工業仿真賦能平臺探索

趙幼芳，周藍海

（1.湖南機電職業技術學院，長沙 410151；2.金蝶中國長沙研發中心，長沙 410151）

0 引言

傳統制造企業在前三次工業革命中圍繞材料、裝備、方法、測量和維護進行技術升級，往往忽略了人的經驗因素。隨著工業數字化技術的逐步深入，越來越多的企業意識到數字化轉型的重要性，在產品設計、技術創新、生產制造，以及原材料供應、銷售和市場相關的系列活動中，通過產品設計仿真、工藝流程仿真、生產系統仿真、實時數據預警降低企業運營成本，尤其在節約研發經費、縮短上市周期、提高產品質量方面取得顯著成效。在創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念指引下，我國正積極推進數字產業化、產業數字化，引導數字經濟和實體經濟深度融合，推動經濟高質量發展。企業生存之道在于洞察數據本質，從技術視角來看，數字技術發展從萬物互聯的泛在化、虛實互動的無界化、算力算法的平臺化、軟件定義的服務化，到數據驅動的業務場景化，技術支撐和業務落地雙輪驅動。

2021年4月工信部發布《“十四五”智能制造發展規劃》征求意見稿，提出要以新一代信息技術與先進制造技術深度融合為主線，加快構建智能制造發展生態，特別提到要加強自主供給，壯大產業體系新優勢，合力發展工業軟件。中國工程院柴天佑院士強調：“如果能夠把全自動軟件工程平臺的開發和智能化的工業軟件結合起來，有望加快我們國家在下一輪競爭中的步伐。”在這一背景下本文嘗試進行工業仿真軟件平臺化實踐。

1 工業仿真的基本含義

智能制造是一個不斷演進的大系統，涵蓋了產品、制造、服務全生命周期中所涉及的理論、方法、技術和應用[1]。數字化設計、制造與仿真以實現新產品設計為目標，以計算機軟硬件技術為基礎，以數字化信息為輔助手段，進行產品建模、分析、修改、優化，以及生成設計、工藝文檔的技術。工業仿真技術應用涉及產品設計、生產規劃和制造執行多個環節，其業務范圍如圖1所示，特點如下：1）行業繁雜，流程行業和離散行業有39個工業大類，191個中類和525個小類；2）專業繁多，涉及機械、電子、光學、聲學、電磁學、流體、熱處理等眾多專業的知識和經驗；3）工藝復雜，涉及研發、生產、營銷、運維、供應鏈、設備、測量、質量、安全等多環節；4）產品復雜，航空、高鐵等高端產品復雜度大，比如空客380具有600多萬個零件；5）實時可靠，數據可靠性的差錯可能帶來成本、安全性的巨大犧牲；6）協作困難，比如，波音747由6個國家的16 500家大中小企業協作生產。盤活全產業鏈，突破地域、文化、標準、技術及企業、工廠、車間、部門間壁壘尤為重要。

圖1 工業仿真業務范圍

2 工業仿真的業務瓶頸

工業仿真作為工業生產制造中必不可少的首要環節，被廣泛應用到各個領域中。新技術與傳統制造的結合催生了大量新型應用，如數字孿生、工業智能，利用模型推理、復現實際系統中事件發生的本質過程，對模型的實驗來保證物理系統的科學性、嚴謹性和正確性。工業仿真技術的引入，使工業設計的手段和思想發生質的飛躍，對經濟、社會及人們的觀念產生巨大影響，但其過高的技術門檻和資金投入嚴重制約了其產業生態鏈發展，主要體現在以下幾個方面。

1）技術門檻高。仿真系統過于復雜，需具備豐富經驗和專業背景的工程師才能獲得可信結果。

2）仿真時間長。在工作站上運行某些仿真業務，時間開銷從幾小時到幾個月不等，難以滿足業務進度要求。

3）培訓周期長。仿真模型包括物理、數學、靜態、動態、連續和離散的各種模型，業務知識和軟件操作缺一不可，專業人才培養成本高。

4）閉環追溯困難。不同人員對業務和系統的理解不同，仿真結果千差萬別，且采用工具仿真軟件，隨著人員調動或者流失，之前的仿真數據重用度低，業務閉環困難。

5）知識體系困擾。大多從事仿真技術的人員認為這門學科還沒建立完善和清晰的知識體系，仿真建模技術的運用還停留在自主發揮階段，仿真知識難以優化、沉淀、分享。

6）切斷無形“卡脖子”之手。對于高端仿真軟件，研發周期長，而某些國家對相關技術進行封鎖禁售，嚴重阻礙中國工業現代化進程，成為中國高端制造最薄弱的環節之一。

可見，工業仿真軟件體系復雜、涉及面廣、門類眾多，面臨較多的產業瓶頸，需要降低使用門檻，夯實基礎，場景化應用牽引，依托賦能平臺促進業務需求和仿真技術結合，全面推動仿真產業鏈升級，強化知識沉淀，通過數字技術為勞動賦能，繁榮仿真生態[2]。

