù)字化工藝仿真，建立三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和工藝過(guò)程仿真能力在數(shù)字化制造中有以下優(yōu)勢(shì)：
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