數(shù)字化仿真技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，無論是民用消費(fèi)市場還是工業(yè)消費(fèi)市場，各種新產(chǎn)品的上市周期正在不斷縮短，客戶對產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的需求也越來越強(qiáng)烈。對于很多企業(yè)，縮短從研發(fā)到上市的時(shí)間周期變成了一個(gè)必須面對的巨大的挑戰(zhàn)。但是企業(yè)長期在此模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，意味著人力物力的巨大投入，高強(qiáng)度的工作狀態(tài)也帶來了員工離職，創(chuàng)造性下降等一系列負(fù)面影響。如何能夠持續(xù)穩(wěn)定地縮短上市周期，保持市場競爭力，是每個(gè)企業(yè)都必須認(rèn)真研究的課題。在這樣的市場需求下，數(shù)字化仿真技術(shù)恰如其時(shí)的出現(xiàn)，為人們提供了切實(shí)可行的解決方案。

　　1、數(shù)字化仿真的定義和范圍

　　數(shù)字化仿真是指以數(shù)字化方式拷貝一個(gè)物理對象，模擬對象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，對產(chǎn)品、制造過程乃至整個(gè)工廠進(jìn)行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、制造的生產(chǎn)效率。在西門子，它被稱之為數(shù)字化雙胞胎(digital twin)。

　　傳統(tǒng)的生產(chǎn)研發(fā)中心中，新產(chǎn)品從研發(fā)到上市通常使用里程碑式項(xiàng)目管理方式，通過多次試產(chǎn)，改進(jìn)的循環(huán)不斷消除產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題，達(dá)到量產(chǎn)條件。在這種傳統(tǒng)的方式中，整個(gè)周期長達(dá)數(shù)月至數(shù)年，每一次的設(shè)計(jì)變更都會造成巨大的費(fèi)用和時(shí)間消耗。

　　為了解決這個(gè)問題，新的研發(fā)制造思路開始得到思考和驗(yàn)證。其中，數(shù)字化仿真已成為制造企業(yè)邁向工業(yè) 4.0 的重要解決方案。它可以支持企業(yè)進(jìn)行涵蓋其整個(gè)價(jià)值鏈的整合及數(shù)字化轉(zhuǎn)型，為從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實(shí)施直至服務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)打造一致的、無縫的數(shù)據(jù)平臺，形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)企業(yè)鏡像[1]。數(shù)字化仿真主要由產(chǎn)品仿真、生產(chǎn)工藝流程仿真和設(shè)備狀態(tài)仿真 3 大部分組成。

　　對于產(chǎn)品仿真，目前廣泛使用的軟件有 NX UG，Mentor Graphics, Polarion ALM，Simcenter 等，主要側(cè)重于產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 3D設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和產(chǎn)品功能模擬，結(jié)合 VR，AR 等硬件設(shè)備，可以通過虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)身臨其境的體驗(yàn)感受。結(jié)合3D 打印技術(shù)，則可以快速制作產(chǎn)品模型。

　　對于生產(chǎn)流程仿真，應(yīng)用軟件有 line designer, plant simulation 和 process simulate。主要側(cè)重于工廠生產(chǎn)環(huán)境的設(shè)計(jì)，可以分為從宏觀到微觀的 3 個(gè)維度：

　　1)工廠仿真：主要針對工廠的整體布局優(yōu)化，物料流優(yōu)化，未來工廠設(shè)計(jì);

　　2)價(jià)值流仿真：優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，減少半成品，優(yōu)化搬運(yùn)路徑，減少等待時(shí)間;

　　3)生產(chǎn)線體仿真：創(chuàng)建新生產(chǎn)線，選擇合適的生產(chǎn)形式(全自動、半自動、手動線體)，對生產(chǎn)線的線體平衡優(yōu)化，瓶頸工序識別。分析產(chǎn)品在生產(chǎn)加工過程中的移動距離優(yōu)化和人員動作的優(yōu)化。

