■ 周鑫 張森堂 高陽 / 中國航發(fā)黎明

數(shù)字化工廠3D布局規(guī)劃與仿真技術(shù)能夠?qū)S生產(chǎn)線、設(shè)備、生產(chǎn)制造工藝路徑、物流等進行預(yù)規(guī)劃、分析、評估、驗證，從而減少技術(shù)改造投入成本、縮短方案規(guī)劃及評審周期、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

傳統(tǒng)的工廠工藝布局全部依托二維（2D）圖樣制訂廠房改造計劃、設(shè)計生產(chǎn)線建設(shè)方案，無法體現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備在時間和空間上的邏輯關(guān)系，導(dǎo)致技改資源投入大、效益低、產(chǎn)能浪費現(xiàn)象嚴重。創(chuàng)新團隊根據(jù)航空發(fā)動機變品種、小批量生產(chǎn)車間的特點，基于盡量減少和消除不必要的車間作業(yè)的原則，從求解流程、模型構(gòu)建、模型分析3個層面對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝布局規(guī)劃理論與方法進行綜合分析。在此基礎(chǔ)上，形成航空發(fā)動機多品種、小批量、離散式數(shù)字化工廠三維（3D）布局規(guī)劃建模、仿真、分析及評價方法，為數(shù)字化、自動化生產(chǎn)線的建設(shè)及改造提供技術(shù)支撐。

航空發(fā)動機零件生產(chǎn)線仿真示意

數(shù)字化工廠建模技術(shù)路線

數(shù)字化工廠建模主要從車間工藝布局立體化、生產(chǎn)運行動態(tài)虛擬化、運行過程數(shù)據(jù)顯性化3個維度解決生產(chǎn)車間數(shù)字化改造的實際問題。生產(chǎn)車間工藝布局立體化是生產(chǎn)車間工藝布局的具體化過程，核心是工藝布局，要做到相對獨立的車間工藝布局一次做好，獲得長期收益，必須解決車間工藝布局二維圖的引用、應(yīng)用環(huán)境構(gòu)建、模型、關(guān)聯(lián)（通過模型間的關(guān)聯(lián)實現(xiàn)設(shè)施或單元之間的關(guān)聯(lián)）4個層次的問題。生產(chǎn)運行虛擬化解決的是生產(chǎn)車間或自動化生產(chǎn)線動態(tài)展示的問題，核心是環(huán)境的構(gòu)建和動態(tài)運行機制的定義，在此基礎(chǔ)上的生產(chǎn)車間仿真環(huán)境將結(jié)合需求不斷被迭代分析、不斷隨工藝布局修訂和迭代分析結(jié)果而持續(xù)完善。運行過程數(shù)據(jù)顯性化則是通過觀察設(shè)備利用率的變化，找出生產(chǎn)線的瓶頸設(shè)備，并作為生產(chǎn)線優(yōu)化的依據(jù)。

數(shù)字化工廠建模與仿真集成應(yīng)用總體思路

運行過程數(shù)據(jù)顯性化示意

數(shù)字化工廠建模關(guān)鍵技術(shù)

通過對數(shù)字化工廠建模技術(shù)路線的梳理，創(chuàng)新團隊確定了實現(xiàn)技術(shù)路線所需突破的幾項關(guān)鍵技術(shù)。

模型輕量化技術(shù)

航空發(fā)動機零部件通常采取面向?qū)ο蟮姆绞酵瓿闪憬M件建模，1個零件內(nèi)存占用量超過20MB。1臺航空發(fā)動機通常由上萬個零組件裝配而成，內(nèi)存占用量超過10GB。數(shù)字化工廠建模需要引入完整的零組件模型、加工設(shè)備模型、傳動裝置模型等。模型輕量化之前，單條生產(chǎn)線內(nèi)存占用量超過20GB。保持原始模型不變，90%以上的計算機無法查閱和編輯生產(chǎn)線模型。為保證數(shù)字化工廠建模工作的實施，必須突破模型輕量化技術(shù)，將模型進行縮減。模型塌陷技術(shù)是目前模型輕量化應(yīng)用效果較好的關(guān)鍵技術(shù)，通過模型塌陷，原始模型內(nèi)存占有量可縮小為原始模型占有量的十分之一。在數(shù)字化工廠建模之前，通過特征過濾，將模型中的孔隙、電纜等特征部件進行刪除，進一步輕量化模型，可以實現(xiàn)發(fā)動機總裝模型內(nèi)存占有量從1GB縮至20MB以內(nèi)。

