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(jì)劃、設(shè)計(jì)生產(chǎn)線建設(shè)方案，無法體現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備在時(shí)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(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)變品種、小批量生產(chǎn)車間的特點(diǎn)，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(gè)層面對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝布局規(guī)劃理論與方法進(jìn)行綜合分析。在此基礎(chǔ)上，形成航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(píng)價(jià)方法，為數(shù)字化、自動(dòng)化生產(chǎn)線的建設(shè)及改造提供技術(shù)支撐。

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(yùn)行動(dòng)態(tài)虛擬化、運(yùn)行過程數(shù)據(jù)顯性化3個(gè)維度解決生產(chǎn)車間數(shù)字化改造的實(shí)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(duì)獨(dú)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(shí)現(xiàn)設(shè)施或單元之間的關(guān)聯(lián)）4個(gè)層次的問題。

生產(chǎn)運(yùn)行虛擬化解決的是生產(chǎn)車間或自動(dòng)化生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)展示的問題，核心是環(huán)境的構(gòu)建和動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)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(yùn)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)字化工廠建模關(guān)鍵技術(shù)

通過對(duì)數(shù)字化工廠建模技術(shù)路線的梳理，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)確定了實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線所需突破的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件生產(chǎn)線仿真示意

模型輕量化技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件通常采取面向?qū)ο蟮姆绞酵瓿闪憬M件建模，1個(gè)零件內(nèi)存占用量超過20MB。1臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常由上萬個(gè)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(dòng)裝置模型等。

數(shù)字化工廠建模與仿真集成應(yīng)用總體思路

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(jì)算機(jī)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(shí)施，必須突破模型輕量化技術(shù)，將模型進(jìn)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(jìn)行刪除，進(jìn)一步輕量化模型，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝模型內(nèi)存占有量從1GB縮至20MB以內(nèi)。

人機(jī)交互模型構(gòu)建技術(shù)

數(shù)字化工廠中，校準(zhǔn)、搬運(yùn)等工作需要人的協(xié)作，因此在數(shù)字化工廠建模時(shí)，必須將人的因素考慮到工廠模型中。通過人機(jī)交互模型構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)人員運(yùn)動(dòng)軌跡定義、人機(jī)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(shí)間消耗分析。

設(shè)備實(shí)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(cè)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(dòng)態(tài)仿真、利用率分析等研究工作。設(shè)備實(shí)體模型構(gòu)建及矩陣變換技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備模型位置的擺放、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的拆分、行程極限的設(shè)定、運(yùn)動(dòng)軌跡的編輯等工作。生產(chǎn)設(shè)備模型構(gòu)建主要包括機(jī)床運(yùn)動(dòng)機(jī)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(gè)步驟。

運(yùn)行過程數(shù)據(jù)顯性化示意

生產(chǎn)線平衡效果的評(píng)價(jià)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(gè)指標(biāo)來直觀地衡量裝配生產(chǎn)線平衡的好壞。對(duì)生產(chǎn)線所有作業(yè)元素所耗時(shí)間進(jìn)行累加，求解每臺(tái)設(shè)備上每個(gè)作業(yè)所消耗的平均時(shí)間，將平均時(shí)間與單個(gè)作業(yè)最大消耗時(shí)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(tái)工作站都采用最大作業(yè)時(shí)間來計(jì)算生產(chǎn)線的虛擬時(shí)間，將虛擬時(shí)間與實(shí)際生產(chǎn)線生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間相減得到時(shí)間差值，所得差值與虛擬時(shí)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(shí)間越多。根據(jù)連續(xù)生產(chǎn)15天的實(shí)際生產(chǎn)值除以每天的設(shè)備利用率變化，計(jì)算出平滑性指數(shù)，根據(jù)平滑性指數(shù)的數(shù)值，預(yù)測(cè)未來生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。

數(shù)字化工廠建模技術(shù)實(shí)踐

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以廠房的數(shù)字化工廠建模為例進(jìn)行了技術(shù)實(shí)踐。廠房總建筑面積約15000m2，涉及鈦合金筒形焊接機(jī)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(gè)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VisualComponents，可以將CAD文件直接導(dǎo)入到3D格式中。因?yàn)閂isualComponents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(dá)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。

CAD圖樣導(dǎo)入效果

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(shí)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(jìn)行數(shù)字化工廠建模。

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備數(shù)據(jù)庫

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(jìn)行搭建。

布局搭建

四是自定義布局組件搭建。預(yù)先定義2300個(gè)參數(shù)化的組件，其中包括來自工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域幾十種品牌的機(jī)器人、傳送帶、智能貨架、自動(dòng)引導(dǎo)小車（AGV）、數(shù)控加工機(jī)床、龍門架、產(chǎn)線外圍、人機(jī)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(dòng)作，添加信號(hào)，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(jìn)行布局搭建。

圖形及3D/PDF顯示

五是非標(biāo)設(shè)備建模。以創(chuàng)建機(jī)床組件為例，導(dǎo)入模型。在導(dǎo)入模型的時(shí)候，可以根據(jù)需求，選擇模型的細(xì)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(jìn)行設(shè)備組件的位置擺放，形成靜態(tài)布局圖，然后進(jìn)行動(dòng)作和工藝流程設(shè)定。在進(jìn)行布局搭建的時(shí)候，可以直接從網(wǎng)絡(luò)組件庫中將組件拖到場(chǎng)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(shí)，可以通過使用私有庫以及公共庫中的組件進(jìn)行快速搭建。

七是效果圖文件生成及輸出。VisualComponents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(dòng)操作的PDF文件、4K超清圖片及視頻錄制、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）視頻顯示等。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以一款機(jī)匣的生產(chǎn)線為例，通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用率的實(shí)時(shí)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(jià)值千萬余元。

結(jié)束語

本項(xiàng)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(shí)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(shí)踐，應(yīng)用分析及優(yōu)化技術(shù)，物流周轉(zhuǎn)時(shí)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(jià)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(jià)值。

作者：中國航發(fā)黎明 周鑫 張森堂 高陽

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