李增增

摘要：通過對Process Simulation軟件應用于仿真風電行業(yè)裝配工藝過程的分析和研究，闡述了本公司建設工藝仿真能力的基本流程，在此基礎上進一步探討了加強工藝仿真能力建設的方式方法，著重于構建加強工藝仿真能力建設的復用流程，致力于工藝仿真能力的標準化建設，使得工藝仿真能夠有效助推設計、工藝、制造一體的數字化雙胞胎和智能制造的快速實現。

關鍵詞：仿真風電行業(yè) 裝配工藝 Process Simulation 工藝仿真能力

Research on Process Simulation Capability Construction Based on Process Simulation

LI Zengzeng

（Shanghai Electric Wind Power Group Co.，Ltd.， Shanghai， 200233 China）

Abstract： Through the analysis and research on the application of Process Simulation software to simulate the assembly process of wind power industry， this paper expounds the basic process of building process simulation capability and tries to find a better method to strengthen the building of process simulation capability. By constructing a reuse process to standardize process of process simulation， boosting the rapid realization of digital twins and intelligent manufacturing.

Key Words：Simulated wind power industry; Assembly process; Process Simulation; Process simulation capability

據統計，產品的裝配費用占據整個生產成本的30%-50%，乃至更高。在風電機組的制造過程中，裝配也占據了重要的地位。以提高質量和效率、降低成本為目標，對產品裝配過程進行改進和在規(guī)劃，是增強企業(yè)競爭力的重要環(huán)節(jié)。裝配過程中常見的問題包括零件裝配干涉、裝配順序有誤、工裝工具發(fā)生干涉、復雜工裝運動動作有誤、工具設備與環(huán)境沖突、人工操作空間不足等。傳統對于上述問題的解決即產品的裝配性驗證的方法主要為物理模式——試裝。風機新產品開發(fā)時，普遍采用“樣機”驗證其可裝配性和實際性能，風機樣機的試裝費用一般需要300-800萬，試裝時間2-8周不等，成本高，時間久。通過采用工藝仿真軟件對裝配工藝進行仿真可以解決這些問題[1]。三維可視化裝配工藝仿真可以在計算機虛擬環(huán)境下，驗證裝配工藝可行性，優(yōu)化制造裝配工藝過程，盡早發(fā)現問題、解決問題，減少現場重做和返工，提高產品的一次生產正確率[2]。同時，分析操作空間與人的身高與體重沖突等因素造成的操作使用問題，從人機工效的角度，解決產品設計的合理性、工藝可行性等問題，保護工人的人身安全和健康[3]。

工藝仿真在汽車、航空等領域的應用，有效證明了通過工藝仿真等可快速產品實現設計裝配運維全生命周期各環(huán)節(jié)的迭代優(yōu)化，從而提高研發(fā)效率，降低制造成本，縮短產品全生命周期[4]。

公司引進Process Simulation（以下簡稱PS）軟件，對風機整機車間裝配和風場安裝整個裝配過程進行仿真。目的就是降低樣機設計制造后端問題，縮短風機設計制造及風場安裝的整體時間，同時建設并加強公司內部的工藝仿真能力，最終實現數字化樣機對物理樣機的替代[5]。本文通過對PS引進和應用的整個過程的分析和研究，探究加強工藝仿真能力建設的方式方法，并構建加強工藝仿真能力建設的復用流程，致力于工藝仿真的標準化建設，使其有效助推設計、工藝、制造一體化的數字化雙胞胎和智能制造的快速實現[6]。

1工藝仿真能力建設的過程

本文以PS軟件為例，展現并分析公司裝配工藝仿真能力建設的過程。PS軟件作為目前主流的工藝仿真軟件，已經被越來越多的公司引進并應用[7] 。

1.1軟件安裝

1.1.1 軟件安裝

Tecnomatix是一套全面的數字化制造解決方案組合，是Process Designerand Process Simulation（PDPS），Plant Simulation， Robcad等一系列軟件的合集。 Tecnomatix 一般有3層結構和多層結構兩種形式，多層結構主要是增加了Web服務器和其它服務器。如：域服務器等。目前國內主要采用3層結構，首先安裝Oracle（數據庫），然后安裝eMServer，最后安裝Client在操作人員電腦上。

PS軟件需要用到幾乎全部的產品數據模型及制造工廠的設備資源等大量信息，軟件的安裝需要充分考慮到信息的保密性以及其與其他平臺、軟件的融合問題。本公司擁有專門的產品設計平臺，PS軟件需要架構到該設計平臺，有助于實現設計和工藝仿真的協同化操作，當然與此同時也增加了軟件安裝維護的難度。

