金偉家，劉 民，呂紅纓

（遼寧渤海造船廠集團(tuán)船舶設(shè)計(jì)院，遼寧葫蘆島 125004）

0 引言

在工業(yè)4.0，中國(guó)制造2025的大背景下，各制造企業(yè)都在科技的引領(lǐng)下探索新的生產(chǎn)模式。未來船舶行業(yè)是基于虛擬建造技術(shù)為代表的船舶建造和管理模式，而虛擬建造技術(shù)為工藝仿真提供了必要的環(huán)境條件。工藝仿真技術(shù)與船舶建造的融合是船廠跨越式發(fā)展需要探索的重要途徑。

1 概述

數(shù)字化工藝仿真是虛擬建造的重要組成部分，是在深入分析仿真系統(tǒng)各要素的特性和邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，按照仿真系統(tǒng)客觀實(shí)際情況，把所要研究的系統(tǒng)各組成要素抽象化，構(gòu)造模型，然后按照系統(tǒng)時(shí)間和空間的要求，錄入軟件系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)演示該系統(tǒng)，用以分析和研究系統(tǒng)的性能，達(dá)到認(rèn)識(shí)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能的目的。

數(shù)字化工藝仿真通常用于方案比選和方案驗(yàn)證，也可以用于研究事件發(fā)展的規(guī)律、趨勢(shì)及關(guān)聯(lián)程度。數(shù)字化工藝仿真在船舶建造過程中主要應(yīng)用于工藝規(guī)劃、工藝流程優(yōu)化和工藝驗(yàn)證。

2 船廠在工藝方面存在的問題

目前制約國(guó)內(nèi)造船廠發(fā)展的重要因素之一就是工藝問題，既有對(duì)工藝的重視程度不夠，也存在工藝技術(shù)的發(fā)展跟不上時(shí)代發(fā)展的步伐。主要問題總結(jié)如下：

2.1 工藝知識(shí)缺乏有效管理

先進(jìn)工藝工法的傳承、記錄和創(chuàng)新發(fā)展存在瓶頸。船廠已有的先進(jìn)工藝工法，隨著技術(shù)的發(fā)展、設(shè)備的更新以及人員的流失需要不斷更新迭代。船廠對(duì)工藝的管理還停留在工藝文件的編制和工藝的匯總。如何提高企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)水平、如何驗(yàn)證編制的工藝是否合理、如何對(duì)制造和裝配的工藝進(jìn)行優(yōu)化、如何提煉典型工藝、如何更有效的利用工藝資源、如何有效傳承工藝經(jīng)驗(yàn)等問題卻不在管理范圍內(nèi)。隨著信息化時(shí)代帶來工業(yè)化的高速發(fā)展，信息化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和復(fù)雜程度越來越高，工藝知識(shí)的積累和重用變得越來越重要。

2.2 工具工裝缺乏有效布置和管理

船廠工藝文件對(duì)工具工裝的布置，由于涉及到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況太多，不好在工藝文件中做出預(yù)判，很多關(guān)于工具工裝的布置位置的描述都有意忽略了，這部分工藝細(xì)節(jié)交給現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行規(guī)劃。由于缺少通盤考慮，部分工具工裝的布置影響生產(chǎn)效率，并且易造成反復(fù)移位，導(dǎo)致吊車等資源和人工的浪費(fèi)。

2.3 產(chǎn)品的裝配質(zhì)量缺乏精細(xì)化控制

船舶總裝廠的制造周期長(zhǎng)，制造工藝不穩(wěn)定。在沒有數(shù)字化仿真驗(yàn)證的情況下，新設(shè)備伴隨著新的工藝工法、新的加工技術(shù)、新的工具工裝，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段工藝人員和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員參與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，對(duì)一些復(fù)雜的過程，要通過不斷試錯(cuò)而找到正確的工藝方案，需要耗費(fèi)大量的人力物力和財(cái)力，還有寶貴的時(shí)間成本。

2.4 缺少與數(shù)字化設(shè)計(jì)匹配的數(shù)字化仿真工藝

大部分船廠的設(shè)計(jì)和科研院的設(shè)計(jì)采用全三維的可視化設(shè)計(jì)，可是工藝三維可視化卻大多沒有實(shí)現(xiàn)。工藝主要依靠人員的經(jīng)驗(yàn)和成熟項(xiàng)目來進(jìn)行規(guī)劃，靠空間想象力來想象工藝實(shí)施的情況。缺乏用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來驗(yàn)證工藝的正確性的手段。

