基于Process Simulation 的工艺仿真能力建设研究

李增增

摘要：通过对Process Simulation软件应用于仿真风电行业装配工艺过程的分析和研究，阐述了本公司建设工艺仿真能力的基本流程，在此基础上进一步探讨了加强工艺仿真能力建设的方式方法，着重于构建加强工艺仿真能力建设的复用流程，致力于工艺仿真能力的标准化建设，使得工艺仿真能够有效助推设计、工艺、制造一体的数字化双胞胎和智能制造的快速实现。

关键词：仿真风电行业 装配工艺 Process Simulation 工艺仿真能力

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

據统计，产品的装配费用占据整个生产成本的30%-50%，乃至更高。在风电机组的制造过程中，装配也占据了重要的地位。以提高质量和效率、降低成本为目标，对产品装配过程进行改进和在规划，是增强企业竞争力的重要环节。装配过程中常见的问题包括零件装配干涉、装配顺序有误、工装工具发生干涉、复杂工装运动动作有误、工具设备与环境冲突、人工操作空间不足等。传统对于上述问题的解决即产品的装配性验证的方法主要为物理模式——试装。风机新产品开发时，普遍采用“样机”验证其可装配性和实际性能，风机样机的试装费用一般需要300-800万，试装时间2-8周不等，成本高，时间久。通过采用工艺仿真软件对装配工艺进行仿真可以解决这些问题[1]。三维可视化装配工艺仿真可以在计算机虚拟环境下，验证装配工艺可行性，优化制造装配工艺过程，尽早发现问题、解决问题，减少现场重做和返工，提高产品的一次生产正确率[2]。同时，分析操作空间与人的身高与体重冲突等因素造成的操作使用问题，从人机工效的角度，解决产品设计的合理性、工艺可行性等问题，保护工人的人身安全和健康[3]。

工艺仿真在汽车、航空等领域的应用，有效证明了通过工艺仿真等可快速产品实现设计装配运维全生命周期各环节的迭代优化，从而提高研发效率，降低制造成本，缩短产品全生命周期[4]。

公司引进Process Simulation（以下简称PS）软件，对风机整机车间装配和风场安装整个装配过程进行仿真。目的就是降低样机设计制造后端问题，缩短风机设计制造及风场安装的整体时间，同时建设并加强公司内部的工艺仿真能力，最终实现数字化样机对物理样机的替代[5]。本文通过对PS引进和应用的整个过程的分析和研究，探究加强工艺仿真能力建设的方式方法，并构建加强工艺仿真能力建设的复用流程，致力于工艺仿真的标准化建设，使其有效助推设计、工艺、制造一体化的数字化双胞胎和智能制造的快速实现[6]。

1工艺仿真能力建设的过程

本文以PS软件为例，展现并分析公司装配工艺仿真能力建设的过程。PS软件作为目前主流的工艺仿真软件，已经被越来越多的公司引进并应用[7] 。

1.1软件安装

1.1.1 软件安装

Tecnomatix是一套全面的数字化制造解决方案组合，是Process Designerand Process Simulation（PDPS），Plant Simulation， Robcad等一系列软件的合集。 Tecnomatix 一般有3层结构和多层结构两种形式，多层结构主要是增加了Web服务器和其它服务器。如：域服务器等。目前国内主要采用3层结构，首先安装Oracle（数据库），然后安装eMServer，最后安装Client在操作人员电脑上。

PS软件需要用到几乎全部的产品数据模型及制造工厂的设备资源等大量信息，软件的安装需要充分考虑到信息的保密性以及其与其他平台、软件的融合问题。本公司拥有专门的产品设计平台，PS软件需要架构到该设计平台，有助于实现设计和工艺仿真的协同化操作，当然与此同时也增加了软件安装维护的难度。

1.2.2 基础操作培训

本次仿真对风机整机车间装配和风场安装整个装配过程进行了仿真，需要设计、工艺、风场工服各方协同。首先对人员进行软件的认识和基础操作进行了培训，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训。培训前制定了合理的培训计划，配合适度的练习，并输出了培训考核表。

