【数字化转型】数字化工艺仿真 ——智能生产的加速器

胡青报 国睿信维 本文选自《智慧企业之路》第四期

一

概述

传统的工艺设计方法通常是根据预估的制造特性，参考设计侧提供的图纸，模型及相关设计要求，然后对制造处理工艺单元的产品尺寸、结构进行选择计算并对工艺过程进行基于经验的分解。其不足在于，难以获取设计参数与生产设备之间的定量关系，是一种黑箱方法。

数字化工艺仿真是利用产品的三维数字样机，对产品的装配过程统一建模，在计算机上实现产品从零件、组件装配成产品的整个过程的模拟和仿真。这样，在建立了产品和资源数字模型的基础上，就可以在产品的设计阶段模拟出产品的实际生产过程，而无需实物样机，使合格的设计模型加速转化为工厂的完美产品。

二

现阶段数字化工艺仿真手段及应用现状分析

◉   应用现状

数字化工艺仿真利用了计算机图形学技术及一些核心算法涵盖机加、铸造、表面处理、工装设计、生产布局、装配、检测等多个专业的工艺过程设计规划及仿真应用场景。

数字化仿真手段在装配环节应用

在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并给出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。

图1 装配仿真路径自动寻优

数字化工艺仿真在机械加工的应用

机械加工工艺过程仿真，即是按照产品的加工工艺，在虚拟环境下重现产品的加工过程。机加工艺仿真主要解决工艺过程中刀具的碰撞、干涉、运动路径、和机床后置代码生成等问题。

图2 机加仿真

生产布局仿真

生产布局可以使用三维仿真软件实现生产线生产过程及产品在厂房内运输过程的模拟。其对制造资源(包括人、机、料)在空间上密切有机结合，时间上适当连接，在布局设计的过程中考虑物流因素，选择搬运的最佳路线，减少物料搬运工作量，不仅能降低其过程中的运输成本，还能加快生产流程，最终达到提高生产能力和降低企业生产成本的目的。

图3 生产布局仿真

焊接仿真

通过焊接机器人仿真模拟能实现焊接机器人虚拟示教、焊接机器人工作站布局、焊接机器人工作姿态优化，确认系统方案、焊接机器人型号、焊接机器人/工件安装位置、焊接机器人动作范围和可达到性等，进而对夹具提出修改意见等全面、系统的仿真应用；通过工业机器人离线编程仿真方法进行产线控制。

焊接作为应用最广泛的材料连接方式之一，未来应关注焊接过程中的应力、温度、变形来综合优化焊接过程工艺，同时引入多智能体调控技术将感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面与焊接智能产线结合。

图4 焊接机器人仿真

人机工程仿真

在计算机中建立人、机、环境的数字模型，结合人体生理特征和姿态动作，仿真人机交互的动态过程，并利用人机工程学的各种评价标准和算法，对产品开发过程中的人机工程因素进行量化分析和评价。按照工艺流程进行装配工人可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。

图5 人机工程仿真

其他工艺仿真

其它工艺类型包括铸造、喷涂、检测等典型工艺仿真，也可以通过三维可视化的仿真实现。

 

图6 铸造、喷涂、检测仿真

 

