隨著數字化制造技術的逐步深入，裝配工藝仿真已經成為優化工藝設計結果、縮短裝備研制周期、提升裝備質量的必要手段。裝配工藝仿真技術就是利用已有的裝配工藝流程信息，產品信息和資源信息，定義好每個零件的裝配路徑，實現產品裝配過程的三維動態仿真，評價產品的可裝配性、可維護性，以發現工藝設計過程中裝配方法和裝配順序設計的錯誤，大幅度提升數字化裝配工藝設計水平。

裝配工藝仿真主要是通過檢查產品零件在裝配過程中是否發生碰撞、干涉等現象，并按照工藝流程進行裝配工人的可視性、可達性、可操作性及安全性的仿真，來實現從單個裝配單元的裝配過程、流程時間到生產線物流變化的整個產品的現場可視化裝配生產過程。

裝配工藝仿真的內涵及意義

裝配工藝仿真可以為各類復雜裝備及產品的設計和制造提供產品可裝配性驗證、裝配工藝規劃和分析、裝配操作培訓與指導、裝配過程演示等完整解決方案。該解決方案為產品設計過程的裝配校驗、產品制造過程的裝配工藝驗證、裝配操作培訓提供虛擬裝配仿真服務。裝配工藝仿真對于產品裝配過程的意義主要包括以下幾點：

（1）有利于實現產品設計、工藝設計、工裝設計的并行開展，從而降低產品研制風險，縮短產品研制周期，減少開發成本。

（2）在產品實際（實物）裝配之前，通過裝配過程仿真，可及時地發現產品設計、工藝設計、工裝設計存在的問題，有效地減少裝配缺陷和產品故障率，減少裝配干涉等問題導致的重新設計和工程更改，保證了產品裝配的質量。

（3）裝配仿真過程生成的圖片、視頻錄像可直觀地演示裝配過程，使裝配工人更容易理解裝配要求，減少了裝配過程反復，減少了人為差錯。

（4）裝配仿真過程產生的圖片、視頻錄像可用于對維修人員的培訓。

（5）對于新產品的開發而言，通過三維數字化裝配工藝設計與仿真，減少了技術決策風險，降低了技術協調成本。

（6）通過三維數字化裝配工藝設計與仿真，可進行裝配工時分析、生產線資源與工藝布局規劃和評估，有利于生產線的改造與建立。

裝配過程仿真與優化裝配工藝過程仿真是在網絡和計算機軟件環境中，利用產品和資源的三維數模，對產品的裝配工藝過程進行設計，并模擬產品移動、定位、夾緊等裝配過程，檢查產品設計、資源設計和工藝設計的缺陷，對工藝設計的結果進行仿真驗證和評估。

其主要目的是對裝配的幾何約束、干涉問題進行檢驗，驗證產品結構設計的協調性、合理性和可維護性，是產品設計工作的組成部分。該部分工作可以分為5個階段，即數據準備、裝配工藝流程創建、裝配過程仿真、裝配工藝過程分析與優化及仿真結果輸出，其一般流程如圖1所示。

圖1數字化裝配過程仿真一般流程

1）裝配工藝仿真

在數字化環境下，建立廠房、地面、起吊設備等三維制造資源模型，將已經建立好的各裝配工藝模型和裝配型架、工作平臺、夾具、人員等制造資源三維模型放入廠房中，按照設計好的工藝布局將產品、制造資源等放置到位，以裝配工藝流程為主線，模擬工廠實際生產過程，如圖2所示。

圖2裝配工藝布局

工藝布局的仿真可以實現以下功能：①檢驗產品生產線上各生產要素是否齊備，檢驗生產原料堆放場地是否得到合理利用，適用于何種運輸工具；②檢驗工藝布局是否符合流水化作業進程，檢驗運輸通道是否流暢；③在產品裝配過程中可進行靜態和動態干涉檢查，進行裝配工人的視界檢查；④在進行數字工藝準備設計的同時，可以進行定位和配合檢查，進行實際的裝配過程（包括安裝順序）的可視性檢查等。通過仿真驗證工藝布局的合理性，調整裝配工藝流程、資源人員配置及相對位置，以減少交叉路徑，減少迂回現象，減少移動距離，減少成本，達到優化工藝布局的目的。

