傳統的工廠工藝佈局全部依託二維（2D）圖樣制訂廠房改造計劃、設計生產線建設方案，無法體現生產裝置在時間和空間上的邏輯關係，導致技改資源投入大、效益低、產能浪費現象嚴重。創新團隊根據航空發動機變品種、小批次生產車間的特點，基於儘量減少和消除不必要的車間作業的原則，從求解流程、模型構建、模型分析3個層面對現有生產工藝佈局規劃理論與方法進行綜合分析。在此基礎上，形成航空發動機多品種、小批次、離散式數字化工廠三維（3D）佈局規劃建模、模擬、分析及評價方法，為數字化、自動化生產線的建設及改造提供技術支撐。
數字化工廠建模技術路線
數字化工廠建模主要從車間工藝佈局立體化、生產執行動態虛擬化、執行過程資料顯性化3個維度解決生產車間數字化改造的實際問題。生產車間工藝佈局立體化是生產車間工藝佈局的具體化過程，核心是工藝佈局，要做到相對獨立的車間工藝佈局一次做好，獲得長期收益，必須解決車間工藝佈局二維圖的引用、應用環境構建、模型、關聯（透過模型間的關聯實現設施或單元之間的關聯）4個層次的問題。
生產執行虛擬化解決的是生產車間或自動化生產線動態展示的問題，核心是環境的構建和動態執行機制的定義，在此基礎上的生產車間模擬環境將結合需求不斷被迭代分析、不斷隨工藝佈局修訂和迭代分析結果而持續完善。執行過程資料顯性化則是透過觀察裝置利用率的變化，找出生產線的瓶頸裝置，並作為生產線最佳化的依據。
數字化工廠建模關鍵技術
透過對數字化工廠建模技術路線的梳理，創新團隊確定了實現技術路線所需突破的幾項關鍵技術。
航空發動機零件生產線模擬示意
模型輕量化技術
航空發動機零部件通常採取面向物件的方式完成零元件建模，1個零件記憶體佔用量超過20MB。1臺航空發動機通常由上萬個零元件裝配而成，記憶體佔用量超過10GB。數字化工廠建模需要引入完整的零元件模型、加工裝置模型、傳動裝置模型等。
數字化工廠建模與模擬整合應用總體思路
模型輕量化之前，單條生產線記憶體佔用量超過20GB。保持原始模型不變，90%以上的計算機無法查閱和編輯生產線模型。為保證數字化工廠建模工作的實施，必須突破模型輕量化技術，將模型進行縮減。模型塌陷技術是目前模型輕量化應用效果較好的關鍵技術，透過模型塌陷，原始模型記憶體佔有量可縮小為原始模型佔有量的十分之一。在數字化工廠建模之前，透過特徵過濾，將模型中的孔隙、電纜等特徵部件進行刪除，進一步輕量化模型，可以實現發動機總裝模型記憶體佔有量從1GB縮至20MB以內。
人機互動模型構建技術
數字化工廠中，校準、搬運等工作需要人的協作，因此在數字化工廠建模時，必須將人的因素考慮到工廠模型中。透過人機互動模型構建，可以實現人員運動軌跡定義、人機協作模式定義，並且可以用於生產線安全性判斷、人員時間消耗分析。
裝置實體模型構建及矩陣變換技術
生產線中的生產裝置模型，主要以供應商提供、鐳射掃描建模、人工測繪建模等方式完成，但建立的模型只能用於靜態的展示，無法用於開展物流建模、動態模擬、利用率分析等研究工作。裝置實體模型構建及矩陣變換技術可以實現生產裝置模型位置的擺放、運動機構的拆分、行程極限的設定、運動軌跡的編輯等工作。生產裝置模型構建主要包括機床運動機構定義、裝置座標系建立、裝置空間位置變換3個步驟。
執行過程資料顯性化示意
生產線平衡效果的評價指標