◉   应用不足

从以上不难看出，数字化工艺仿真已经取得了广泛的应用，但是同时我们也要看到工艺仿真在应用中存在问题：

对仿真动画认知不足，存在一定的片面性

目前很多企业对装配仿真仍存在一些片面认识主要集中在：

• 采用一些功能单一的动画制作软件，但对装配过程中缺乏安装顺序、工装设备易用性、工具操作空间、干涉、间隙、安装路径的考量；

• 没有考虑公差影响，研究对象大多基于理想模型和公称尺寸与实际有较大差距，动态干涉分析缺失；

• 作为单一指导视频输出，缺乏交互能力同时也没有结构化的报告输出，缺乏指导设计和工艺方法进行迭代优化的能力。

工艺仿真与设计、工艺规划工作协同不够

仿真往往被错误作为单一场景在企业工艺开发过程中被隔离开来主要存在这些数据鸿沟：

• 设计知识无法传递给工艺仿真；

• 设计数据轻量化后就造成数据链条断裂，基于轻量化的工艺仿真无法应对设计数据更改，不同厂商数据转化导致数据传递失真和大量关键数据及特征丢失；

• 各式仿真软件和仿真数据格式形成大量信息孤岛。

• 工艺仿真没有真正为整体工艺业务流程服务

工艺仿真没有真正为整体工艺业务流程服务

尽管工艺环节时间紧迫但工艺仿真因未采用平台化产品却需要做大量数据准 备工作，这些准备工作并没有得到企业价值认可：

• 工艺BOM信息往往包含工艺结构但采用单一仿真工具很难感知工艺方案及仿真规划；

• 工艺路线在不同CAPP及MPM平台体现了产品工艺规划过程，但因结构化不彻底和与专业仿真工具集成难度较高使拉通越来越困难；

• 基于三维可交互作业指导比较直观友好，但传统工艺系统很难处理基于模型的端到端业务，更难以解析各式工艺仿真工具结果文件。

◉   工艺仿真相关问题的破题思路

选择合适的仿真层级及创建连续仿真场景

数字化工艺仿真在装配环节工程化应用目前在各行业普及并不高，采用如下建议可以加速企业应用水平提升：

• 把握关键过程，提升仿真回报；

• 制定仿真分级评估；

• 将工艺设计规划条目连续传递至工艺数字化仿真减少仿真过程规划；

• 仿真过程输出3DWI指导车间生产，使仿真价值充分得以利用；

• 针对不同行业和业务需求制定合适的工艺设计与仿真流程。

根据设计工具使用情况推荐不同工艺仿真工具

以加速三维工程化应用为目标，上文已经提到一些方式，在应用实践中，不同CAD、PLM、MPM及MES系统承接能力是不同的。所以我们建议为保证工艺仿真成果最大转化，应该注意从数据转换是否准确顺畅，轻量化是否可回溯，多专业仿真能否同源共存等角度进行软件的选型。同时对设计要提出基于模型和特征定义的输入要求，制造端应具备支持三维模型浏览和交互动画与作业过程关联演示，支持质量三维可视化标定与对比等核心承载能力。

注重端到端的流畅，选择平台化产品

仿真过程来源于制造过程的仿真必定会涉及到输入源、仿真流程和输出物的管理，因此选择平台化的整体解决方案比某个单一应用场景工具更关键，并且避免了大量重复性的数据源一致性问题。伴随更改发生，能否及时响应成为考量仿真工具是否能应对日益复杂的智能生产大背景挑战的关键性指标。

三

工艺数字化仿真发展趋势

◉   基于知识

目前的仿真优化系统要求用户对仿真优化算法和仿真建模工具有较深入的了解，才能够开展工程应用。如各种仿真优化算法存在大量运行参数需要选择，仿真实验也需要设置各种参数，如仿真开始时间、仿真结束时间、仿真迭代次数和“预热”时间等等，任何一项参数的变动对仿真优化结果都会产生影响，要求非仿真专业人员来完成这些设置几乎是一件不可能的事。因此，利用专家知识系统作为辅助，协助普通人完成这些专业工作是一个可行的实现方法。可通如下步骤来实现：

• OWL语言建立工艺知识；

• 基于本体工艺知识语义检索，语言相似度模型基础上提出综合语义间距、重合度、纵深和密度的相似算法；

• 分析基于知识的数字化工艺仿真流程进行实例验证。

图7 基于知识的仿真

◉   应用机器学习

工艺仿真优化的应用目标是为用户提供一个可视化展示和辅助决策支持工具，而实际工程设计问题一般比较复杂，涉及因素较多，完全依靠传统手段来进行决策很难考虑周全，随着机器学习等计算机技术的发展，将领域知识引入到仿真优化系统中，建立决策支持系统，充分发挥人的创造性和计算机的计算能力，实现人机协同决策功能。具体可采用如下步骤实现：