　　對于設(shè)備狀態(tài)仿真，在軟件端可以自動連接設(shè)備中的工業(yè)控制電腦(PLC)，并為其快速配置參數(shù)并與主控單元進(jìn)行通信，搭建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺。通過軟件，可以實(shí)時(shí)追蹤設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

　　2、數(shù)字仿真技術(shù)的優(yōu)勢

　　2. 1 加快產(chǎn)品研發(fā)上市周期

　　相對于傳統(tǒng)研發(fā)試產(chǎn)驗(yàn)證過程，仿真軟件使產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷和可制造性在項(xiàng)目前期就可以得到充分的討論，并在虛擬環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。通過 NX 軟件，可以制作產(chǎn)品的 3D 圖紙，并根據(jù)需求進(jìn)行各種角度和剖面的觀測，充分討論產(chǎn)品的可制造性。使用 Plant Simulation 軟件可以在電腦端提前創(chuàng)建產(chǎn)品生產(chǎn)線，選擇設(shè)備和各種工裝，然后直接發(fā)送給供應(yīng)商進(jìn)行加工制作，減少了設(shè)備后期調(diào)整的風(fēng)險(xiǎn)。

　　2. 2 為客戶提供多種定制化產(chǎn)品

　　在軟件端進(jìn)行設(shè)計(jì)，用 3D 打印制作樣品，使樣品制作成本大大降低，周期大大縮短。研發(fā)人員可以做到一次性提供多種設(shè)計(jì)方案給客戶，或者根據(jù)需求持續(xù)不斷的修改設(shè)計(jì)方案，而無須考慮重新制作模具以及預(yù)定樣品的費(fèi)用。

　　2. 3 在項(xiàng)目前期發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題

　　通過 NX 軟件設(shè)計(jì)的產(chǎn)品 3D 圖紙可以很容易地對產(chǎn)品的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測量，并發(fā)現(xiàn)其中的尺寸干涉等問題。通過Mentor Graphics 軟件可以完成電子電路的設(shè)計(jì)、模擬和優(yōu)化。通過 Simcenter 軟件可以模擬出產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、散熱等性能表現(xiàn)。通過 Polarion ALM 軟件可以開發(fā)，模擬，驗(yàn)證和管理產(chǎn)品的軟件部分。由此可見，通過仿真軟件，絕大部分問題在電腦端即可以一覽無余。

　　2. 4 生產(chǎn)效率最大化

　　使用 Plant Simulation 軟件可以對占地面積、物料擺放、產(chǎn)品運(yùn)輸進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，將精益生產(chǎn)的理念以數(shù)字化的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，提前發(fā)現(xiàn)并減少浪費(fèi)，提前發(fā)現(xiàn)瓶頸工序并進(jìn)行線平衡優(yōu)化。

　　3、數(shù)字化仿真技術(shù)的應(yīng)用案例

　　3. 1 流水線載具數(shù)量模擬

　　在自動化工廠，流水線載具的數(shù)量是搭建一條自動化生產(chǎn)線必須考慮的問題，傳統(tǒng)的方式是通過工程師經(jīng)驗(yàn)，按照產(chǎn)線傳送速率和生產(chǎn)線整體長度來進(jìn)行估算。這樣的方式并不準(zhǔn)確，過少的載具意味著單位時(shí)間產(chǎn)品產(chǎn)出數(shù)量少，導(dǎo)致生產(chǎn)線利用率不高。過多的載具則會耗費(fèi)更多的費(fèi)用，并出現(xiàn)產(chǎn)線擁堵。在獲得產(chǎn)線相關(guān)參數(shù)后，通過使用 Plant Simulation 軟件進(jìn)行模擬，可以看出在不同載具數(shù)量的情況下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品產(chǎn)出數(shù)量的變化。在一條新產(chǎn)線的設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)算出來的載具數(shù)量是 100 臺。但是根據(jù)仿真軟件計(jì)算，載具數(shù)量達(dá)到 85 臺時(shí)，產(chǎn)量出現(xiàn)峰值。在此數(shù)據(jù)之前，隨著載具數(shù)量的增加，產(chǎn)出逐步提升。在此數(shù)據(jù)之后，增加載具數(shù)量，產(chǎn)出變化量不大。繼續(xù)增加數(shù)量，則會出現(xiàn)由于線體阻塞而發(fā)生產(chǎn)量下滑的狀況。