1.2.2 基礎操作培訓

本次仿真對風機整機車間裝配和風場安裝整個裝配過程進行了仿真，需要設計、工藝、風場工服各方協同。首先對人員進行軟件的認識和基礎操作進行了培訓，包括PS界面概述、PS建模、PS仿真操作、PS人因工程等方面的培訓。培訓前制定了合理的培訓計劃，配合適度的練習，并輸出了培訓考核表。

1.2 ? 需求調研

1.2.1仿真需求

仿真需要產品數據、資源數據、裝配工藝流程文件、標準及規(guī)范、特殊要求等一系列資料。

產品數據不僅包括公司自己設計的產品數模，甚至包括一些外購件的整體數模。本公司產品是以NX12.0的裝配方式提供，外購件以整體part的形式提供。

資源數據包括大量的標準工具數模、自制工裝工具數模、工廠布局圖（dwg格式）、特種設備和運輸設備的型號行程限位參數等。

標準及規(guī)范包含安全、標準作業(yè)及企業(yè)形象文化等方面的資料，例如公司工藝報表模板等。

特殊要求需要規(guī)定仿真的關鍵工藝過程和特殊零件的重點仿真等。公司樣機和量產時的工藝布局和使用資源有些區(qū)別，仿真特別要求需要進行區(qū)分仿真。

1.2.2仿真實施計劃

仿真實施計劃包括總體計劃、月計劃、周計劃和與之相應的實施方案。因本次仿真工作量巨大，月計劃和周計劃還區(qū)分了不同的模塊。

1.3數據準備

上文提及的產品數據和資源數據以NX12.0的裝配方式或整體part的形式提供，這些均需要轉換成PS識別的格式。PS支持Co文件和JT文件，同時支持Xml文件;對于各種CAD文件，可通過轉換為JT文件為PS使用。

1.4工藝規(guī)劃

工藝規(guī)劃的過程和現實中的工藝規(guī)劃類似，需要在PDPS軟件中形成IPA樹。例如，本次仿真中，首先分為車間裝配和風場安裝兩大塊（工廠級別的規(guī)劃）;接著，其中的車間安裝又分為機艙、輪轂、驅動鏈3個模塊（產線級別的規(guī)劃）;然后，其中機艙模塊又分為7個工位（工位級別的規(guī)劃）;最后的工藝仿真實質就是進行工序級別的仿真。

本次仿真每個模塊都需要1-2人協同操作，產品數據、廠級或產線級別的資源數據（例如行車）會被共用。為了避免單人誤操作導致的整體數據混亂，需要特別注意協同操作規(guī)范，故特別制定了多人協同實施規(guī)范并進行了培訓。

1.5工藝驗證

工藝驗證大體可以分為裝配工藝流程的驗證和人工操作的驗證這兩方面。兩者是可以分開建立仿真模型的，即可以先根據裝配工藝流程建立完整的仿真過程，然后再添加人工操作的仿真。

工藝驗證需要輸出仿真分析報告、干涉分析報告、工藝卡、工藝時序圖、過程問題記錄和人因工程學報告等，是驗證裝配工藝流程的實操階段，直接影響仿真的最終效果。

2加強工藝仿真能力的方法

工藝仿真能力建設的過程是從無到有的過程，基本的建設流程遵循一般的項目實施規(guī)律，但是當和公司實際產品、實際業(yè)務等相融合時，會遇到各種不可預料的問題。上文中對于本公司在工藝仿真能力建設過程中的一般流程和特別注意事項做了較為完整的描述。

如同汽車行業(yè)用了差不多10年的時間才將工藝仿真輸出作為汽車廠房建設的必備要求之一一樣，風電等其他類似的制造業(yè)也需要不斷加深對工藝仿真的應用，不斷加強工藝仿真的能力，才能切實革新公司設計工藝和制造的方式，切實推進向數字化企業(yè)轉換的變革[8]。

基于對本公司裝配仿真能力建設過程的分析和研究，本文以最終實現標準化為目標，以最少投入為原則，提出5點加強工藝仿真能力的可行性建議：

2.1文檔資料的復用

在工藝仿真能力建立的各個階段，都需要使用文檔來記錄，它是被使用最多頻的一種記錄方式。是否能夠做到文檔資料的復用是工藝仿真能力強化、傳承、迭代的關鍵。

在安裝培訓階段，需要形成《軟件安裝向導》《軟件維護手冊》《PS仿真培訓計劃》《培訓考核表》等文檔資料;在需求調研階段，需要形成《需求調研計劃》《調研報告》《實施計劃》《實施方案》等文檔資料;在數據準備階段，需要形成《數據類型與轉換》《數據轉換規(guī)范》等文檔資料;在工藝規(guī)劃階段，需要形成《多人協同實施規(guī)范》等文檔資料;在工藝驗證階段，需要形成《PS操作規(guī)范》《干涉分析報告》《工藝卡》《人體工程學報告》《過程問題記錄》等文檔資料。