• 解析产品CAD特征形成输入层；

• 工艺分类和工艺仿真过程形成规划隐藏层通过监督学习训练，聚合和分类组合模型；

• 通过输入边界条件解析形成工艺仿真过程自动化和仿真优化报告自动化。

图8 基于大数据的仿真

◉   结合虚拟调试及VR技术形成虚实互相提升

使用机器人和控制单元虚拟调试工艺手段优点有：

• 结合机器型号RCS进行准确的机器人仿真；

• 使用生产 I/O 和逻辑进行模拟；

• 使用虚拟示教器对虚拟机器人进行编程；

• 对原生语言机器人程序进行模拟和验证；

• 支持硬件在环仿真

虚拟现实是时下比较火热的技术，但是很多人对仿真与虚拟现实都存在认识上的误差，认为二者是一回事。其实，仿真技术与虚拟现实技术有着一定的相似点，但也存在差异性。

纵观当下工业仿真软件，可视化、智能化的仿真已成趋势，结合手柄、动作捕捉套件、力反馈机械臂等硬件在工艺仿真中运用虚拟现实技术，不仅能更加形象直观地显示仿真全过程，而且会让计算机与人之间的沟通更人性化，增强仿真系统的寻优能力。

 

图9 基于VR的虚拟现实仿真

◉   “六”大趋势将促成工艺仿真边界融合

以企业概念设计到生产交付的业务视角来看还为了保障设计、工艺、工程、制造等环节的连续流畅还需要做到如下6个融合：

• 设计与工艺仿真协同一致

  强调设计与制造的协同和并行，在产品设计的早期阶段就要考虑产品的工艺性，及早发现问题，而不是等到实际产品生产出来后再发现问题。同时，利用数字化手段，建立Digital Twin，实现实际产品同数字化镜像之间的信息交互，从而不断的优化产品和服务。在数字化制造技术的帮助下，设计人员和工艺人员可以在一个统一的虚拟平台上对自己设计的产品及工艺进行设计和验证，使得企业的设计、工艺、制造能力相互匹配相互验证。

• 工艺仿真与有限元分析协同一致

  生产过程中除了通用空间位置仿真分析和资源需求等仿真外，在生产中伴随制造过程中力的变化，载荷的变化，热，振动等因素影响需要将不同专业仿真分析和工艺过程结合起来。

• 工艺仿真与工艺规划设计协同一致

  将工艺环节BOM与工艺路线规划和仿真结合优化加工及装配过程作业序列，既验证了工艺规划合理性，同时利用仿真过程跟利于工艺设计的颗粒进一步细化。

• 工艺仿真与工装设计协同一致

  工艺仿真与工装设计结合，提升工装易用性和减少工装试制成本。

• 工艺仿真与产线设计协同一致

  工艺仿真涉及比较多的是制作单元仿真，将产品生产工程与产线设计乃至工厂设计协同起来，提高产线利用率，规避瓶颈工序使产线平衡，产能达优，从而减少NPI时间。

• 工艺仿真与三维作业指导关联一致

  仿真即服务，仿真即过程，将工艺仿真过程输出三维作业指导服务车间现场，消弭二维指导带来的传递误差，提高生产质量。

四

总结

通过三维数字化工艺仿真，建立三维数字化工艺设计和工艺过程仿真能力在数字化制造中有以下优势：

• 在产品实际（实物）生产之前，通过生产过程仿真，及时地发现产品设计、工艺设计、工装设计，工厂工程设计存在的问题，有效地减少质量缺陷和产品的故障率，减少因装配干涉等问题而进行的重新设计和工程更改，保证了产品装配的质量。

• 数字化工艺仿真过程产生的3D作业指导书直观地演示工艺过仿真，使工人更容易理解生产工艺，减少了生产过程反工，减少了人为差错。

• 装配仿真过程产生的3D作业指导书可用于对维修人员的培训。

• 对新产品的开发，通过三维数字化工艺设计与仿真，减少了技术决策风险，降低了技术协调成本。

• 通过三维数字化工艺设计与仿真，进行工时分析、车间三维工艺布局、资源规划和评估，有利于提高生产计划的准确度。

• 可提高企业在产品开发研制方面的快速应变能力，以适应激烈的市场竞争和不同的用户需求。

• 提高了企业的技术创新能力。

 

 

 

 

原文始发于微信公众号（产业智能官）：【数字化转型】数字化工艺仿真 ——智能生产的加速器