數字化技術淺析

林彬峰 劉冬梅

（信陽高級技工學校，河南 信陽 464000）

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

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

工藝設計：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備、工裝、工時等信息的過程。在數控加工環(huán)境下，則需要編制零件的數控加工代碼。

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

工藝管理：管理工藝規(guī)劃、工藝設計、工藝仿真過程中產生的文檔、數據以及這些文檔、數據的生產過程。

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

在產品的研發(fā)設計周期，制造企業(yè)通常需要感念設計軟件、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。產品全生命周期中最為復雜且難以管理的是產品的制造周期。為了滿足生產制造管理的需要，不少企業(yè)先后引入了SCM（供應鏈管理）、MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）和ERP（企業(yè)資源計劃）。但是在研發(fā)設計系統(tǒng)和生產制造系統(tǒng)之間，缺乏一個有效的手段對在虛擬環(huán)境中的產品工藝規(guī)劃、工藝設計等信息進行輔助設計和仿真。

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

一、機器人離線編程及仿真技術

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，一般有設備提供商或者專業(yè)機構在生產線安裝時一次性編程并設置到位，設置完成后，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)無法進行有效的調整。而事實上，由于客戶的需求的變化，生產線上生產的產品可能每隔一段時間就會進行調整；同時，由于產能需求不恒定，因此生產節(jié)拍可能也需要每隔一段時間進行調整。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整以及仿真的能力。

數字化制造技術中的機器人離線編程及仿真技術解決了這個難題。它預置了目前世界上比較常見的通用的幾個機器人供應商及各個工種的工業(yè)機器人，同時它可以導入三維CAD設計的零部件，工藝人員可以在可視化的環(huán)境中設計工業(yè)機器人的工作路徑和工作節(jié)拍，結合工廠三維設計及物流仿真工具，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，設計最為合適的工作節(jié)拍。對于包括ABB、KUKA在內的世界頂級工業(yè)機器人的良好支持，使得數字化制造環(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

目前生產制造的大部分工序還離不開人工的干預和操作，在許多復雜裝配制造領域（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，對現場的操作人員必須盡到安全保護的義務。因此在工藝規(guī)劃設計的時候，必須要考慮生產加工中可能給人帶來的危險，并盡量避免傷害的產生。

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)境的相互關系和相互作用的規(guī)律，以優(yōu)化人-機-環(huán)境。

數字化制造技術中的人機作業(yè)工程工具可以有效的模擬和仿真現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)的設計方法不同，數字化制造技術中的人機作業(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，它還可以幫助設計人員對使用產品的人機工程進行仿真和分析，幫助設計人員對產品設計進行優(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)人員在產品制造過程的不同感受，以根據地域設計開發(fā)不同的產品、規(guī)劃不同的工藝布局和路線。

結語：

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