工藝布局優化的原則包括：①遵循工藝規程原則，最短路線原則；②生產力均衡原則；③充分利用空間和場地的原則；④方便運輸的原則；⑤安全和環保的原則；⑥快速重組的原則。以數字化裝配協調為基礎，針對數字化裝配工藝方案，建立數字化裝配系統裝備的仿真模型，考慮裝配系統產品和制造資源的布局，結合數字化裝配系統物流管理，進行系統布局裝配仿真，合理布局，可有效提高廠房空間和數字化裝配裝備的利用率，保證數字化裝配系統布局滿足精益制造的要求。

工藝過程仿真的順序包括：①數據準備，完成工藝模型的建立與導入；②裝配工藝流程創建，完成工藝流程順序的建立、調整，為流程中的各節點指派產品和資源模型，并驗證裝配流程的有效性；③裝配過程仿真，通過裝配路徑規劃實現裝配工藝過程仿真、人機工程任務仿真，并檢查裝配過程中產品零部件或資源的動態干涉和碰撞情況，驗證裝配工藝的可行性；④裝配工藝過程問題分析與處理，通過分析結果，對裝配順序、裝配空間、裝配路徑、人機工效等方面存在的問題進行反饋與優化；⑤裝配仿真結果的輸出，得到效果清晰、重點突出、便于觀察的視頻文件，并在裝配仿真中需要添加必要的修飾，最終生成相關的分析報告和視頻文件。

2）裝配工藝設計的優化

裝配工藝是用來指導現場裝配的工藝文件，裝配工藝編制質量的高低直接影響著產品的裝配質量。裝配工藝優化有兩種情況：

（1）對于已有的裝配工藝，可以按照現有的裝配路徑、裝配順序進行裝配過程分析、仿真，檢查現有工藝的可行性，同時也可以根據動態仿真的過程，生成一個優化的裝配次序、裝配路徑，從而優化現有裝配工藝。

（2）可以改變傳統裝配工藝的表現形式，采用電子化、結構化、可視化的工藝形式來生成裝配工藝規劃，用于指導實際的裝配過程，有利于裝配工人對裝配工藝的有效理解，從而提高裝配質量。

除了保證裝配工藝的可行性外，裝配工藝優化還需考慮裝配過程中的時間、成本費用等因素，關注設備、空間、人員、工具等的利用率，最終輸出最優的裝配工藝方案。

裝配人機工效仿真產品裝配過程中的人機工效仿真是指在產品進行真實裝配之前，將產品及資源對象的三維實體模型在仿真軟件系統中建立起來，在虛擬環境中利用三維人體模型模擬人的實際工作情況，實現三維人體在制造環境中與其所制造、安裝、操作、維護的產品之間互動關系的動態仿真，以分析操作人員在該環境下的姿態、負荷等，驗證裝配操作的可視性、可達性、可操作性等，提高裝配效率，并從工效學的角度對人體姿態做出評估與改進，使之更能滿足作業要求以及達到安全舒適、高效的標準。產品裝配中人機工效仿真典型的作業流程如圖3所示。

圖3人機工效仿真流程

1）人體模型的建立

人體模型的建立是進行人體任務仿真的基礎，數字仿真軟件能夠根據國家、性別、百分點、身高、體重、承載能力等參數自動生成人體模型，也可直接從工廠建立的人體模型庫中選擇數學模型，并通過編輯參數使之與工人的實際情況相符。對于特殊工序的人機工程仿真，應根據生產現場操作者的特征建立其三維人體模型。在某些特定的工作中，比如狹小的空間里鉆孔、鉚接或者打保險等，需要模擬人體手部的詳細動作，分析手的可操作空間，對于這種情況，可單獨建立人的局部三維模型，人體模型的創建示意圖見圖4。

