王 佩， 馮 波

（1． 西安電子科技大學機電工程學院，西安710071；2． 西安航空計算技術研究所，西安710065）

0 引 言

當前，產品生產過程的三維虛擬仿真，在企業(yè)及科研院所已經開始全面推廣，亟須高校培養(yǎng)學生的虛擬仿真能力，以適應企業(yè)、科研院所的需求。2017 年6月，教育部辦公廳印發(fā)了《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，推出新工科建設的戰(zhàn)略舉措［1］。同年為了促進新工科建設，教育部發(fā)布了《關于2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，緊接著2018 年發(fā)布了教育部《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》［2］，進一步推進現代虛擬仿真技術融入實驗教學項目。虛擬仿真實驗教學在高等教育中具有重要應用，是教育信息化的重要組成部分［3］。虛擬仿真實驗教學實行課堂教學與虛擬空間教學協同運行，突破了傳統實驗教學模式的時空制約，成為一種新的實驗教學模式［4-12］。

由于企業(yè)生產過程復雜，學生對企業(yè)生產過程技術和知識獲取的渠道不多，缺乏直觀、可視化的學習資料，把生產過程實踐操作訓練納入日常課程進行學習更遙不可及，使得學生在工藝、生產方面的實踐訓練不足［13-16］。機械制造課程組緊扣新工科建設，在先進制造技術相關課程的建設過程中，引入虛擬仿真實驗教學手段，針對高壓開關柜產品，依據生產企業(yè)的生產數據、設備等資源，設計虛擬仿真實驗環(huán)境和內容，搭建一個完整的高壓開關柜生產環(huán)境，包括車間布局、生產線、物流過程以及主要的工藝流程，讓學生在虛擬仿真環(huán)境中感受和理解企業(yè)的生產過程，通過反復多次的虛擬實驗，學習和掌握產品的生產制造技術，為培養(yǎng)合格的新工科人才提供支撐。

1 物流虛擬仿真實驗過程設計

在該實驗過程中利用三維設計工具對設備組成的生產線和生產單元進行三維建模和模型輕量化處理，并依據特定的工藝、物流配送等要求在虛擬仿真環(huán)境設計車間布局，建立車間三維虛擬仿真實驗環(huán)境。根據企業(yè)的生產工藝與運營流程，建立車間物流過程仿真模型，對產品生產及物流配送等過程進行實驗，對生產線設計、產品生產過程、物料配送等進行虛擬仿真與驗證。實驗內容主要包括：

（1）根據要求在虛擬仿真環(huán)境中建立生產計劃、資源、工藝參數、工藝邏輯、物流參數、制造資源布局等模型，并存儲到Excel數據表中。利用Excel工具建立工藝參數數據接口，實現與工藝、生產計劃以及物料等進行數據交換。通過Visual Basic宏語言（Visual Basic for Applications，VBA）格式接口，通過編程的方式將相關數據自動載入Quest 參數化配置界面中，快速自動生成三維仿真模型。

（2）通過三維物流仿真模型，模擬加工設備、物料緩存區(qū)、物流設備等的運作狀態(tài)，分析和發(fā)現物料阻塞、設備等待等問題，進行生產過程異常及改善措施分析。

2 虛擬仿真實驗實現過程

2.1 物流仿真實驗模型參數化設計

在物流仿真實驗模型構建過程中，采用Excel 工具建立工藝參數表單，將物流仿真過程中需要的產品工藝信息、物料生產信息及物流信息建立成表格，通過Excel的宏進行VBA 編程。將Excel 中的各種輸入數據形成批處理控制語言（Batch Control Language，BCL）文件，載入到Quest仿真模型中，實現數據驅動下參數化的三維物流仿真實驗模型的構建，具體流程如圖1所示。

圖1 物料仿真實驗模型參數化設計方法

在進行三維物流仿真模型設計時，首先構建工藝布局與三維模型，將布局與三維模型建好導入Quest中進行三維物流環(huán)境的構建。在此基礎之上進行工藝邏輯連接，建立各種模型、行車、自動導引運輸車（VGA）等的決策點，然后連接它們，形成在生產過程中的路徑，通過行車、AGV調動料物進行運送，形成物料配送傳送邏輯、傳送路徑。建立好連接關系之后再進行外部Excel數據輸入。在Excel表中，準備好各種數據，填寫生產計劃的起始及結束時間，根據起始和結束時間算出仿真的時間，設置模型的路徑以便找到項目和模型，依次設置好生產計劃表、鈑金加工、裝配、物料參數表、緩存區(qū)的表格、故障和班次，通過前面的數據總結出鈑金零件、斷路器半成品以及開關柜成品的總覽，鈑金工藝和裝配工藝的總覽，這些表格可以方便建立模型的輸入參數，最后構建一個仿真結果的存儲表格。這些信息設置完成之后，設計運行仿真過程，通過VBA來進行BCL參數讀入，啟動加載Quest。運行仿真是通過Excel指定宏實現的，通過Excel中選項—自定義功能—開發(fā)工具，啟動VBA 開發(fā)環(huán)境，實現運行仿真功能的設計，具體如圖2 所示。

