数字化仿真技术在研发制造型企业中的应用

述了采用数字化仿真技术方式与传统研发试产方式相比的主要优势，并通过若干案例展示了其在企业中的具体应用。[Abstract ] The definition of digital simulation and digital twin are introduced as well as the potential application, including product simulation,

manufacturing process simulation and equipment status simulation, it expounds the main advantages ofadopting digital simulation technology compared with traditional research and development and trial production, and shows its application in enterprises through several cases.【关键词】数字化仿真;数字化双胞胎；工业4.0[Keywords Jdigital simulation; digital twin; industry 4.0【中图分类号]TP391.9；TH16

[DOI] 10.13616/j.cnki.gcjsysj .2019.10.323【文献标志码】B 【文章编号11007-9467 (2019) 10-0268-031引言随着技术的进步，无论是民用消费市场还是工业消费市

传统的生产研发中心中，新产品从研发到上市通常使用 里程碑式项目管理方式，通过多次试产,改进的循环不断消除

产品设计问题,达到量产条件。在这种传统的方式中,整个周

场，各种新产品的上市周期正在不断缩短，客户对产品更新换

期长达数月至数年，每一次的设计变更都会造成巨大的费用

代速度的需求也越来越强烈。对于很多企业,缩短从研发到上

和时间消耗。市的时间周期变成了一个必须面对的巨大的挑战。通过增加

为了解决这个问题，新的研发制造思路开始得到思考和

劳动时间抢占市场先机变成了许多企业制胜的法宝，“996”的

验证。其中，数字化仿真已成为制造企业迈向工业4.0的重要

工作状态是很多研发和生产人员的真实写照。但是企业长期

解决方案。它可以支持企业进行涵盖其整个价值链的整合及

在此模式下运转,意味着人力物力的巨大投入，高强度的工作

数字彳豪型,为从产品设计、生产规划、生产工程、生产实施直

状态也带来了员工离职,创造性下降等一系列负面影响。如何

至服务的各个环节打造一致的、无缝的数据平台,形成基于模

能够持续稳定地缩短上市周期，保持市场竞争力，是每个企业

型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像叫数字化仿

都必须认真研究的课题。在这样的市场需求下,数字化仿真技

真主要由产品仿真、生产工艺流程仿真和设备状态仿真3大

术恰如其时的出现，为人们提供了切实可行的解决方案。部分组成。2数字化仿真的定义和范围数字化仿真是指以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟

对于产品仿真，目前广泛使用的软件有NX UG.Mentor

Graphics, Polarion ALM.Simcenter 等,主要侧重于产品结构 3D

对象在现实环境中的行为,对产品、制造过程乃至整个工厂进 设计、电路设计、软件设计和产品功能模拟，结合VR. AR等硬

行虚拟仿真,从而提高制造企业产品研发、制造的生产效率。 在西门子,它被称之为数字化双胞胎(digital twin)0

件设备，可以通过虚拟环境实现身临其境的体验感受。结合

3D打印技术,则可以快速制作产品模型。【作者简介】邵康文(1960-),男，云南陆良人，高级工程师，从事建 筑智能化、系统集成以及绿色建筑和基砒设施节能研究。268对于生产流程仿真，应用软件有line designer, plant

simulation和process simulate。主要侧重于工厂生产环境的设

_ 智能与信息化Intelligenlilize and Informalization计，可以分为从宏观到微观的3个维度：1） 工厂仿真:主要针对工厂的整体布局优化，物料流优

品运输进行动态优化，将精益生产的理念以数字化的形式进 行呈现,提前发现并减少浪费,提前发现瓶颈工序并进行线平 衡优化。化，未来工厂设计；2） 价值流仿真:优化工艺设计,减少半成品，优化搬运路

4数字化仿真技术的应用案例

径，减少等待时间；4.1流水线载具数量模拟3） 生产线体仿真:创建新生产线,选择合适的生产形式

在自动化工厂，流水线载具的数量是搭建一条自动化生

（全自动、半自动、手动线体），对生产线的线体平衡优化，瓶颈

产线必须考虑的问题,传统的方式是通过工程师经验,按照产

工序识别。分析产品在生产加工过程中的移动距离优化和人

线传送速率和生产线整体长度来进行估算。这样的方式并不

员动作的优化。准确，过少的载具意味着单位时间产品产出数量少，导致生产

对于设备状态仿真，在软件端可以自动连接设备中的工

线利用率不高。过多的载具则会耗费更多的费用,并出现产线

业控制电脑（PLC）,并为其快速配置参数并与主控单元进行通

拥堵。在获得产线相关参数后，通过使用Plant Simulation软件

信,搭建工业网络平台。通过软件，可以实时追踪设备运行状

进行模拟，可以看出在不同载具数量的情况下单位时间内产

态,并进行预防性维护。品产出数量的变化。在一条新产线的设计过程中，根据经验算

3数字仿真技术的优势3. 1加快产品研发上市周期相对于传统研发试产验证过程，仿真软件使产品设计缺

出来的载具数量是100台。但是根据仿真软件计算，载具数量 达到85台时，产量出现峰值。在此数据之前，随着载具数量的

增加,产出逐步提升。在此数据之后,增加载具数量，产出变化

陷和可制造性在项目前期就可以得到充分的讨论,并在虚拟

量不大。继续增力嗷量，则会出现由于线体阻塞而发生产量下 滑的状况。环境中进行验证。通过NX软件，可以制作产品的3D图纸，并 根据需求进行各种角度和剖面的观测，充分讨论产品的可制

