装配工艺仿真
2023-06-13 来源： 智造苑
随着数字化制造技术的逐步深入，装配工艺仿真已经成为优化工艺设计结果、缩短装备研制周期、提升装备质量的必要手段。装配工艺仿真技术就是利用已有的装配工艺流程信息，产品信息和资源信息，定义好每个零件的装配路径，实现产品装配过程的三维动态仿真，评价产品的可装配性、可维护性，以发现工艺设计过程中装配方法和装配顺序设计的错误，大幅度提升数字化装配工艺设计水平。装配工艺仿真主要是通过检查产品零件在装配过程中是否发生碰撞、干涉等现象，并按照工艺流程进行装配工人的可视性、可达性、可操作性及安全性的仿真，来实现从单个装配单元的装配过程、流程时间到生产线物流变化的整个产品的现场可视化装配生产过程。
「 1. 装配工艺仿真的内涵及意义 」
装配工艺仿真可以为各类复杂装备及产品的设计和制造提供产品可装配性验证、装配工艺规划和分析、装配操作培训与指导、装配过程演示等完整解决方案。该解决方案为产品设计过程的装配校验、产品制造过程的装配工艺验证、装配操作培训提供虚拟装配仿真服务。装配工艺仿真对于产品装配过程的意义主要包括以下几点：
（1）有利于实现产品设计、工艺设计、工装设计的并行开展，从而降低产品研制风险，缩短产品研制周期，减少开发成本。
（2）在产品实际（实物）装配之前，通过装配过程仿真，可及时地发现产品设计、工艺设计、工装设计存在的问题，有效地减少装配缺陷和产品故障率，减少装配干涉等问题导致的重新设计和工程更改，保证了产品装配的质量。
（3）装配仿真过程生成的图片、视频录像可直观地演示装配过程，使装配工人更容易理解装配要求，减少了装配过程反复，减少了人为差错。
（4）装配仿真过程产生的图片、视频录像可用于对维修人员的培训。
（5）对于新产品的开发而言，通过三维数字化装配工艺设计与仿真，减少了技术决策风险，降低了技术协调成本。
（6）通过三维数字化装配工艺设计与仿真，可进行装配工时分析、生产线资源与工艺布局规划和评估，有利于生产线的改造与建立。
「 1. 装配工艺仿真的内涵及意义 」
装配工艺仿真可以为各类复杂装备及产品的设计和制造提供产品可装配性验证、装配工艺规划和分析、装配操作培训与指导、装配过程演示等完整解决方案。该解决方案为产品设计过程的装配校验、产品制造过程的装配工艺验证、装配操作培训提供虚拟装配仿真服务。装配工艺仿真对于产品装配过程的意义主要包括以下几点：
（1）有利于实现产品设计、工艺设计、工装设计的并行开展，从而降低产品研制风险，缩短产品研制周期，减少开发成本。
（2）在产品实际（实物）装配之前，通过装配过程仿真，可及时地发现产品设计、工艺设计、工装设计存在的问题，有效地减少装配缺陷和产品故障率，减少装配干涉等问题导致的重新设计和工程更改，保证了产品装配的质量。
（3）装配仿真过程生成的图片、视频录像可直观地演示装配过程，使装配工人更容易理解装配要求，减少了装配过程反复，减少了人为差错。
（4）装配仿真过程产生的图片、视频录像可用于对维修人员的培训。
（5）对于新产品的开发而言，通过三维数字化装配工艺设计与仿真，减少了技术决策风险，降低了技术协调成本。
（6）通过三维数字化装配工艺设计与仿真，可进行装配工时分析、生产线资源与工艺布局规划和评估，有利于生产线的改造与建立。
「 2. 装配过程仿真与优化 」
装配工艺过程仿真是在网络和计算机软件环境中，利用产品和资源的三维数模，对产品的装配工艺过程进行设计，并模拟产品移动、定位、夹紧等装配过程，检查产品设计、资源设计和工艺设计的缺陷，对工艺设计的结果进行仿真验证和评估。
其主要目的是对装配的几何约束、干涉问题进行检验，验证产品结构设计的协调性、合理性和可维护性，是产品设计工作的组成部分。该部分工作可以分为5个阶段，即数据准备、装配工艺流程创建、装配过程仿真、装配工艺过程分析与优化及仿真结果输出，其一般流程如图1所示。
图1 数字化装配过程仿真一般流程
1）装配工艺仿真
在数字化环境下，建立厂房、地面、起吊设备等三维制造资源模型，将已经建立好的各装配工艺模型和装配型架、工作平台、夹具、人员等制造资源三维模型放入厂房中，按照设计好的工艺布局将产品、制造资源等放置到位，以装配工艺流程为主线，模拟工厂实际生产过程，如图2所示。
图2 装配工艺布局