1.2   需求调研

1.2.1仿真需求

仿真需要产品数据、资源数据、装配工艺流程文件、标准及规范、特殊要求等一系列资料。

产品数据不仅包括公司自己设计的产品数模，甚至包括一些外购件的整体数模。本公司产品是以NX12.0的装配方式提供，外购件以整体part的形式提供。

资源数据包括大量的标准工具数模、自制工装工具数模、工厂布局图（dwg格式）、特种设备和运输设备的型号行程限位参数等。

标准及规范包含安全、标准作业及企业形象文化等方面的资料，例如公司工艺报表模板等。

特殊要求需要规定仿真的关键工艺过程和特殊零件的重点仿真等。公司样机和量产时的工艺布局和使用资源有些区别，仿真特别要求需要进行区分仿真。

1.2.2仿真實施计划

仿真实施计划包括总体计划、月计划、周计划和与之相应的实施方案。因本次仿真工作量巨大，月计划和周计划还区分了不同的模块。

1.3数据准备

上文提及的产品数据和资源数据以NX12.0的装配方式或整体part的形式提供，这些均需要转换成PS识别的格式。PS支持Co文件和JT文件，同时支持Xml文件;对于各种CAD文件，可通过转换为JT文件为PS使用。

1.4工艺规划

工艺规划的过程和现实中的工艺规划类似，需要在PDPS软件中形成IPA树。例如，本次仿真中，首先分为车间装配和风场安装两大块（工厂级别的规划）;接着，其中的车间安装又分为机舱、轮毂、驱动链3个模块（产线级别的规划）;然后，其中机舱模块又分为7个工位（工位级别的规划）;最后的工艺仿真实质就是进行工序级别的仿真。

本次仿真每个模块都需要1-2人协同操作，产品数据、厂级或产线级别的资源数据（例如行车）会被共用。为了避免单人误操作导致的整体数据混乱，需要特别注意协同操作规范，故特别制定了多人协同实施规范并进行了培训。

1.5工艺验证

工艺验证大体可以分为装配工艺流程的验证和人工操作的验证这两方面。两者是可以分开建立仿真模型的，即可以先根据装配工艺流程建立完整的仿真过程，然后再添加人工操作的仿真。

工艺验证需要输出仿真分析报告、干涉分析报告、工艺卡、工艺时序图、过程问题记录和人因工程学报告等，是验证装配工艺流程的实操阶段，直接影响仿真的最终效果。

2加强工艺仿真能力的方法

工艺仿真能力建设的过程是从无到有的过程，基本的建设流程遵循一般的项目实施规律，但是当和公司实际产品、实际业务等相融合时，会遇到各种不可预料的问题。上文中对于本公司在工艺仿真能力建设过程中的一般流程和特别注意事项做了较为完整的描述。

如同汽车行业用了差不多10年的时间才将工艺仿真输出作为汽车厂房建设的必备要求之一一样，风电等其他类似的制造业也需要不断加深对工艺仿真的应用，不断加强工艺仿真的能力，才能切实革新公司设计工艺和制造的方式，切实推进向数字化企业转换的变革[8]。

基于对本公司装配仿真能力建设过程的分析和研究，本文以最终实现标准化为目标，以最少投入为原则，提出5点加强工艺仿真能力的可行性建议：

2.1文档资料的复用

在工艺仿真能力建立的各个阶段，都需要使用文档来记录，它是被使用最多频的一种记录方式。是否能够做到文档资料的复用是工艺仿真能力强化、传承、迭代的关键。

在安装培训阶段，需要形成《软件安装向导》《软件维护手册》《PS仿真培训计划》《培训考核表》等文档资料;在需求调研阶段，需要形成《需求调研计划》《调研报告》《实施计划》《实施方案》等文档资料;在数据准备阶段，需要形成《数据类型与转换》《数据转换规范》等文档资料;在工艺规划阶段，需要形成《多人协同实施规范》等文档资料;在工艺验证阶段，需要形成《PS操作规范》《干涉分析报告》《工艺卡》《人体工程学报告》《过程问题记录》等文档资料。

针对文档资料的复用：首先，通过构建上述各种资料的标准化模板，保证文档资料的记录和传承;然后，结合公司的文档管理系统，将这文档资料作为知识资源发布到公共平台，达到文档资料的复用和迭代。这样，这些资料将会被长时间的保留，同时也可以被其他人员翻阅学习。

2.2数模资料的复用

数模资源的复用具有其特殊性，如上文所述数模资源主要包括产品数模和工具设备数模等。尤其是产品数模，涉及到保密性的问题，每个公司都会对其进行严格的控制。

针对数模资料的复用：首先，通过建立工艺资源库，专门用于放置仿真所需要的工具设备的数模;然后，将工艺资源库集成于设计平台，成为设计平台的补充部分。这样，可以构建设计工艺一体化的产品研发模式，设计人员也可以在设计时调用工具设备资源，保证其设计的可装配性，同时工具设备数模和产品数模采取了同样的管理模式，达到了保密性的要求。