通常採用裝配生產線的平衡率、平衡損耗率以及平滑性指數等幾個指標來直觀地衡量裝配生產線平衡的好壞。對生產線所有作業元素所耗時間進行累加，求解每臺裝置上每個作業所消耗的平均時間，將平均時間與單個作業最大消耗時間相除，即可得到生產線平衡率。生產線的平衡損耗是由於裝配生產線上工作站之間作業分配不均導致的，首先按照每臺工作站都採用最大作業時間來計算生產線的虛擬時間，將虛擬時間與實際生產線生產作業時間相減得到時間差值，所得差值與虛擬時間相除即可得到生產線平衡損耗率，生產線的平衡損耗率越大，表示工位損失時間越多。根據連續生產15天的實際生產值除以每天的裝置利用率變化，計算出平滑性指數，根據平滑性指數的數值，預測未來生產線的生產能力。
數字化工廠建模技術實踐
創新團隊以廠房的數字化工廠建模為例進行了技術實踐。廠房總建築面積約15000m2，涉及鈦合金筒形焊接機匣類、隔熱屏元件類等系列產品的生產。數字化工廠建模工作流程為序列工作流程，共分為工藝平面佈置圖匯入、匯入檔案編輯、效果圖框架搭建、自定義佈局元件搭建、非標裝置建模、工藝佈局效果圖搭建、效果圖檔案生成及輸出等7個步驟，以下逐一說明。
一是工藝平面佈置圖匯入。透過數字化工廠模擬軟體VisualComponents，可以將CAD檔案直接匯入到3D格式中。因為VisualComponents支援來自許多領先的CAD供應商的CAD檔案型別，可以輕鬆匯入由Autodesk、達索、PTC、西門子等公司使用流行軟體應用程式建立的幾何檔案。
CAD圖樣匯入效果
二是匯入檔案編輯。在圖樣等檔案匯入過程中，可以根據實際情況選擇匯入圖樣的型別及格式。圖樣鎖定後，可以將圖樣作為唯一參考基準進行數字化工廠建模。
標準裝置資料庫
三是效果圖框架搭建。匯入平面工藝佈局圖後，即可根據所用到的元件進行搭建。
佈局搭建
四是自定義佈局元件搭建。預先定義2300個引數化的元件，其中包括來自工業自動化領域幾十種品牌的機器人、傳送帶、智慧貨架、自動引導小車（AGV）、數控加工機床、龍門架、產線外圍、人機協作元素等。非標裝置或者庫裡沒有的裝置則可以建立私有庫，透過匯入模型，賦予行為動作，新增訊號，生成元件，存入私有庫，結合使用網路庫和私有庫來進行佈局搭建。
圖形及3D/PDF顯示
五是非標裝置建模。以建立機床元件為例，匯入模型。在匯入模型的時候，可以根據需求，選擇模型的細節、品質的高低、是否需要過濾不必要的孔洞、幾何元和特徵樹按照什麼型別匯入等。
六是工藝佈局效果圖搭建。根據匯入的圖樣，進行裝置元件的位置擺放，形成靜態佈局圖，然後進行動作和工藝流程設定。在進行佈局搭建的時候，可以直接從網路元件庫中將元件拖到場景裡，利用即插即用的功能，快速構建佈局。使用屬性編輯功能可以修改預定義的元件引數，如尺寸、速度和顏色等。當建立私有庫時，可以透過使用私有庫以及公共庫中的元件進行快速搭建。
七是效果圖檔案生成及輸出。VisualComponents匯出的檔案主要有5種，並且支援多種渲染模式，包括可互動操作的PDF檔案、4K超清圖片及影片錄製、虛擬現實（VR）影片顯示等。
創新團隊以一款機匣的生產線為例，透過二次開發實現裝置利用率的實時互動顯示，透過調整物流路徑、生產節拍，設定緩衝區，制訂了3種最佳化方案，最佳化後生產能力從每季度50件，提升到每季度226件，產能提升3倍，創造價值千萬餘元。
結束語
本專案所突破的關鍵技術不僅適合在公司範圍內推廣應用，同時具備向行業推廣的潛質。透過數字化工廠3D佈局規劃與模擬技術實踐，應用分析及最佳化技術，物流週轉時間可縮短20%，生產能力提升3倍以上，每條生產線瓶頸突破後可以創造新增價值百萬元，未來作為生產線建設的重要支撐技術之一將持續創造更多價值。
作者：中國航發黎明 周鑫 張森堂 高陽
更多數字化轉型內容請關注公眾號【ID：xingongyecn】，或百度搜“新工業網”。這裡是百萬新工業人的知識家園。