圖4人體模型的創建

2）人體姿態的編輯

人體姿態編輯如圖5所示，以真實人體關節活動為依據，考慮人體生理及可承受疲勞強度，應用數字仿真軟件中姿態編輯器編輯人體姿態，調整頭、頸、肩膀、手臂等約30個部位創建工人工作中的各種姿態。人體姿態的編輯方式有兩種：一種是通過選擇需要更改姿態的人體部位及其自由度，修改自由度的值得到人體不同的姿態；另一種是在人體標準姿態庫中選擇相似的姿態，對標準姿態進行調整得到所需要的人體姿態。

圖5人體姿態編輯

3）人體模型運動分析

人體模型運動分析包含兩部分，即人體姿態分析和人體行為分析。通過對人體工作時的姿態和動作進行分析，合理配置工人與其制造、安裝、操作與維護的產品或資源。

姿態分析是通過求解人體的運動學和動力學模型對行走、定位、抓取和舉放等姿態進行評估，以及進行人體受力及疲勞分析等。針對產品裝配過程中人體姿態的計算，可根據人體參數、作業點、作業力方向、人體位置及人體操作方式等計算上下體姿態角，判斷可工作域，自動調整人體姿態，以實現自動控制及姿態計算，并使人體達到最舒適狀態。

人體行為分析用來檢測人與工作環境中各種設備與工具的相互影響，分析人的舉、放、推、拉、運等行為，包括快速上肢分析、搬起/放下行為分析、推拉行為分析、搬運行為分析、個人行為分析等，通過設置理想的動作極限、負重極限等，使操作者操作起來更舒適和安全。人體模型運動分析實例如圖6所示。

圖6人體模型運動分析實例

4）人體視野分析

人體視野分析實例如圖7所示，裝配過程中的可視性判斷通過對人體模型的視野分析來進行，視野分析的流程包括以下幾個方面。

（1）建立人體模型；

（2）通過編輯人體模型狀態，模擬顯示操作者的視野范圍；

（3）編輯視野窗口的顯示狀態；

（4）分析并驗證完成當前裝配操作的可視性。

圖7人體視野分析實例

5）人機任務仿真

人機任務仿真是在包括產品、工藝、資源的裝配仿真環境中，以裝配工藝流程為主線，根據工人的實際工作創建如行走、移動到某一姿態、拿起或放下物體、上臺階、結合機構工作等的動作，分析人工作時與所操作產品和所涉及工裝、工具等的關系，如圖8所示。

圖8人機任務仿真實例

利用數字化環境中的任務仿真工具，指定工人完成某個裝配操作過程中的作業行為、行走路線和工作負荷，對各種典型作業姿態和裝配行為進行模擬及定性定量分析，并在此基礎上準確地評估工藝和工裝的人機性能及工人的勞動生產率。為了減少人機工效仿真的工作量，僅對作業環境惡劣、勞動強度大的人機任務進行仿真。

6）人機工程仿真結果分析與處理

應用人機工程主要可以完成以下分析：

（1）可視性檢驗。主要檢查產品零部件是否因為裝配次序不同，裝配路徑不同，裝配工藝布局不同而導致裝配時待裝配零件位置不可見。

（2）可達性檢驗。主要考察工人的身體或肢體是否能到達裝配位置。

（3）可操作性檢驗。主要檢査是否因為裝配序列、裝配路徑、裝配工藝布局不同而導致零部件不在裝配操作的范圍內，或作業空間小、零件重量不便于工人操作等。

（4）舒適性檢驗。主要檢查工人承受的負荷以及操作時間（次數）是否使工人容易疲勞。

（5）安全性檢驗。主要檢驗工人操作過程中的安全隱患。

在人機仿真過程中，若發現工藝設計中與人相關的錯誤，如裝配順序導致的工人操作空間不足，或操作對象不可視等，應及時對工藝設計進行修改；若發現工裝設計中與人相關的錯誤，如工作梯高度不對，工作梯臺面間距不合理，或工裝設計的定位器阻擋了工人操作的通路等，應及時對工裝設計進行修改；若發現工藝布局中與人相關的錯誤，如工藝布局導致的裝配對象不可視、裝配操作不便、安全性低等，應及時對工藝布局進行修改。