圖2 Excel中的指定宏

VBA程序主要分成幾個關鍵功能，獲取模型所在位置，寫入BCL 文件，通過BCL 命令文件加載Quest，建立自動化接口使此宏可以啟動BCL 命令文件加載的Quest模型。這樣可以把Excel中的設置的零件、工藝、設備等數據信息寫入BCL，并把BCL 文件加載到Quest中，實現對Quest里面的邏輯設置。在BCL讀入的過程中先創(chuàng)建零件，再創(chuàng)建工藝和設備參數，設置物料搬運系統的運行速度，然后加載Quest。同時把Quest的仿真結果輸出至Excel 中，在Quest 的邏輯（LOGICS）文件夾下面通過． txt 文件編寫輸出邏輯，這個是自定義輸出仿真結果定義的，通過這個邏輯加載到Quest之中，當模型運行完成之后生成所需要的結果數據，輸出結果保存在輸出（OUTPUT）文件夾，再由Excel的VBA程序進行讀取，可以由在Excel中仿真結果工作表下讀入自定義的仿真結果。輸入數據是Quest非常重要的參數配置來源，主要包括工藝及生產準備數據、物流參數數據等，數據示例見表1、2，RGV為有軌制導車輛（Rail Guided Vehicle，RGV）。

表1 工藝及生產數據準備

表2 物流參數設置

2.2 三維物流仿真實驗模型構建

建立的仿真實驗模型，主要包括行車軌道（Crane_Track），地面平板車軌道（AGV_Track），生產線設備（machine）建模，車間線邊庫（Buffer）包括原料庫、鈑金半成品庫、二次配線半成品、斷路器半成品庫、開關柜成品庫等。仿真模型中常包含不同類型的工藝，如循環(huán)、裝載、卸料、維修和準備過程等。生產仿真物流過程中可以通過工藝過程的設置，來實現對零件（Part）物料、運輸設備AGV、工人（Labor）等定義需求的資源，以及對工藝時間和產品的設置。通過建模過程（Model Process）用戶頁面可以打開Process 操作欄以及對應的按鈕操作區(qū)。通過這些按鈕操作，學生可以根據實驗要求或者自主實驗設計創(chuàng)建、修改各種類型的加工過程，如圖3 所示。

（1）循環(huán)過程（Cycle Process）設置。循環(huán)過程是機器設備運行的關鍵。例如，對一臺需要完成一個裝配過程的機器設備，則循環(huán)過程將定義需要的零件種類與數量、生產的產品以及整個裝配過程的循環(huán)時間。應當注意的是，循環(huán)過程（Cycle Process）只對Machine元素類適用。通常，機器設備元素在仿真中用于表示一個工作單元，或者用于表示其他任何邏輯處理元件（Component）。在這些邏輯處理元件上，可對零件進行一般意義上的組合、拆分操作，或產生相同或不同的產品。

圖3 Cycle Process 定義

學生在選中一個加工過程進行修改或創(chuàng)建新的加工過程中，會得到如下所示的Cycle Process Definition對話框，在此對話框中可以設置物料循環(huán)生產過程的不同屬性值，如圖4 所示。

圖4 Cycle Process定義對話框

（2）命令（Order）設置。學生可設計生產過程工人（Labor）、Parts和AGV的需求順序，如圖5 所示。可以進行如下實驗操作：

模式（Mode） 確定單個資源如Part，Labor，或AGV被Process需求的順序方式。如果選擇As Avail，則資源可即時被使用。如果選擇All 時，只有當所有要求的資源都可用時，加工過程才會使用這些資源。

順序（Sequence） 確定Process 對不同資源的需求順序。默認方式為先需求Part，其次Labor，最后是AGV。

圖5 Process處理順序設置

（3） 零件（Parts）。在零件需求（Part Requirement）對話框中設置加工過程對Part 的要求。具體的Part要求可以設置為Any Part，或是模型內指定Part類型的組合。有效值為從0 到任意正整數。

學生設定加工過程對Part 的需求為1 個Part1，1個Part2 類型，直到存在至少1 個Part1 和1 個Part2 類型可用，加工過程才會開始。如圖6 所示，當Part1 和Part2 的數量都被設置為1 時，加工過程才會按照設置的參數去執(zhí)行。

圖6 Part輸入輸出設置對話框

（4）工人（Labor）設置。學生通過選擇此按鈕可以定義加工過程對Labor的要求?？梢詮腖abor Class中設定任意可用的Labor 單元，或者指定一個具體Labor 類的Labor 元素。圖7 所示為Labor Requirements對話框，表明加工過程對不同Labor的要求，其中必須包含1 個Labor1。