人機交互模型構(gòu)建技術(shù)

數(shù)字化工廠中，校準(zhǔn)、搬運等工作需要人的協(xié)作，因此在數(shù)字化工廠建模時，必須將人的因素考慮到工廠模型中。通過人機交互模型構(gòu)建，可以實現(xiàn)人員運動軌跡定義、人機協(xié)作模式定義，并且可以用于生產(chǎn)線安全性判斷、人員時間消耗分析。

設(shè)備實體模型構(gòu)建及矩陣變換技術(shù)

生產(chǎn)線中的生產(chǎn)設(shè)備模型，主要以供應(yīng)商提供、激光掃描建模、人工測繪建模等方式完成，但創(chuàng)建的模型只能用于靜態(tài)的展示，無法用于開展物流建模、動態(tài)仿真、利用率分析等研究工作。設(shè)備實體模型構(gòu)建及矩陣變換技術(shù)可以實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備模型位置的擺放、運動機構(gòu)的拆分、行程極限的設(shè)定、運動軌跡的編輯等工作。生產(chǎn)設(shè)備模型構(gòu)建主要包括機床運動機構(gòu)定義、設(shè)備坐標(biāo)系創(chuàng)建、設(shè)備空間位置變換3個步驟。

生產(chǎn)線平衡效果的評價指標(biāo)

通常采用裝配生產(chǎn)線的平衡率、平衡損耗率以及平滑性指數(shù)等幾個指標(biāo)來直觀地衡量裝配生產(chǎn)線平衡的好壞。對生產(chǎn)線所有作業(yè)元素所耗時間進行累加，求解每臺設(shè)備上每個作業(yè)所消耗的平均時間，將平均時間與單個作業(yè)最大消耗時間相除，即可得到生產(chǎn)線平衡率。生產(chǎn)線的平衡損耗是由于裝配生產(chǎn)線上工作站之間作業(yè)分配不均導(dǎo)致的，首先按照每臺工作站都采用最大作業(yè)時間來計算生產(chǎn)線的虛擬時間，將虛擬時間與實際生產(chǎn)線生產(chǎn)作業(yè)時間相減得到時間差值，所得差值與虛擬時間相除即可得到生產(chǎn)線平衡損耗率，生產(chǎn)線的平衡損耗率越大，表示工位損失時間越多。根據(jù)連續(xù)生產(chǎn)15天的實際生產(chǎn)值除以每天的設(shè)備利用率變化，計算出平滑性指數(shù)，根據(jù)平滑性指數(shù)的數(shù)值，預(yù)測未來生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。

數(shù)字化工廠建模技術(shù)實踐

創(chuàng)新團隊以廠房的數(shù)字化工廠建模為例進行了技術(shù)實踐。廠房總建筑面積約15000m2，涉及鈦合金筒形焊接機匣類、隔熱屏組件類等系列產(chǎn)品的生產(chǎn)。數(shù)字化工廠建模工作流程為串行工作流程，共分為工藝平面布置圖導(dǎo)入、導(dǎo)入文件編輯、效果圖框架搭建、自定義布局組件搭建、非標(biāo)設(shè)備建模、工藝布局效果圖搭建、效果圖文件生成及輸出等7個步驟，以下逐一說明。