　　3. 2 操作人員數(shù)量模擬

　　生產(chǎn)線配備合理的人員數(shù)量才能達(dá)到效率的最大化，如圖 1 所示產(chǎn)線，雖然將人數(shù)由 2 個(gè)增加到 3 個(gè)(見圖 1)，單位小時(shí)的產(chǎn)出數(shù)量可以從 880 個(gè)上漲到 1200 個(gè)，但是通過仿真可以看出，第二和第三個(gè)作業(yè)員的工作效率都不同程度地出現(xiàn)了下滑，無法達(dá)到兩人配置時(shí)的效率水平，因此，增加人員數(shù)量會導(dǎo)致效率損失，無法達(dá)到最經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)狀態(tài)。

　　圖 1 生產(chǎn)人員數(shù)量(左下圖：2 人;右下圖：3 人)與生產(chǎn)效率之間的關(guān)系

　　3. 3 設(shè)備設(shè)計(jì)模擬

　　傳統(tǒng)的產(chǎn)線設(shè)計(jì)需要使用紙箱、線棒等輔助材料在實(shí)驗(yàn)室搭建虛擬環(huán)境，并邀請工人來現(xiàn)場進(jìn)行模擬操作檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理。這種方式耗時(shí)耗力，而且模仿精度不高，很容易導(dǎo)致真實(shí)線體在實(shí)際使用中進(jìn)行再次修改。使 用 Process Simulate 軟件可以將完整的產(chǎn)線，設(shè)備的 3D 尺寸輸入其中，并在電腦端進(jìn)行產(chǎn)線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)精度可以達(dá)到和真實(shí)場景100%匹配。通過 VR 等硬件設(shè)備輔助，操作人員可以身臨其境地體驗(yàn)產(chǎn)線操作和移動，基于人機(jī)工程學(xué)提出自己的反饋。供應(yīng)商根據(jù)軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果直接進(jìn)行加工，大大縮短了加工周期和減少了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

　　3. 4 更多應(yīng)用

　　其他應(yīng)用場景還包括使用仿真軟件設(shè)計(jì)自動搬運(yùn)機(jī)器人最優(yōu)移動路線;通過虛擬跌落測試來修改產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)、增加強(qiáng)度;通過虛擬排產(chǎn)來測算出最優(yōu)排產(chǎn)策略，提高設(shè)備利用率等。

　　4、結(jié)語

　　由此可見，數(shù)字化仿真技術(shù)在研發(fā)制造型企業(yè)中的使用場景非常豐富，也切實(shí)帶來了許多實(shí)際的好處。在企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中將發(fā)揮巨大的作用，使企業(yè)通過靈活高效的方式，快速推出產(chǎn)品，持續(xù)保持市場競爭力。正如西門子工業(yè)軟件大中華區(qū) DER 總經(jīng)理戚鋒博士所述[2]：“全球制造業(yè)挑戰(zhàn)不斷加劇，制造企業(yè)急需轉(zhuǎn)型，數(shù)字化雙胞胎模型能夠幫助企業(yè)應(yīng)對發(fā)展難題。它的實(shí)行是虛擬與現(xiàn)實(shí)相互促進(jìn)的過程，誰駕馭了這個(gè)過程，誰就將占領(lǐng)市場先機(jī)。

　　本文原刊于《工程建設(shè)與設(shè)計(jì)》 作者 邵康文，崔佳寧，劉原，靳怡