林彬峰 劉冬梅

（信陽高級技工學校，河南 信陽 464000）

數(shù)字化制造是利用數(shù)字化技術(shù)及工具在實物產(chǎn)品被生產(chǎn)制造出來之前，進行規(guī)劃、設(shè)計仿真和管理的過程。其內(nèi)涵包含工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計、工藝仿真和工藝管理四個方面。

工藝規(guī)劃：描述組成產(chǎn)品的制造工序流程，主要是描述整個產(chǎn)品所有零部件的作業(yè)流程、操作地點以及相互之間的關(guān)系。

工藝設(shè)計：描述某一零件或者部件在某一工序具體的加工過程以及所需的設(shè)備、工裝、工時等信息的過程。在數(shù)控加工環(huán)境下，則需要編制零件的數(shù)控加工代碼。

工藝仿真：利用三維及虛擬仿真技術(shù)，在計算機虛擬的環(huán)境中真實再現(xiàn)工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計的實現(xiàn)過程，并且應(yīng)許用戶實時操作工藝設(shè)備或改變相關(guān)參數(shù)。

工藝管理：管理工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計、工藝仿真過程中產(chǎn)生的文檔、數(shù)據(jù)以及這些文檔、數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程。

虛擬系統(tǒng)，就是通過生成現(xiàn)有操作系統(tǒng)的全新虛擬鏡像，同時具有與現(xiàn)有操作系統(tǒng)一致的功能，并且具有能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)與虛擬鏡像之間靈活切換的操作系統(tǒng)。

在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計周期，制造企業(yè)通常需要感念設(shè)計軟件、CAD、CAPP、CAE等工具軟件和PDM/PLM等管理系統(tǒng)來支撐。在產(chǎn)品的使用和維護周期，制造企業(yè)需要MRO（大修維護管理）系統(tǒng)來支持。產(chǎn)品全生命周期中最為復(fù)雜且難以管理的是產(chǎn)品的制造周期。為了滿足生產(chǎn)制造管理的需要，不少企業(yè)先后引入了SCM（供應(yīng)鏈管理）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）和ERP（企業(yè)資源計劃）。但是在研發(fā)設(shè)計系統(tǒng)和生產(chǎn)制造系統(tǒng)之間，缺乏一個有效的手段對在虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計等信息進行輔助設(shè)計和仿真。

數(shù)字化制造技術(shù)的出現(xiàn)，彌補了這一環(huán)節(jié)的缺陷，使得在虛擬環(huán)境中開發(fā)設(shè)計的產(chǎn)品，在被投入車間正式生產(chǎn)之前，可以在虛擬環(huán)境中進行工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計和工藝仿真。從本質(zhì)上講，數(shù)字化制造時數(shù)字化設(shè)計的延伸。前者保證產(chǎn)品設(shè)計能夠達到性能上的要求，后者保證產(chǎn)品制造能夠達到設(shè)計上的要求。MES系統(tǒng)按照數(shù)字化制造規(guī)定的工藝完成實際的制造過程，因此MES與數(shù)字化制造系統(tǒng)需要實現(xiàn)雙向信息集成。

一、機器人離線編程及仿真技術(shù)

中國制造企業(yè)特別是整車制造企業(yè)目前大多引入了工業(yè)機器人完成抓舉、焊接、鉆孔、拋光、噴漆等工藝過程。這些工業(yè)機器人的工作過程是由程序進行控制，一般有設(shè)備提供商或者專業(yè)機構(gòu)在生產(chǎn)線安裝時一次性編程并設(shè)置到位，設(shè)置完成后，工業(yè)機器人的工作路徑、工作節(jié)拍就固定下來，制造企業(yè)無法進行有效的調(diào)整。而事實上，由于客戶的需求的變化，生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品可能每隔一段時間就會進行調(diào)整；同時，由于產(chǎn)能需求不恒定，因此生產(chǎn)節(jié)拍可能也需要每隔一段時間進行調(diào)整。由于缺乏專業(yè)的編程能力以及系統(tǒng)的仿真分析工具，制造企業(yè)往往不具備對這些工業(yè)機器人的控制程序進行調(diào)整以及仿真的能力。