一是工藝平面布置圖導(dǎo)入。通過數(shù)字化工廠仿真軟件Visual Components， 可 以 將CAD文 件 直接導(dǎo)入到3D格式中。因為Visual Components支持來自許多領(lǐng)先的CAD供應(yīng)商的CAD文件類型，可以輕松導(dǎo)入由Autodesk、達索、PTC、西門子等公司使用流行軟件應(yīng)用程序創(chuàng)建的幾何文件。

二是導(dǎo)入文件編輯。在圖樣等文件導(dǎo)入過程中，可以根據(jù)實際情況選擇導(dǎo)入圖樣的類型及格式。圖樣鎖定后，可以將圖樣作為唯一參考基準(zhǔn)進行數(shù)字化工廠建模。

三是效果圖框架搭建。導(dǎo)入平面工藝布局圖后，即可根據(jù)所用到的組件進行搭建。

四是自定義布局組件搭建。預(yù)先定義2300個參數(shù)化的組件，其中包括來自工業(yè)自動化領(lǐng)域幾十種品牌的機器人、傳送帶、智能貨架、自動引導(dǎo)小車（AGV）、數(shù)控加工機床、龍門架、產(chǎn)線外圍、人機協(xié)作元素等。非標(biāo)設(shè)備或者庫里沒有的設(shè)備則可以創(chuàng)建私有庫，通過導(dǎo)入模型，賦予行為動作，添加信號，生成組件，存入私有庫，結(jié)合使用網(wǎng)絡(luò)庫和私有庫來進行布局搭建。

五是非標(biāo)設(shè)備建模。以創(chuàng)建機床組件為例，導(dǎo)入模型。在導(dǎo)入模型的時候，可以根據(jù)需求，選擇模型的細節(jié)、品質(zhì)的高低、是否需要過濾不必要的孔洞、幾何元和特征樹按照什么類型導(dǎo)入等。

六是工藝布局效果圖搭建。根據(jù)導(dǎo)入的圖樣，進行設(shè)備組件的位置擺放，形成靜態(tài)布局圖，然后進行動作和工藝流程設(shè)定。在進行布局搭建的時候，可以直接從網(wǎng)絡(luò)組件庫中將組件拖到場景里，利用即插即用的功能，快速構(gòu)建布局。使用屬性編輯功能可以修改預(yù)定義的組件參數(shù)，如尺寸、速度和顏色等。當(dāng)建立私有庫時，可以通過使用私有庫以及公共庫中的組件進行快速搭建。

CAD圖樣導(dǎo)入效果

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備數(shù)據(jù)庫

布局搭建

圖形及3D/PDF顯示

七是效果圖文件生成及輸出。Visual Components導(dǎo)出的文件主要有5種，并且支持多種渲染模式，包括可互動操作的PDF文件、4K超清圖片及視頻錄制、虛擬現(xiàn)實（VR）視頻顯示等。

創(chuàng)新團隊以一款機匣的生產(chǎn)線為例，通過二次開發(fā)實現(xiàn)設(shè)備利用率的實時交互顯示，通過調(diào)整物流路徑、生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)置緩沖區(qū)，制訂了3種優(yōu)化方案，優(yōu)化后生產(chǎn)能力從每季度50件，提升到每季度226件，產(chǎn)能提升3倍，創(chuàng)造價值千萬余元。

結(jié)束語

本項目所突破的關(guān)鍵技術(shù)不僅適合在公司范圍內(nèi)推廣應(yīng)用，同時具備向行業(yè)推廣的潛質(zhì)。通過數(shù)字化工廠3D布局規(guī)劃與仿真技術(shù)實踐，應(yīng)用分析及優(yōu)化技術(shù)，物流周轉(zhuǎn)時間可縮短20%，生產(chǎn)能力提升3倍以上，每條生產(chǎn)線瓶頸突破后可以創(chuàng)造新增價值百萬元，未來作為生產(chǎn)線建設(shè)的重要支撐技術(shù)之一將持續(xù)創(chuàng)造更多價值。