工艺布局的仿真可以实现以下功能：①检验产品生产线上各生产要素是否齐备，检验生产原料堆放场地是否得到合理利用，适用于何种运输工具；②检验工艺布局是否符合流水化作业进程，检验运输通道是否流畅；③在产品装配过程中可进行静态和动态干涉检查，进行装配工人的视界检查；④在进行数字工艺准备设计的同时，可以进行定位和配合检查，进行实际的装配过程（包括安装顺序）的可视性检查等。通过仿真验证工艺布局的合理性，调整装配工艺流程、资源人员配置及相对位置，以减少交叉路径，减少迂回现象，减少移动距离，减少成本，达到优化工艺布局的目的。
工艺布局优化的原则包括：①遵循工艺规程原则，最短路线原则；②生产力均衡原则；③充分利用空间和场地的原则；④方便运输的原则；⑤安全和环保的原则；⑥快速重组的原则。以数字化装配协调为基础，针对数字化装配工艺方案，建立数字化装配系统装备的仿真模型，考虑装配系统产品和制造资源的布局，结合数字化装配系统物流管理，进行系统布局装配仿真，合理布局，可有效提高厂房空间和数字化装配装备的利用率，保证数字化装配系统布局满足精益制造的要求。
工艺过程仿真的顺序包括：①数据准备，完成工艺模型的建立与导入；②装配工艺流程创建，完成工艺流程顺序的建立、调整，为流程中的各节点指派产品和资源模型，并验证装配流程的有效性；③装配过程仿真，通过装配路径规划实现装配工艺过程仿真、人机工程任务仿真，并检查装配过程中产品零部件或资源的动态干涉和碰撞情况，验证装配工艺的可行性；④装配工艺过程问题分析与处理，通过分析结果，对装配顺序、装配空间、装配路径、人机工效等方面存在的问题进行反馈与优化；⑤装配仿真结果的输出，得到效果清晰、重点突出、便于观察的视频文件，并在装配仿真中需要添加必要的修饰，最终生成相关的分析报告和视频文件。
2）装配工艺设计的优化
装配工艺是用来指导现场装配的工艺文件，装配工艺编制质量的高低直接影响着产品的装配质量。装配工艺优化有两种情况：
（1）对于已有的装配工艺，可以按照现有的装配路径、装配顺序进行装配过程分析、仿真，检查现有工艺的可行性，同时也可以根据动态仿真的过程，生成一个优化的装配次序、装配路径，从而优化现有装配工艺。
（2）可以改变传统装配工艺的表现形式，采用电子化、结构化、可视化的工艺形式来生成装配工艺规划，用于指导实际的装配过程，有利于装配工人对装配工艺的有效理解，从而提高装配质量。
除了保证装配工艺的可行性外，装配工艺优化还需考虑装配过程中的时间、成本费用等因素，关注设备、空间、人员、工具等的利用率，最终输出最优的装配工艺方案。
「 3. 装配人机工效仿真 」
产品装配过程中的人机工效仿真是指在产品进行真实装配之前，将产品及资源对象的三维实体模型在仿真软件系统中建立起来，在虚拟环境中利用三维人体模型模拟人的实际工作情况，实现三维人体在制造环境中与其所制造、安装、操作、维护的产品之间互动关系的动态仿真，以分析操作人员在该环境下的姿态、负荷等，验证装配操作的可视性、可达性、可操作性等，提高装配效率，并从工效学的角度对人体姿态做出评估与改进，使之更能满足作业要求以及达到安全舒适、高效的标准。产品装配中人机工效仿真典型的作业流程如图3所示。
图3 人机工效仿真流程
1）人体模型的建立
人体模型的建立是进行人体任务仿真的基础，数字仿真软件能够根据国家、性别、百分点、身高、体重、承载能力等参数自动生成人体模型，也可直接从工厂建立的人体模型库中选择数学模型，并通过编辑参数使之与工人的实际情况相符。对于特殊工序的人机工程仿真，应根据生产现场操作者的特征建立其三维人体模型。在某些特定的工作中，比如狭小的空间里钻孔、铆接或者打保险等，需要模拟人体手部的详细动作，分析手的可操作空间，对于这种情况，可单独建立人的局部三维模型，人体模型的创建示意图见图4。
图4 人体模型的创建
2）人体姿态的编辑
人体姿态编辑如图5所示，以真实人体关节活动为依据，考虑人体生理及可承受疲劳强度，应用数字仿真软件中姿态编辑器编辑人体姿态，调整头、颈、肩膀、手臂等约30个部位创建工人工作中的各种姿态。人体姿态的编辑方式有两种：一种是通过选择需要更改姿态的人体部位及其自由度，修改自由度的值得到人体不同的姿态；另一种是在人体标准姿态库中选择相似的姿态，对标准姿态进行调整得到所需要的人体姿态。
图5 人体姿态编辑
3）人体模型运动分析
人体模型运动分析包含两部分，即人体姿态分析和人体行为分析。通过对人体工作时的姿态和动作进行分析，合理配置工人与其制造、安装、操作与维护的产品或资源。