數(shù)字化制造技術(shù)中的機器人離線編程及仿真技術(shù)解決了這個難題。它預(yù)置了目前世界上比較常見的通用的幾個機器人供應(yīng)商及各個工種的工業(yè)機器人，同時它可以導入三維CAD設(shè)計的零部件，工藝人員可以在可視化的環(huán)境中設(shè)計工業(yè)機器人的工作路徑和工作節(jié)拍，結(jié)合工廠三維設(shè)計及物流仿真工具，工藝人員可以系統(tǒng)地規(guī)劃整條生產(chǎn)線上工業(yè)機器人的工作路徑和工作節(jié)拍，在避免機械手臂干涉的情況下，設(shè)計最為合適的工作節(jié)拍。對于包括ABB、KUKA在內(nèi)的世界頂級工業(yè)機器人的良好支持，使得數(shù)字化制造環(huán)境中涉及規(guī)劃的工業(yè)機器人工作路徑和工作節(jié)拍等信息可以自動生成代碼直接為這些機器人所用。

二、人機作業(yè)模擬與仿真

目前生產(chǎn)制造的大部分工序還離不開人工的干預(yù)和操作，在許多復(fù)雜裝配制造領(lǐng)域（例如航空、船舶），由于空間及工藝的限制，大部分工序都需要人工去完成。這時候人的能力（包括技能、體力、身材等——成為完成該工序的一個關(guān)鍵因素。

于此同時，今天的制造企業(yè)越來越重視企業(yè)的社會責任，對現(xiàn)場的操作人員必須盡到安全保護的義務(wù)。因此在工藝規(guī)劃設(shè)計的時候，必須要考慮生產(chǎn)加工中可能給人帶來的危險，并盡量避免傷害的產(chǎn)生。

在這種情況下，人機作業(yè)模擬與仿真就顯得非常必要。人機作業(yè)模擬與仿真是從人的生理和心理特性出發(fā)，研究人、機環(huán)境的相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律，以優(yōu)化人-機-環(huán)境。

數(shù)字化制造技術(shù)中的人機作業(yè)工程工具可以有效的模擬和仿真現(xiàn)場操作人員在完成每道工序時的動作并對操作的達到性、視覺性、安全性和工作舒適度進行分析和評估。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法不同，數(shù)字化制造技術(shù)中的人機作業(yè)模擬與仿真是用量化的手段模擬和評估人、機、環(huán)境三者之間的關(guān)系。例如在狹小的空間進行作業(yè)且對勞動者的力量要求不高時，安排身材較小的作業(yè)人員顯然比安排體型較大的作業(yè)人員更加合適。除了對工作中的人機作業(yè)進行仿真和評估外，它還可以幫助設(shè)計人員對使用產(chǎn)品的人機工程進行仿真和分析，幫助設(shè)計人員對產(chǎn)品設(shè)計進行優(yōu)化。

人機作業(yè)仿真還可以幫助企業(yè)分析不同區(qū)域的作業(yè)人員在產(chǎn)品制造過程的不同感受，以根據(jù)地域設(shè)計開發(fā)不同的產(chǎn)品、規(guī)劃不同的工藝布局和路線。

結(jié)語：

本文的數(shù)字化工廠仿真實施流程能夠保證仿真實施進度與質(zhì)量，仿真工程的實施對于發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計中的問題，改進生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計方案等具有直接作用，同時也為今后的生產(chǎn)工藝改變等需求提供一個仿真和分析平臺。隨著數(shù)字化工廠仿真技術(shù)和工具的發(fā)展，今后仿真將進一步滲透到數(shù)字化工廠的更多環(huán)節(jié)，數(shù)字化仿真系統(tǒng)將發(fā)展成為數(shù)字化工廠的必要組成部分，其作用將不僅僅是仿真，而是實際生產(chǎn)過程管理與控制的組成部分。