数字化技术浅析

林彬峰 刘冬梅

（信阳高级技工学校，河南 信阳 464000）

数字化制造是利用数字化技术及工具在实物产品被生产制造出来之前，进行规划、设计仿真和管理的过程。其内涵包含工艺规划、工艺设计、工艺仿真和工艺管理四个方面。

工艺规划：描述组成产品的制造工序流程，主要是描述整个产品所有零部件的作业流程、操作地点以及相互之间的关系。

工艺设计：描述某一零件或者部件在某一工序具体的加工过程以及所需的设备、工装、工时等信息的过程。在数控加工环境下，则需要编制零件的数控加工代码。

工艺仿真：利用三维及虚拟仿真技术，在计算机虚拟的环境中真实再现工艺规划、工艺设计的实现过程，并且应许用户实时操作工艺设备或改变相关参数。

工艺管理：管理工艺规划、工艺设计、工艺仿真过程中产生的文档、数据以及这些文档、数据的生产过程。

虚拟系统，就是通过生成现有操作系统的全新虚拟镜像，同时具有与现有操作系统一致的功能，并且具有能够在现有系统与虚拟镜像之间灵活切换的操作系统。

在产品的研发设计周期，制造企业通常需要感念设计软件、CAD、CAPP、CAE等工具软件和PDM/PLM等管理系统来支撑。在产品的使用和维护周期，制造企业需要MRO（大修维护管理）系统来支持。产品全生命周期中最为复杂且难以管理的是产品的制造周期。为了满足生产制造管理的需要，不少企业先后引入了SCM（供应链管理）、MES（制造执行系统）和ERP（企业资源计划）。但是在研发设计系统和生产制造系统之间，缺乏一个有效的手段对在虚拟环境中的产品工艺规划、工艺设计等信息进行辅助设计和仿真。

数字化制造技术的出现，弥补了这一环节的缺陷，使得在虚拟环境中开发设计的产品，在被投入车间正式生产之前，可以在虚拟环境中进行工艺规划、工艺设计和工艺仿真。从本质上讲，数字化制造时数字化设计的延伸。前者保证产品设计能够达到性能上的要求，后者保证产品制造能够达到设计上的要求。MES系统按照数字化制造规定的工艺完成实际的制造过程，因此MES与数字化制造系统需要实现双向信息集成。

一、机器人离线编程及仿真技术

中国制造企业特别是整车制造企业目前大多引入了工业机器人完成抓举、焊接、钻孔、抛光、喷漆等工艺过程。这些工业机器人的工作过程是由程序进行控制，一般有设备提供商或者专业机构在生产线安装时一次性编程并设置到位，设置完成后，工业机器人的工作路径、工作节拍就固定下来，制造企业无法进行有效的调整。而事实上，由于客户的需求的变化，生产线上生产的产品可能每隔一段时间就会进行调整；同时，由于产能需求不恒定，因此生产节拍可能也需要每隔一段时间进行调整。由于缺乏专业的编程能力以及系统的仿真分析工具，制造企业往往不具备对这些工业机器人的控制程序进行调整以及仿真的能力。

数字化制造技术中的机器人离线编程及仿真技术解决了这个难题。它预置了目前世界上比较常见的通用的几个机器人供应商及各个工种的工业机器人，同时它可以导入三维CAD设计的零部件，工艺人员可以在可视化的环境中设计工业机器人的工作路径和工作节拍，结合工厂三维设计及物流仿真工具，工艺人员可以系统地规划整条生产线上工业机器人的工作路径和工作节拍，在避免机械手臂干涉的情况下，设计最为合适的工作节拍。对于包括ABB、KUKA在内的世界顶级工业机器人的良好支持，使得数字化制造环境中涉及规划的工业机器人工作路径和工作节拍等信息可以自动生成代码直接为这些机器人所用。

二、人机作业模拟与仿真

目前生产制造的大部分工序还离不开人工的干预和操作，在许多复杂装配制造领域（例如航空、船舶），由于空间及工艺的限制，大部分工序都需要人工去完成。这时候人的能力（包括技能、体力、身材等——成为完成该工序的一个关键因素。

于此同时，今天的制造企业越来越重视企业的社会责任，对现场的操作人员必须尽到安全保护的义务。因此在工艺规划设计的时候，必须要考虑生产加工中可能给人带来的危险，并尽量避免伤害的产生。

在这种情况下，人机作业模拟与仿真就显得非常必要。人机作业模拟与仿真是从人的生理和心理特性出发，研究人、机环境的相互关系和相互作用的规律，以优化人-机-环境。

数字化制造技术中的人机作业工程工具可以有效的模拟和仿真现场操作人员在完成每道工序时的动作并对操作的达到性、视觉性、安全性和工作舒适度进行分析和评估。与传统的设计方法不同，数字化制造技术中的人机作业模拟与仿真是用量化的手段模拟和评估人、机、环境三者之间的关系。例如在狭小的空间进行作业且对劳动者的力量要求不高时，安排身材较小的作业人员显然比安排体型较大的作业人员更加合适。除了对工作中的人机作业进行仿真和评估外，它还可以帮助设计人员对使用产品的人机工程进行仿真和分析，帮助设计人员对产品设计进行优化。

人机作业仿真还可以帮助企业分析不同区域的作业人员在产品制造过程的不同感受，以根据地域设计开发不同的产品、规划不同的工艺布局和路线。

结语：

本文的数字化工厂仿真实施流程能够保证仿真实施进度与质量，仿真工程的实施对于发现生产系统设计中的问题，改进生产系统设计方案等具有直接作用，同时也为今后的生产工艺改变等需求提供一个仿真和分析平台。随着数字化工厂仿真技术和工具的发展，今后仿真将进一步渗透到数字化工厂的更多环节，数字化仿真系统将发展成为数字化工厂的必要组成部分，其作用将不仅仅是仿真，而是实际生产过程管理与控制的组成部分。