姿态分析是通过求解人体的运动学和动力学模型对行走、定位、抓取和举放等姿态进行评估，以及进行人体受力及疲劳分析等。针对产品装配过程中人体姿态的计算，可根据人体参数、作业点、作业力方向、人体位置及人体操作方式等计算上下体姿态角，判断可工作域，自动调整人体姿态，以实现自动控制及姿态计算，并使人体达到最舒适状态。
人体行为分析用来检测人与工作环境中各种设备与工具的相互影响，分析人的举、放、推、拉、运等行为，包括快速上肢分析、搬起/放下行为分析、推拉行为分析、搬运行为分析、个人行为分析等，通过设置理想的动作极限、负重极限等，使操作者操作起来更舒适和安全。人体模型运动分析实例如图6所示。
图6 人体模型运动分析实例
4）人体视野分析
人体视野分析实例如图7所示，装配过程中的可视性判断通过对人体模型的视野分析来进行，视野分析的流程包括以下几个方面。
（1）建立人体模型；
（2）通过编辑人体模型状态，模拟显示操作者的视野范围；
（3）编辑视野窗口的显示状态；
（4）分析并验证完成当前装配操作的可视性。
图7 人体视野分析实例
5）人机任务仿真
人机任务仿真是在包括产品、工艺、资源的装配仿真环境中，以装配工艺流程为主线，根据工人的实际工作创建如行走、移动到某一姿态、拿起或放下物体、上台阶、结合机构工作等的动作，分析人工作时与所操作产品和所涉及工装、工具等的关系，如图8所示。
图8 人机任务仿真实例
利用数字化环境中的任务仿真工具，指定工人完成某个装配操作过程中的作业行为、行走路线和工作负荷，对各种典型作业姿态和装配行为进行模拟及定性定量分析，并在此基础上准确地评估工艺和工装的人机性能及工人的劳动生产率。为了减少人机工效仿真的工作量，仅对作业环境恶劣、劳动强度大的人机任务进行仿真。
6）人机工程仿真结果分析与处理
应用人机工程主要可以完成以下分析：
（1）可视性检验。主要检查产品零部件是否因为装配次序不同，装配路径不同，装配工艺布局不同而导致装配时待装配零件位置不可见。
（2）可达性检验。主要考察工人的身体或肢体是否能到达装配位置。
（3）可操作性检验。主要检査是否因为装配序列、装配路径、装配工艺布局不同而导致零部件不在装配操作的范围内，或作业空间小、零件重量不便于工人操作等。
（4）舒适性检验。主要检查工人承受的负荷以及操作时间（次数）是否使工人容易疲劳。
（5）安全性检验。主要检验工人操作过程中的安全隐患。
在人机仿真过程中，若发现工艺设计中与人相关的错误，如装配顺序导致的工人操作空间不足，或操作对象不可视等，应及时对工艺设计进行修改；若发现工装设计中与人相关的错误，如工作梯高度不对，工作梯台面间距不合理，或工装设计的定位器阻挡了工人操作的通路等，应及时对工装设计进行修改；若发现工艺布局中与人相关的错误，如工艺布局导致的装配对象不可视、装配操作不便、安全性低等，应及时对工艺布局进行修改。
「 4. 现场可视化与数字孪生 」
现场可视化在我们的生活和工作中无处不在，最普遍的无疑就是红绿灯交通信号灯，只要一眼看到信号灯，每个人在1秒钟内就可以做出行或停的判断，如果以文字或任何别的方式在现场表达这项交通法规，都无法让人在如此短的时间来做出判断。例如在飞机装配领域，工人可通过现场可视化能够清晰的对装配状态进行实时掌控，保证装配作业的稳步进行。
1）MES的内涵
制造执行系统（MES）作为连接企业计划管理系统和过程控制系统的桥梁，是位于上层的企业资源管理与底层的过程控制系统之间的面向车间层的管理信息系统。MES通过传递信息来优化从订单启动到货物完成的各生产活动。当工厂活动发生时，MES利用当前的、准确的数据对其进行指导、展开、响应和报告。由此产生的对条件变换的快速响应能力，以减少非增值活动为中心，指挥着有效的工厂操作和流程。因而MES提高了运营资产、按时交付、库存运转、毛利润和现金流等利益，通过双向通信提供关于整个企业生产活动和供应链的任务的关键信息。
MES的主要功能包括：操作/详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档管理、产品跟踪和产品谱系管理、性能分析和数据采集。
2）现场可视化技术