2.3仿真操作过程的复用

对于基于某一产品开发的新产品，或是不同产品的装配过程，都有大量的重复的安装工艺流程。例如，在风机整机的安装过程中，螺栓的紧固过程和各部件吊装过程都是会不断重复的工艺过程。仿真操作过程的复用可以大大地减少这些重复过程地仿真工作。

针对仿真操作过程的复用：通过创建仿真标准工作流程，构建合适颗粒度的仿真基本工艺流程作为模板，使其可以直接被新的仿真调用;借助PS软件中自带的人体标准姿势库等，建立装配过程中常见的人体姿态，包括手部姿态等，后续也可以被直接调用。

2.4视频资料的复用

视频资料也存在于工艺仿真能力建立的各个阶段，可以基本和文档资料一一对应。视频资料的复用相比文档资料，需要更大的存储空间和更强的监管（有些视频资料的保密要求更高）。

针对视频资料的复用：首先，需要保证工艺仿真能力建设的各个阶段保留了足够多的视频资料，如果其比文档资料更多，更有利于后续的加强建设;然后，视频资料归属仿真小组（或专属部门）管理，并通过制作成系列的微视频进行教学，不断普及仿真的基本操作，提升全员的仿真能力，形成源源不断的仿真人力资源池。

2.5仿真实施流程的复用

仿真实施流程的复用是所有阶段的最后一环，实操才会出结果，有效的实操才能充分运用仿真技术，为企业创造价值。

针对仿真实施流程的复用：首先，通过仿真实施过程的流程图来展现仿真的整体操作流程，方便了解仿真的各个阶段;然后，通过细分各个阶段的输入或输出，保证仿真实施过程的高效性、完整性和有用性;最后，通过仿真实施过程的记录表来监督仿真的实操过程，确保按时得到有效的输出物。

3工艺仿真的扩展应用

工艺仿真的充分应用是实现数字双胞胎技术的前提。数字双胞胎技术通过传感器和实况显示屏实时检查装配情况、装配数据、事故点位[9]。一方面，可以用于可视化指导装配操作，操作报错，实现“傻瓜式”装配;另一方面，可以基于人工智能进行事故原因分析，最终实现精准装配和维护[10]。所以，不断加强工艺仿真能力建设，不断深化工艺仿真的应用有助于加快实现企业的数字化和工厂的智能化的进程。

4结语

通过应用包括工艺仿真等在内的数字化技术手段，有助于企业将后期物理验证转换成前期虚拟验证降低制造成本，有助于企业充分利用前端后端数据提高研发有效性，有助于企业建立实时监测控制系统实现远程精准控制和维护，是未来企业发展的必由之路。

参考文献

[ 1 ] 徐强.复合材料热压罐成型工艺仿真技术研究综述[J]. 航空制造技术，2020.63（15）：34-38，47.

[ 2 ]连宇臣，徐尧，李琳，等.航空发动机脉动式装配生产线工艺仿真关键技术研究 [J].航空制造技术，2020.63（Z1）：57-63.

[ 3 ] 李冠华，闫雪，叶代勇，等.商用航空发动机数字化装配工艺设计系统[J].航空发动机，2020.46（6）：98-102.

[ 4 ] 苏晓毅，胡进寿，言兴浪.基于仿真复用的三维装配工艺的应用[J].新技术新工艺，2018.（04）：15-22.

[ 5 ] 邹晓明，徐建新，耿俊浩.基于单位模型的装配工艺规划技术研究 [J].工艺与装备，2008（7）：97-100.

[ 6 ] 冯廷廷，金霞，王珉.基于MBD的飞机装配工艺模型设计[J].航空制造技术，2010（24）：95-98.

[ 7 ] 陳明鑫，孔庆玲.基于Process Simulate的机器人滚边仿真分析[J].汽车零部件，2020（8）：43-46.

[ 8 ] 袁淳，肖士盛，耿春晓，等.数字化转型与企业分工：专业化还是纵向一体化[J].中国工业经济，2021（9）：137-155.

[ 9 ] 王晓东.风电企业数字化基础建设研究[J].上海电气技术，2021，14（1）：69-72.

[ 10 ] 刘伟伟，褚学宁，郭立杰.Tecnomatix在火箭装配工艺设计及可视化输出中的应用 [J].机械设计与制造工程，2013.42（8）：68-72.