總之工藝是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的手段，是制造的根本。在產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越頻繁、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜的情況下，對(duì)制造工藝的要求越來越高。工藝人員對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)的制造能力缺乏直觀的了解和規(guī)劃，導(dǎo)致制造工藝難以規(guī)劃和優(yōu)化?；谝陨蠁栴}，工藝仿真在船廠的應(yīng)用就顯得重要和迫切。

3 船廠數(shù)字化工藝仿真方案

3.1 工藝仿真應(yīng)用軟件（方案）簡(jiǎn)介

目前國(guó)際主流的虛擬制造系統(tǒng)主要有 3個(gè)：Siemens PLMSoftware、Dassault System（達(dá)索）和PTC。3個(gè)系統(tǒng)各有專長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)船舶企業(yè)通常選用達(dá)索公司的 CATIA設(shè)計(jì)軟件，并采用達(dá)索公司DELMIA軟件進(jìn)行數(shù)字化工藝仿真設(shè)計(jì)。

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application，數(shù)字企業(yè)精益制造交互式應(yīng)用）是法國(guó)達(dá)索公司的產(chǎn)品，由DELMIA E5（DPE）、DELMIA V5（DPM）、DELMIA D5（QUEST）3部分組成。工藝仿真平臺(tái)見（圖1），最終數(shù)據(jù)都由VPM數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理。

圖1 工藝仿真平臺(tái)示意圖

工藝仿真流程為：工藝規(guī)劃（三維工藝文件、工藝流程圖→工藝仿真（驗(yàn)證仿真、優(yōu)化仿真）→工藝輸出（仿真視頻、報(bào)告、資源配套清單）。

數(shù)據(jù)管理平臺(tái)：實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝規(guī)劃同步及版本追蹤，實(shí)現(xiàn)企業(yè)工藝知識(shí)的管理和使用；

工藝規(guī)劃及制造管理平臺(tái)：完成工藝規(guī)劃、工藝過程仿真、工時(shí)分析、物流仿真、工程布局等工作任務(wù)。

3.2 工藝仿真系統(tǒng)架構(gòu)

工藝仿真系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 工藝仿真架構(gòu)示意圖

3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)的信息流程

1）將用CATIA設(shè)計(jì)的CATIAPart/CATProduct，即產(chǎn)品文件，存入VPM應(yīng)用服務(wù)器；

2）將VPM中的CATIAPart/CATProduct產(chǎn)品通過XML文件同步到DELMIA E5中；

3）DELMIA讀取PPR結(jié)構(gòu)，并將完成的工藝規(guī)劃及裝配仿真內(nèi)容存入到E5數(shù)據(jù)庫(kù)中；

4）DELMIA E5讀取Project制作的工藝文件，生成工藝流程；

5）DELMIA V5讀取VPM端的產(chǎn)品和資源數(shù)據(jù)；

6）DELMIA V5輸出裝配仿真或是人機(jī)仿真的動(dòng)畫視頻；

7）DPM輸出的仿真動(dòng)畫轉(zhuǎn)入Composer中編制的3D作業(yè)指導(dǎo)書；

8）將DPE中PPR結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到Composer中；

9）Composer輸出編制的3D作業(yè)指導(dǎo)書；10）CATIA設(shè)計(jì)模型更改，產(chǎn)生新版本數(shù)模，走變更流程。

3.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)的硬件描述

1）ENOVIA VPM數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器（DB2）：用于存儲(chǔ)產(chǎn)品、工裝工具數(shù)模等的原始數(shù)據(jù)；

2）ENOVIA VPM應(yīng)用服務(wù)器：支持VPM設(shè)計(jì)協(xié)同等相關(guān)應(yīng)用；

3）ENOVIA VPM文件服務(wù)器：用于存儲(chǔ)產(chǎn)品/工裝工具數(shù)模及相關(guān)文件等；

4）ENOVIA DPE數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器（DB2）：用于存儲(chǔ)工藝規(guī)劃及裝配仿真的數(shù)據(jù)；

5）ENOVIA DPE應(yīng)用服務(wù)器：支持DELMIA進(jìn)行裝配仿真的協(xié)同；

6）CATIA V5客戶端：完成產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)；

7）DELMIA E5/V5客戶端：支持VPM設(shè)計(jì)協(xié)同的DPE客戶端，完成工藝規(guī)劃內(nèi)容支持VPM裝配仿真的DPM客戶端，完成裝配、人機(jī)等仿真；