现场可视化技术是数字化装配技术的重要组成技术之一，它是通过软件开发技术、计算机集成技术和网络技术建立从企业数据中心到车间装配现场的网络化系统平台。此系统能生动、直观地展示产品的制造过程，可以将生产工艺、人员、设备、工装夹具等资源信息有效地集成，通过界面直观地显示产品的几何模型、设计结构关系和工艺结构关系，显示装配的仿真过程，显示与仿真过程相应的装配操作说明等，让工人依照系统进行操作，从而能够准确、快速地查阅装配过程中需要的信息，提高装配的准确性和装配效率，缩短装配周期。装配可视化技术主要包括裝配过程可视化、产品装配结构轻量化模型可视化、装配工艺数据可视化等。
装配过程可视化是将仿真结果转换为演示文件，通过网络发布在各个装配车间或工段，同时还可以指导产品三维模型装配，用于指导现场装配工人进行生产。
产品装配结构轻量化模型可视化是辅助装配工艺人员在裝配过程中，遇到结构模糊或不清楚的时候，实施可视化查询的有效途径。
装配工艺数据可视化是指将产品相关数据中的源数据和工艺数据进行处理，例如工艺报表、工艺路线统计等，将工艺数据文件以表格、图示化、可视化、HTML、Word等多种格式显示在可视化平台上。装配现场的可视化系统看板如图9所示。
「 4. 现场可视化与数字孪生 」
现场可视化在我们的生活和工作中无处不在，最普遍的无疑就是红绿灯交通信号灯，只要一眼看到信号灯，每个人在1秒钟内就可以做出行或停的判断，如果以文字或任何别的方式在现场表达这项交通法规，都无法让人在如此短的时间来做出判断。例如在飞机装配领域，工人可通过现场可视化能够清晰的对装配状态进行实时掌控，保证装配作业的稳步进行。
1）MES的内涵
制造执行系统（MES）作为连接企业计划管理系统和过程控制系统的桥梁，是位于上层的企业资源管理与底层的过程控制系统之间的面向车间层的管理信息系统。MES通过传递信息来优化从订单启动到货物完成的各生产活动。当工厂活动发生时，MES利用当前的、准确的数据对其进行指导、展开、响应和报告。由此产生的对条件变换的快速响应能力，以减少非增值活动为中心，指挥着有效的工厂操作和流程。因而MES提高了运营资产、按时交付、库存运转、毛利润和现金流等利益，通过双向通信提供关于整个企业生产活动和供应链的任务的关键信息。
MES的主要功能包括：操作/详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管理、文档管理、产品跟踪和产品谱系管理、性能分析和数据采集。
2）现场可视化技术
现场可视化技术是数字化装配技术的重要组成技术之一，它是通过软件开发技术、计算机集成技术和网络技术建立从企业数据中心到车间装配现场的网络化系统平台。此系统能生动、直观地展示产品的制造过程，可以将生产工艺、人员、设备、工装夹具等资源信息有效地集成，通过界面直观地显示产品的几何模型、设计结构关系和工艺结构关系，显示装配的仿真过程，显示与仿真过程相应的装配操作说明等，让工人依照系统进行操作，从而能够准确、快速地查阅装配过程中需要的信息，提高装配的准确性和装配效率，缩短装配周期。装配可视化技术主要包括裝配过程可视化、产品装配结构轻量化模型可视化、装配工艺数据可视化等。
装配过程可视化是将仿真结果转换为演示文件，通过网络发布在各个装配车间或工段，同时还可以指导产品三维模型装配，用于指导现场装配工人进行生产。
产品装配结构轻量化模型可视化是辅助装配工艺人员在裝配过程中，遇到结构模糊或不清楚的时候，实施可视化查询的有效途径。
装配工艺数据可视化是指将产品相关数据中的源数据和工艺数据进行处理，例如工艺报表、工艺路线统计等，将工艺数据文件以表格、图示化、可视化、HTML、Word等多种格式显示在可视化平台上。装配现场的可视化系统看板如图9所示。
图9 装配现场的可视化系统
3）数字孪生技术
数字孪生技术是智能制造发展的方向，通过工业互联网、大数据、建模工具、仿真软件、可视化手段等，实现物理世界与虚拟世界的互联互通，能够在虚拟世界里面事先模拟各类场景，然后将最优化的结果应用于现实世界中，以更低的成本获得更高的效益，数字孪生技术构架如图10所示。数字孪生分为：产品孪生、生产孪生和运维孪生，分别模拟产品研发中的各类测试、制造工艺的模拟仿真、生产线的模拟仿真和实际生产过程的实时监控、产品上市以后的运行状态等。
图10 数字孪生技术构架图
引自：《智能装配工艺与装备》（作者：张开富、程晖、骆彬）
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