現場可視化與數字孿生現場可視化在我們的生活和工作中無處不在，最普遍的無疑就是紅綠燈交通信號燈，只要一眼看到信號燈，每個人在1秒鐘內就可以做出行或停的判斷，如果以文字或任何別的方式在現場表達這項交通法規，都無法讓人在如此短的時間來做出判斷。例如在飛機裝配領域，工人可通過現場可視化能夠清晰的對裝配狀態進行實時掌控，保證裝配作業的穩步進行。

1）MES的內涵

制造執行系統（MES）作為連接企業計劃管理系統和過程控制系統的橋梁，是位于上層的企業資源管理與底層的過程控制系統之間的面向車間層的管理信息系統。MES通過傳遞信息來優化從訂單啟動到貨物完成的各生產活動。當工廠活動發生時，MES利用當前的、準確的數據對其進行指導、展開、響應和報告。由此產生的對條件變換的快速響應能力，以減少非增值活動為中心，指揮著有效的工廠操作和流程。因而MES提高了運營資產、按時交付、庫存運轉、毛利潤和現金流等利益，通過雙向通信提供關于整個企業生產活動和供應鏈的任務的關鍵信息。

MES的主要功能包括：操作/詳細調度、資源分配和狀態管理、生產單元分配、過程管理、人力資源管理、維護管理、質量管理、文檔管理、產品跟蹤和產品譜系管理、性能分析和數據采集。

2）現場可視化技術

現場可視化技術是數字化裝配技術的重要組成技術之一，它是通過軟件開發技術、計算機集成技術和網絡技術建立從企業數據中心到車間裝配現場的網絡化系統平臺。此系統能生動、直觀地展示產品的制造過程，可以將生產工藝、人員、設備、工裝夾具等資源信息有效地集成，通過界面直觀地顯示產品的幾何模型、設計結構關系和工藝結構關系，顯示裝配的仿真過程，顯示與仿真過程相應的裝配操作說明等，讓工人依照系統進行操作，從而能夠準確、快速地查閱裝配過程中需要的信息，提高裝配的準確性和裝配效率，縮短裝配周期。裝配可視化技術主要包括裝配過程可視化、產品裝配結構輕量化模型可視化、裝配工藝數據可視化等。

裝配過程可視化是將仿真結果轉換為演示文件，通過網絡發布在各個裝配車間或工段，同時還可以指導產品三維模型裝配，用于指導現場裝配工人進行生產。

產品裝配結構輕量化模型可視化是輔助裝配工藝人員在裝配過程中，遇到結構模糊或不清楚的時候，實施可視化查詢的有效途徑。

裝配工藝數據可視化是指將產品相關數據中的源數據和工藝數據進行處理，例如工藝報表、工藝路線統計等，將工藝數據文件以表格、圖示化、可視化、HTML、Word等多種格式顯示在可視化平臺上。裝配現場的可視化系統看板如圖9所示。

圖9裝配現場的可視化系統

3）數字孿生技術

數字孿生技術是智能制造發展的方向，通過工業互聯網、大數據、建模工具、仿真軟件、可視化手段等，實現物理世界與虛擬世界的互聯互通，能夠在虛擬世界里面事先模擬各類場景，然后將最優化的結果應用于現實世界中，以更低的成本獲得更高的效益，數字孿生技術構架如圖10所示。數字孿生分為：產品孿生、生產孿生和運維孿生，分別模擬產品研發中的各類測試、制造工藝的模擬仿真、生產線的模擬 仿真和實際生產過程的實時監控、產品上市以后的運行狀態等。

圖10數字孿生技術構架圖