8）3DVIA Composer客戶端：3D作業(yè)指導(dǎo)書的編制及輸出。

4 數(shù)字化工藝仿真過程

4.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

4.1.1 產(chǎn)品模型準(zhǔn)備

產(chǎn)品模型來源于設(shè)計(jì)部門，是設(shè)計(jì)人員用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA完成相關(guān)設(shè)計(jì)后產(chǎn)生的設(shè)計(jì)信息。工藝仿真即是對(duì)模型在時(shí)間域或空間域的運(yùn)行和操作，模型對(duì)數(shù)字工藝仿真的重要性不言自明。

4.1.2 資源模型準(zhǔn)備

資源模型是指在進(jìn)行工藝規(guī)劃過程中所需如工裝、設(shè)備、場(chǎng)地等資源模型信息，主要以資源庫(kù)的形式存在。資源庫(kù)一共分為3級(jí)。

第一級(jí)：按工裝、設(shè)備和場(chǎng)地設(shè)施分類劃分；

第二級(jí)：按專業(yè)和通用類型劃分，如工裝庫(kù)可以進(jìn)一步劃分為結(jié)構(gòu)庫(kù)、機(jī)裝庫(kù)、電舾庫(kù)等專業(yè)庫(kù)和通用庫(kù)；

第三級(jí)：專業(yè)庫(kù)按工藝類型進(jìn)行細(xì)分，通用庫(kù)按設(shè)備類型進(jìn)行細(xì)分，如結(jié)構(gòu)庫(kù)可以進(jìn)一步劃分為焊機(jī)、胎架等；而通用庫(kù)進(jìn)一步劃分為扳手、運(yùn)輸設(shè)備等。

4.1.3 工藝信息準(zhǔn)備

工藝信息主要是指工藝部門所編制的工藝步驟，主要是project格式的二維電子文檔，存儲(chǔ)于PDM系統(tǒng)中。工藝文件可以根據(jù)專業(yè)或是小組分開編制，導(dǎo)入DPE中后合并成統(tǒng)一的工藝流程。工藝規(guī)劃根據(jù)工藝要求盡可能細(xì)化到工序級(jí)。

4.2 工藝規(guī)劃DPE

DPE（Digital Process Engineer）是后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，主要用來進(jìn)行工藝規(guī)劃，管理施工計(jì)劃，產(chǎn)品和輔助資源之間的相應(yīng)關(guān)系，同時(shí)可以對(duì)施工工藝過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及工時(shí)成本統(tǒng)計(jì)。

4.2.1 項(xiàng)目創(chuàng)建

項(xiàng)目創(chuàng)建包括：1）新項(xiàng)目創(chuàng)建：選擇標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目模板或自定義項(xiàng)目模板；2）組織及人員創(chuàng)建及任務(wù)分配；3）權(quán)限分配：根據(jù)角色分配權(quán)限，權(quán)限分為只讀權(quán)限和修改權(quán)限等；4）PPR（PROCESS/PRODUCT/RESOURCE）節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建，分為Product view和Process view。

4.2.2 產(chǎn)品和資源數(shù)據(jù)導(dǎo)入

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)批量導(dǎo)入DPE中，由VPM與DPE的接口程序?qū)崿F(xiàn)。

4.2.3 工藝計(jì)劃導(dǎo)入

工藝流程以Project格式導(dǎo)入DPE中（圖3），需要事先用Project完成工藝計(jì)劃的編制。并做PPR關(guān)聯(lián)。

圖3 工藝計(jì)劃導(dǎo)入示意圖

4.3 工藝仿真DPM

DPM（Digital Process Manufacture數(shù)字制造工藝）中提供集成接口，實(shí)現(xiàn)在DPM 中打開在DPE中所規(guī)劃的工藝內(nèi)容，前提需要保證DPM 于DPE相同項(xiàng)目PPR結(jié)構(gòu)樹的一致性。DPE中關(guān)聯(lián)的三維模型，以及產(chǎn)品、流程以及資源之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系也會(huì)繼承到DPM中。

4.3.1 裝配軌跡制定

創(chuàng)建裝配軌跡的流程節(jié)點(diǎn)，在裝配模塊（Assembly Process Simulation）中，顯示與此流程節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和資源結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)的三維模型。使用軌跡編輯（create a move activity）和相關(guān)輔助命令，完成流程節(jié)點(diǎn)下產(chǎn)品的軌跡創(chuàng)建（圖4）。

通過流程結(jié)構(gòu)命令（pert chart），可以查看和修改目前流程節(jié)點(diǎn)下的流程以及操作結(jié)構(gòu)（圖5）。

4.3.2 裝配仿真分析

在進(jìn)行裝配仿真動(dòng)畫播放過程中，打開碰撞分析命令，裝配仿真過程中如果發(fā)生干涉情況，裝配仿真會(huì)自動(dòng)停下，以便裝配路徑創(chuàng)建者進(jìn)行檢查和修改。