3 工業仿真賦能平臺架構設計

工業互聯網平臺是工業全要素鏈接的樞紐，是工業資源配置的核心，以智能技術為主要支撐，打通設計、生產、流通、消費與服務各環節，其核心在“工業”，而非“軟件”。從工具到系統，經歷了工具軟件、系統平臺、云化部署和工業互聯4個階段，分別滿足企業單點需求，多場合協同、供應鏈協同，深度數字化業務場景，最終以工業APP融合物聯網方式進行全方位呈現。仿真賦能在工業互聯網平臺基礎上，一方面將仿真知識和場景化應用進行深度集成；另一方面，整個仿真業務需要轉型為標準化、流程化、自動化和智能化的模式，利用云計算的可伸縮性及虛擬化技術創建了一個仿真實驗平臺變得可行[3]。弱化工業仿真軟件的工具屬性，依托賦能平臺，提供泛在而無形的標準服務，其架構如圖2所示。

圖2 工業仿真賦能平臺

4 工業仿真賦能平臺試點驗證

機械設計包括三大部分：結構設計、參數設計、尺寸鏈分析。統計資料表明，產品的設計開發在產品總成本中只占5%，但產品總成本的70%卻是在設計開發階段內確定的，這里面65%以上成本是由公差決定的。尺寸鏈分析也稱為公差仿真，公差仿真通過數理統計的計算方法，來仿真分析和評估在設計和制造過程中，零部件的制造偏差和裝配工藝偏差是如何影響產品的各種“關鍵產品特征”，可以幫助產品設計人員分析和評估某個零部件、工藝和工裝是否能夠滿足既定設計目標，通過優化設計和工藝來確保最終的產品制造質量。一般包含長度尺寸鏈、角度尺寸鏈、裝配尺寸鏈、零件尺寸鏈和工藝尺寸鏈幾種類型，支持線性、平面、空間、運動或多物理場情況下的尺寸鏈分析。

從業界高端公差仿真軟件來看，主要有德國西門子的VSA軟件，法國達索的3DCS，美國CREO的集成軟件CETOL等。以VSA舉例說明一下：通過建立產品和安裝工藝的3D虛擬裝配接觸鏈模型，來自動確立產品的尺寸鏈裝配函數，并進行數理統計計算，來仿真分析和優化產品尺寸鏈里的公差分配和定位安裝方案，可以在零部件和工裝制造之前就預測出在后續的制造和裝配階段是否會出現尺寸問題。其操作過程：首先在MOCKUP通過導入三維CAD模型數據，定義基準特征和公差，確定裝配順序進行裝配約束，定義測量，運行仿真并輸出結果。為了保證分析結果的可靠性和科學性，需在VSA中輸入以下數據：1）定位基準策略和坐標；2）裝配方式；3）裝配流程順序；4）初始公差值；5）制造工藝能力；6）初始尺寸質量目標；7）初始測量計劃；8）零件與組件的數模；9）原始制造數據等。其中每個環節的定義都需要符合現實情況，比如裝配方式，對于相同的零部件，若工裝精度、定位基準和對位方式不一樣，裝配邏輯也是不一樣的，分析的結果往往千差萬別。如果涉及其他偏差源，比如機械變形、熱變形、動力、運動、材料等因素，還需要跟第三方系統，如機構仿真、強度分析、應力分析等系統進行集成應用，具有一定的技術門檻和專業能力。

同時，也可以看到隨著社會的進步，人們對產品品質的要求越來越高。以往可能是一個產品擁有某一項功能，或具有更先進的工藝與材料，就能吸引到消費者。現階段同質化競爭，比如3C消費類產品中的手機，除了功能需要達標外，在外觀、手感、視覺、體驗和舒適性等方面也有嚴格要求，日趨高端化、智能化。作為一種電子產品，其更新迭代的速度也是很快的，一般來說3～6個月就會推出新一代產品。這種情況下，采用工具軟件進行仿真優化，各種弊端就顯露出來了。