針對文檔資料的復用：首先，通過構建上述各種資料的標準化模板，保證文檔資料的記錄和傳承;然后，結合公司的文檔管理系統，將這文檔資料作為知識資源發(fā)布到公共平臺，達到文檔資料的復用和迭代。這樣，這些資料將會被長時間的保留，同時也可以被其他人員翻閱學習。

2.2數模資料的復用

數模資源的復用具有其特殊性，如上文所述數模資源主要包括產品數模和工具設備數模等。尤其是產品數模，涉及到保密性的問題，每個公司都會對其進行嚴格的控制。

針對數模資料的復用：首先，通過建立工藝資源庫，專門用于放置仿真所需要的工具設備的數模;然后，將工藝資源庫集成于設計平臺，成為設計平臺的補充部分。這樣，可以構建設計工藝一體化的產品研發(fā)模式，設計人員也可以在設計時調用工具設備資源，保證其設計的可裝配性，同時工具設備數模和產品數模采取了同樣的管理模式，達到了保密性的要求。

2.3仿真操作過程的復用

對于基于某一產品開發(fā)的新產品，或是不同產品的裝配過程，都有大量的重復的安裝工藝流程。例如，在風機整機的安裝過程中，螺栓的緊固過程和各部件吊裝過程都是會不斷重復的工藝過程。仿真操作過程的復用可以大大地減少這些重復過程地仿真工作。

針對仿真操作過程的復用：通過創(chuàng)建仿真標準工作流程，構建合適顆粒度的仿真基本工藝流程作為模板，使其可以直接被新的仿真調用;借助PS軟件中自帶的人體標準姿勢庫等，建立裝配過程中常見的人體姿態(tài)，包括手部姿態(tài)等，后續(xù)也可以被直接調用。

2.4視頻資料的復用

視頻資料也存在于工藝仿真能力建立的各個階段，可以基本和文檔資料一一對應。視頻資料的復用相比文檔資料，需要更大的存儲空間和更強的監(jiān)管（有些視頻資料的保密要求更高）。

針對視頻資料的復用：首先，需要保證工藝仿真能力建設的各個階段保留了足夠多的視頻資料，如果其比文檔資料更多，更有利于后續(xù)的加強建設;然后，視頻資料歸屬仿真小組（或專屬部門）管理，并通過制作成系列的微視頻進行教學，不斷普及仿真的基本操作，提升全員的仿真能力，形成源源不斷的仿真人力資源池。

2.5仿真實施流程的復用

仿真實施流程的復用是所有階段的最后一環(huán)，實操才會出結果，有效的實操才能充分運用仿真技術，為企業(yè)創(chuàng)造價值。

針對仿真實施流程的復用：首先，通過仿真實施過程的流程圖來展現仿真的整體操作流程，方便了解仿真的各個階段;然后，通過細分各個階段的輸入或輸出，保證仿真實施過程的高效性、完整性和有用性;最后，通過仿真實施過程的記錄表來監(jiān)督仿真的實操過程，確保按時得到有效的輸出物。

3工藝仿真的擴展應用

工藝仿真的充分應用是實現數字雙胞胎技術的前提。數字雙胞胎技術通過傳感器和實況顯示屏實時檢查裝配情況、裝配數據、事故點位[9]。一方面，可以用于可視化指導裝配操作，操作報錯，實現“傻瓜式”裝配;另一方面，可以基于人工智能進行事故原因分析，最終實現精準裝配和維護[10]。所以，不斷加強工藝仿真能力建設，不斷深化工藝仿真的應用有助于加快實現企業(yè)的數字化和工廠的智能化的進程。

4結語

通過應用包括工藝仿真等在內的數字化技術手段，有助于企業(yè)將后期物理驗證轉換成前期虛擬驗證降低制造成本，有助于企業(yè)充分利用前端后端數據提高研發(fā)有效性，有助于企業(yè)建立實時監(jiān)測控制系統實現遠程精準控制和維護，是未來企業(yè)發(fā)展的必由之路。

參考文獻

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