圖5 工藝流程節(jié)點(diǎn)編制示意圖

干涉分析步驟：先選擇分析類型，再選擇分析的產(chǎn)品或區(qū)域以紅色高亮顯示碰撞，最后碰撞干涉輸出，輸出碰撞干涉產(chǎn)品、類型以及碰撞干涉值。

干涉狀態(tài)分為：1）靜態(tài)干涉。仿真中產(chǎn)品、工裝模型導(dǎo)入后，工裝定位器在工作狀態(tài)上，進(jìn)行仿真前的靜態(tài)干涉檢查。2）運(yùn)動(dòng)干涉。多用在裝配路徑干涉檢查、輔助裝配工具使用空間檢查及產(chǎn)品構(gòu)件存在間隙要求時(shí)檢查。3）裝配干涉。多用在零部件進(jìn)出工裝時(shí)可操作性檢查、內(nèi)部零件安裝可視性和可達(dá)性檢查以及人機(jī)模型和動(dòng)作干涉檢查。

距離分析：測(cè)量?jī)蓚€(gè)產(chǎn)品間距離和最短距離，并且可以分析指定區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)品情況。

4.3.3 甘特圖分析

以甘特圖的形式展現(xiàn)流程結(jié)構(gòu)（圖6），并且可以對(duì)單個(gè)操作的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

圖6 工藝流程甘特圖

4.3.4 各專業(yè)協(xié)同裝配仿真分析

通過裝配仿真分析命令，驗(yàn)證裝配順序的合理性，保證裝配路徑的可行性，避免設(shè)備與設(shè)備以及設(shè)備與結(jié)構(gòu)之間發(fā)生干涉。

4.3.5 仿真動(dòng)畫多視角輸出

仿真軌跡制定過程中，可以采用插入視角的輔助命令，實(shí)現(xiàn)以特定視角去觀看仿真過程。

4.4 人機(jī)仿真

4.4.1 人體動(dòng)作庫(kù)補(bǔ)充完善并定制必要的人體庫(kù)。

1）軟件自帶部分人體模型標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作庫(kù)，如站、坐以及抓取等動(dòng)作；

2）提供創(chuàng)建catalog庫(kù)的功能命令，事先設(shè)置人體模型庫(kù)的動(dòng)作，或是在人機(jī)仿真過程中將已經(jīng)創(chuàng)建好的動(dòng)作保存到catalog庫(kù)中，在以后的動(dòng)作設(shè)置過程中能夠快速調(diào)用。

4.4.2 人機(jī)仿真項(xiàng)目的應(yīng)用

1）人體測(cè)量（圖7）：人體模型的所有活動(dòng)自由度都與真實(shí)人體的活動(dòng)關(guān)節(jié)自由度相匹配；人體模型有 104個(gè)可編輯的測(cè)量變量，可以對(duì)人體模型的尺寸進(jìn)行調(diào)整；人體模型 148個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)范圍編輯器，可以設(shè)置人體模型各個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)范圍。

圖7 人體測(cè)量仿真示意圖

2）可達(dá)性分析（圖8）：人體模型結(jié)合虛擬的三維環(huán)境，可對(duì)部分設(shè)備、家具等三維模型尺寸合理進(jìn)行驗(yàn)證，以球體形式展現(xiàn)人體模型端部部位的活動(dòng)范圍，能夠直觀判斷人體模型在特定環(huán)境中的活動(dòng)范圍，對(duì)于后續(xù)動(dòng)作設(shè)置具有很好的指導(dǎo)意義。模擬人通過艙口艙門的空間可達(dá)性，檢驗(yàn)艙口艙門尺寸設(shè)計(jì)的合理性。依據(jù)類似的方法，能夠提前驗(yàn)證其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖8 人體可達(dá)性仿真示意圖

3）疲勞性分析（圖9）：通過模擬工人施工過程，分析人體施工的方便性以及人體施工過程的疲勞性，不僅讓設(shè)計(jì)人員對(duì)施工環(huán)境有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，提前驗(yàn)證艙室設(shè)計(jì)工藝的合理性，而且為改善施工條件提供依據(jù)。

圖9 人體疲勞性分析仿真示意圖

4）動(dòng)作仿真分析（圖10）：人體模型結(jié)合虛擬環(huán)境進(jìn)行各種動(dòng)作設(shè)置，仿真驗(yàn)證維護(hù)和維修操作。通過仿真維護(hù)操作，檢查可能存在的干涉，并驗(yàn)證維護(hù)順序。