以某型號曲屏手機屏幕裝配工序為背景，描述其制造環節的公差仿真場景：曲屏手機的屏幕與中框之間通過密封膠黏結，存在膠縫過大、過小、偏移或不均勻的現象，影響成品手感質量和外觀。其影響因素有：屏幕尺寸誤差、中框尺寸誤差、偏移裝配誤差、旋轉傾斜誤差和膠層厚度誤差等，其中膠層厚度誤差受裝配壓合力影響比較大，壓力大則膠層的厚度越薄，過大的壓合力又可能導致碎屏或應力集中。膠縫異常需要對裝配過程進行分析，明確裝配問題根源所在，一般考慮端面間隙誤差、側面間隙誤差和圓角處間隙誤差就可以全面反映出屏幕與中框的間隙分布。以側面間隙為例，需要考慮的因素如圖3所示。

圖3 手機屏幕裝配公差影響因素

零部件進入制造環節后，若出現批次質量問題，現場操作工對來料情況、設備精度及操作比較熟悉，而對仿真過程難以掌握，就會導致問題隱患難以及時排除，存在停線風險。通過深入分析發現，對于既定的工位的裝配設備而言，如果設計基準、裝配工藝和裝配設備都確定的情況下，只有物料的公差會影響裝配良率，對一線操作者來說，只需要關注物料公差和設備精度對良率的影響即可，而無需對整個尺寸鏈過程做詳細的了解，也無需深入學習尺寸鏈的基本原則。根據這個邏輯，收集行業典型的裝配場景并固化成模板，供相關人員通過APP調用操作簡單，無需強大的公差背景，也能快速定位問題根源。

經過收集和整理，制定的手機業務典型的場景和優化流程如圖4所示。

圖4 公差仿真業務場景化

可看出在賦能平臺上，該方法對典型的手機裝配工藝進行剖析，將公差原理相似的場景固化下來，通過標準化形成模板供業務部門調用，用戶通過APP直接獲得精準的仿真結果，無需專業的公差背景和仿真知識。生產現場質檢測量的數據會實時反饋到公差帶分布上，如果出現幾何或者形位超差，就可有效定位到缺陷源頭。數據中臺沉淀下來的數據可作為其他領域仿真的輸入。在擴展功能上支持仿真要素的疊加，如裝配順序、機構運動、彈柔性體、溫度熱力、機械應力等。標準算法中臺可支持其他類型的仿真，比如蒙特卡洛算法[4]，可用于三維公差分析、單板錫膏量仿真、產品可靠性仿真等。

通過該平臺的推廣使用，基本達到表1所示的目標。

表1 平臺推廣使用達到的基本的目標

工業仿真技術在產品全生命周期的應用，主要是以產品模型為中心的仿真、以制造模型為中心的仿真和以開發過程模型為中心的仿真。工業賦能平臺作為數字化仿真的新載體，以“場景+數據+模型+平臺”方式將分散的研發過程、工藝過程、制造過程、多專業學科及工具軟件能力整合為集成的、跨部門的仿真協同服務，在云計算框架下實現非定期任務并行調度方法[5]，大大提升仿真效率。在實際應用過程中，不斷積累和應用企業的最佳研發實踐知識和經驗，為驅動產品設計創新提供強大的平臺性支持，搭建仿真平臺推動工業智能場景化落地，促進產業、人才與業務的深度融合。

5 結語

工欲善其事必先利其器，后工業時代，由產業鏈低端向中高端轉移，數字化平臺戰略日趨凸顯，數字化轉型已逐漸成為千行百業突破發展瓶頸的必經之路。工業仿真是數字化關鍵所在，其人才壁壘高，專業性強，無形增加企業數字化轉型難度和試錯成本。智能制造所要解決的核心問題是知識的產生、分享與傳承，仿真賦能平臺將新技術與智能制造應用場景深入融合，通過數字化轉型釋放出新的潛能。制造企業借助仿真平臺的優勢，充分利用平臺賦能，場景化業務模型降低勞動技能門檻，快速掌握合理運用，避免錯誤認知。隨著萬物互聯成為可能，橫向的供應鏈協同和縱向的研發協同成為新的需求，工業仿真平臺的部署方式和服務形態也發生變化，將傳統架構的軟件經過工業技術的軟件化，將技術、知識和經驗進行沉淀轉變成工業微服務。

沉淀集體智慧，賦能個體用戶，仿真賦能平臺是工業創新實踐的技術溢出，催生數字化生產要素，從跟蹤、模仿以至超越，下一步將以企業業務能力為參照，基于統一模型規范的全行業、全場景、全系統建模、分析、仿真一體化，在數字孿生框架下，建立模型標準研究、領域模型創造與重用、營造工業領域基于模型知識的“Know-how”仿真新生態，推進仿真體系建設，進一步健全企業業務能力，從流程、標準和價值的維度，對思維方式、模型轉化、運營能力、數字融合方向聚焦主航道，增強企業數字化戰斗力，愿拋磚引玉更將迸發出前所未有的行業新價值。