4. 2操作人员数量模拟生产线配备合理的人员数量才能达到效率的最大化,如

造性。使用Plant Simulation软件可以在电脑端提前创建产品 生产线,选择设备和各种工装，然后直接发送给供应商进行加 工制作，减少了设备后期调整的风险。图1所示产线,虽然将人数由2个增加到3个（见图1）,单位 小时的产出数量可以从880个上涨到1200个,但是通过仿真

3. 2为客户提供多种定制化产品在软件端进行设计，用3D打印制作样品，使样品制作成 本大大降低,周期大大缩短。研发人员可以做到一次性提供多

可以看出，第二和第三个作业员的工作效率都不同程度地出 现了下滑,无法达到两人配置时的效率水平,因此,增加人员

数量会导致效率损失，无法达到最经济生产状态。种设计方案给客户，或者根据需求持续不断的修改设计方案，

而无须考虑重新制作模具以及预定样品的费用。3.3在项目前期发现质量问题通过NX软件设计的产品3D图纸可以很容易地对产品 的关键尺寸进行测量，并发现其中的尺寸干涉等问题。通过

Mentor Graphics软件可以完成电子电路的设计、模拟和优化。

通过Simcenter软件可以模拟出产品的机构强度、散热等性能 表现。通过Polarion ALM软件可以开发，模拟，验证和管理产 品的软件部分。由此可见,通过仿真软件,绝大部分问题在电

脑端即可以一览无余。3. 4生产效率最大化使用Plant Simulation软件可以对占地面积、物料摆放、产图1生产人员数量（左下图:2人;右下图：3人）与生产效率之间的关系269工程建设与设计Construction & Design ForProjecl4. 3设备设计模拟传统的产线设计需要使甩纸箱、线棒等辅助材料在实验 室搭建虚拟环境，并邀请工人来现场进行模拟操作检验设计

场景非常丰富，也切实带来了许多实际的好处。在企业的数字 彳匕转型过程中将发挥巨大的作用，使企业通过灵活高效的方

式,快速推出产品,持续保持市场竞争力。正如西门子工业软 件大中华区DER总经理戚锋博士所述叫“全球制造业挑战不

是否合理。这种方式耗时耗力，而且模仿精度不高，很容易导

致真实线体在实际使用中进行再次修改。使用Process

Simulate软件可以将完整的产线，设备的3D尺寸输入其中，

断加剧,制造企业急需转型，数字化双胞胎模型能够帮助企业

应对发展难题。它的实行是虚拟与现实相互促进的过程，谁驾 驭了这个过程准就将占领市场先机。并在电脑端进行产线设计，设计精度可以达到和真实场景

100%匹配。通过VR等硬件设备辅助，操作人员可以身临其境

【参考文献】[l]jan Mmsik.西门子助力中国工业迈向\"中国制造2025\"卩].自动彳I：应

地体验产线操作和移动，基于人机工程学提出自己的反馈。供 应商根据软件的设计结果直接进行加工，大大缩短了加工周

用.2016（7）:1.【2】陈明.戚峰，张朋.数字化双胞胎将虚拟照进现实（EB/OL].http：//

video .gongkong.com/newsnet_detail/346144.htm,2016 -07 -12/2019 -

期和减少了设计风险。4.4更多应用其他应用场景还包括使用仿真软件设计自动搬运机器人最

08-25.优移动路线；aa虚拟^落测试来修改产品外形设计、增加强

度;通过虚拟排产来测算出最优排产策略，提高设备利用率等。5结语由此可见，数字化仿真技术在研发制造型企业中的使用【收稿日期】2019-08-27（上接第232页）调整,对固定的误差进行校正,整体降低测量不确定度,提高 测量数据的质量。4. 2测量不确定度的评定步骤测量不确定度的评定步骤包括：1） 要确定数据测量目的,要弄清楚通过测量想要得到的

5结语经济不断发展,人们对质量的要求越来越高,而误差和测

结果,再根据实际的测量环境和测量条件建立计算模型,分析

量不确定度是表明质量好坏的一个指标，所以人们越来越关

各个测量参数和测试最终结果的联系，使用有关的测量机器

注测量不确定度。目前，有很多专家和学者对测量不确定度进

和设备做好测量的准备工作，测量时要尽可能减少测量环境

行了深入广泛的研究，为建立测量不确定度理论体系提供了

和条件的影响，根据测量的数据结果计算出各个测量数据的

宝贵的资料和数据，同时也有很多的实践研究者将测量不确

测量不确定度，进而得出整体测量数据的不确定度；定度广泛应用于实际数据的测量和检测中，提高测量不确定

2） 依据第一步所得到的各个测量数据以及对应的测量不

度的应用水平,这不仅仅可以更新测试方法和测试技术，还可

确定度，可以对这些测量数据进行分组,再分析这些数据组之

以奠定扎实的理论基础,完善测量不确定度的步骤,提高测量

间是否存在密切联系,如果存在联系,那就再使用其他的数据

信息和计算方式分析这些组之间的误差和测量不确定度,再

不确定度的质量。di?使用之前测量的数据参数,得出测量结果,给各个组赋予一定 的权重,再进行测量不确定度的综合计算,得出整体的测量不

确定度,并且分析对测量数据产生较大影响的因素，分析这些

因素之间的联系,表明可信度。对这个过程进行详细的记录， 并且和他人进行讨论交流,对有问题的地方进行改进,增加测

量数据评估的准确，性。根据之前的记录,可以对实验仪器进行

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