圖7 Process所需工人設置

（5）自動引導運輸車（AGV）運輸設置。學生可以定義一個或多個AGV 作為加工過程的運輸要求?？梢栽O置Any AGV，或具體的AGV類，來滿足加工過程對運輸設備的要求。AGV Required 區(qū)域設置為Yes／ No選項，因為AGV 每次只能夠移動到一個決策點。如果在Required區(qū)域允許設置多個AGV，加工過程在等待滿足條件AGV時經常會發(fā)生被鎖住的現象。

如果決策點索引（Dec Point Index）值設置為2 個或以上，則必須至少有2 個或以上數量的輸入連接到AGV路徑上的決策點，如圖8 所示。

圖8 AGV需求設置

（6）循環(huán)時間（Cycle Time）。定義循環(huán)過程的工作時間。循環(huán)時間可以是常數值或是各種隨機分布類型。時間分布對話框如圖9 所示。

圖9 循環(huán)工作時間設置

（7）產品（Products）設置。產品本質上是零件類，作為加工過程產生的結果。如果用戶想要銷毀一個零件類，此處可以操作實現。同樣，還可以創(chuàng)建一個之前沒有存在的產品，如圖10 所示。

圖10 裝配／拆卸工藝設置

（8）仿真時間設置及運行仿真。在Excel中進行仿真時間、運行仿真設置，如圖11 所示。同時將在Excel中輸入的數據進行Quest 啟動與參數加載，如圖12 所示。

圖11 Excel中仿真時間與運行仿真設置

圖12 通過VBA進行Excel輸入參數讀取、BCL寫入及Quest啟動

3 實驗結果

結合實際生產數據進行虛擬仿真結果分析，主要包括：設置的線邊緩存區(qū)的空間是否滿足要求，物流轉運工具的利用率分析，缺料對生產計劃的影響分析。Quest仿真之后生成的仿真分析報告如圖13 所示。

對車間生產系統的主要物流設備利用率進行分析，分析物流設備的繁忙時間和阻塞時間，為物流設備優(yōu)化調度提供決策數據。對重點生產設備利用率進行分析，包括各生產設備的利用率、繁忙時間、阻塞時間等。物料緩存區(qū)利用率如圖14 所示，可以得到生產線工位的緩沖區(qū)都占用比較大，特別是二次配線工位，說明其是一個非常明顯的瓶頸工位，可以通過增加操作工位解決瓶頸。同時鈑金半成品多是由于一個鈑金加工設備有故障，物流積壓。

圖13 系統仿真測試報告

圖14 物料緩存區(qū)利用率分析

同時可以分析出物料配送工具的利用情況，如圖15 所示，由于配送工具造成的阻塞時間為零，而且物流設備利用率值都偏中下，因此物流工具設計較合理。

圖15 物流、生產設備利用率分析結果

通過工位的產品堆積情況，進行生產瓶頸分析，分出主要及次要瓶頸，指導物料配送。如圖16 所示可以很直觀地觀察到物流堆積和產品堆積兩種生產瓶頸，經分析發(fā)現物料堆積因是因為物料不齊套引起，產品堆積是因為產品生產線下一個工位出現故障造成的。根據分析的原因調整物料配送的時間和數量，消除物料堆積的現象。

4 提高虛擬仿真教學效果的措施

為保證開關柜制造過程虛擬仿真教學效果，采用了以下一些措施：

圖16 生產瓶頸分析

（1）各工位的作業(yè)標準時間是生產計劃及物流仿真的重要基礎參數，數據的準確性直接影響仿真結果的真實性。

（2）通過設備狀態(tài)數據（故障，忙，閑等）和生產節(jié)拍數據驅動虛擬車間模擬運行，對物料流轉和生產節(jié)拍進行分析，評估車間計劃、物料分配和生產節(jié)拍的合理性。

（3）理解工位之間的物料緩存區(qū)的概念，由于設備故障率，物料齊套的影響，需要的緩存區(qū)的大小不一樣，要考慮偶然因素。

（4）對于物料搬運設備，分析各條生產線的物料轉運水平，是否造成設備物料的等待與阻塞。

（5）進行生產線停機／設備故障等對生產計劃的影響分析。

（6）進行物料齊套對生產計劃的影響分析

5 結 語

本實驗在高壓開關柜制造過程教學中意義在于：

（1）在高壓開關柜復雜機電裝備制造相關專業(yè)課程的教學中，虛擬仿真實驗能夠把高壓開關柜（特別是大型高壓開關柜）制造過程生動形象地式呈現出來，使學生加深對典型高壓開關柜的理解，是對實驗教學和理論教學的有效補充和拓展。

（2）通過典型高壓開關柜虛擬制造仿真，學生可以深刻理解裝配物料、裝配工藝、設備、物料緩沖區(qū)、生產計劃、物料配送路徑和設備故障對產品產能和影響，可以豐富理論教學，使學生接觸和使用更多的生產信息，并通過仿真手段分析產品生產過程，開拓學生的分析問題的思路，全面提升學生的實踐能力。

（3）改善實驗教學過程中企業(yè)實際生產環(huán)境與生產流程信息不足等問題。