4.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

DPE與DPM之間的仿真數(shù)據(jù)同步，產(chǎn)品數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在VPM中，通過接口將產(chǎn)品數(shù)據(jù)同步到DPE中。通過接口，將DPE的PPR同步到DPM中，在DPM中定義裝配路徑，并將仿真數(shù)據(jù)保存到DPE數(shù)據(jù)庫(kù)中。還包括產(chǎn)品資源狀態(tài)修改記錄、產(chǎn)品流程狀態(tài)修改記錄及產(chǎn)品流程版本更改記錄。

4.6 生成3D作業(yè)指導(dǎo)書，做工序說明

工序說明見圖11。

圖11 Composer 3D作業(yè)指導(dǎo)書示意圖

4.7 輸出作業(yè)清單及仿真報(bào)告

Composer支持多種輸出格式：.exe格式；圖片格式如.bmp、.jpg、.tif、.png；視頻格式如.avi；發(fā)布格式如HTM、PDF、Office。

5 數(shù)字化工藝仿真在實(shí)際應(yīng)用的重要經(jīng)驗(yàn)

以DELMIA軟件應(yīng)用船廠數(shù)字化工藝仿真為例探討工藝仿真的重要經(jīng)驗(yàn)。

5.1 根據(jù)流程落實(shí)仿真手段和人員

工藝仿真是一個(gè)驗(yàn)證的過程同時(shí)也是一個(gè)表達(dá)的過程，工藝場(chǎng)景可以通過動(dòng)畫、圖片、報(bào)表、文字等表現(xiàn)，對(duì)于仿真手段的選取有時(shí)可以節(jié)省時(shí)間和精力，避免簡(jiǎn)單事情復(fù)雜化。仿真人員的確定對(duì)于項(xiàng)目邊界的確定、責(zé)任的劃分有著重要的作用。還可以通過任務(wù)細(xì)化把整體復(fù)雜的仿真項(xiàng)目細(xì)分成若干功能相對(duì)簡(jiǎn)單、場(chǎng)景相同的子項(xiàng)目。

5.2 對(duì)資源數(shù)據(jù)的管理

工藝仿真的數(shù)據(jù)主要包括模型（產(chǎn)品模型和資源模型）、清單、工藝步驟等信息。工藝仿真的精確度有賴于模型的細(xì)化程度及準(zhǔn)確程度。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入前需進(jìn)行資源數(shù)據(jù)的輕量化處理，以減少占用資源并方便在網(wǎng)絡(luò)上傳遞。輕量化的主要工作是：1）過濾掉不需要的信息，如模型的構(gòu)造歷史注釋、結(jié)構(gòu)特征注釋等非集合信息；2）對(duì)復(fù)雜曲線和曲面進(jìn)行簡(jiǎn)化；3）重新解構(gòu)模型，重新合并模型，對(duì)包絡(luò)線內(nèi)部的模型做刪減處理。輕量化后的模型無法再次修改需要做標(biāo)注。

資源數(shù)據(jù)不只是輕量化模型，還需要完善資源庫(kù)，采用導(dǎo)入產(chǎn)品的方式導(dǎo)入資源，保證資源具有相關(guān)屬性。

5.3 建立標(biāo)準(zhǔn)模板

包括工藝仿真流程的標(biāo)準(zhǔn)模板、仿真報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)模板、工藝仿真編碼等，實(shí)現(xiàn)工藝仿真的標(biāo)準(zhǔn)化，利于存檔和調(diào)取。

5.4 理論和實(shí)踐結(jié)合

工藝仿真還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的具體情況進(jìn)行修改，由于工藝仿真是在模型理論化、抽象畫的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，工藝仿真設(shè)計(jì)人員還需要深入車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，不斷進(jìn)行比對(duì)和完善。

6 結(jié)論

通過對(duì)總裝廠船舶虛擬建造的工藝仿真研究，可以解決船廠工藝流程優(yōu)化、工藝迭代管理和傳承、工藝質(zhì)量精細(xì)化、本質(zhì)安全生產(chǎn)等生產(chǎn)瓶頸，可提高船舶設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少船舶建造費(fèi)用，縮短船舶建造周期。

數(shù)字化工藝仿真可以涵蓋建造、維護(hù)、設(shè)備使用、客戶需求等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不易實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域，真正做到產(chǎn)品的全壽期服務(wù)。

基于以上論述，在虛擬建造環(huán)境下進(jìn)行數(shù)字化工藝仿真是切實(shí)可行同時(shí)也是十分必要的。