1997年9月,錢學森在給清華大學工程力學系建系40周年的賀信中寫道:隨著力學計算能力的提高,用力學理論解決設計問題成為主要途徑,而試驗手段則變得次要了,更多信息盡在振工鏈。
用計算機解決工程力學問題的歷史由來已久。20世紀50年代,一幫工程實踐專家會同計算機專家共同開發線性結構靜、動力分析程序來解決工程力學問題。但受限于當時計算機性能不足,此后20年,相關技術發展一直很緩慢。直到20世紀80年代中期,才逐步形成商品化的通用及專用軟件。
進入21世紀,隨著高性能計算、云計算等新一代計算模式的出現,工業仿真軟件開始加速發展,從產品設計、工藝設計、工藝裝配到機器人編程、物流線路規劃,再到生產線仿真,工業仿真軟件的應用范圍正在不斷深化和延伸。
工業仿真為“智造”加速
隨著物聯網、云計算、5G以及人工智能等新一代信息技術與傳統制造業的融合,傳統的研發、管理、生產和銷售模式正在發生巨大變化,以數字化、網絡化和智能化為主要特征的新一代智能工業體系正在逐步形成。這是一個由計算、網絡和控制系統構建的多維復雜系統,目標是實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務,這個體系的核心,在德國工業4.0中被命名為信息物理系統,即CPS,在中國智能制造體系中被稱為“數字孿生”。
一個完整的CPS架構包括產品的概念設計、方案設計、初步設計、詳細設計、分析仿真、工藝設計、工藝仿真、工裝設計、工裝仿真、裝配設計、裝配仿真等一系列流程,然后形成完整的產品數字樣機。通過在計算機上建立虛擬實驗環境找出產品設計和工藝問題,然后改進計算機模型,最后再映射到實物的試驗過程。
CPS的本質都是實現物理實體與數字虛體的融合交互,一直以來,由于CAD和CAE是兩個分開的產品,在設計過程中無法做到“設計既出,仿真即行,同源數據,共生驗證”。因此,面對以CPS為核心的工業智能化轉型,企業依賴于領先的工業仿真軟件來支撐。
工業仿真軟件能通過數字化建模和仿真支撐CPS或數字孿生所倡導的虛實融合交互功能。工業仿真是對實體工業的一種虛擬,將實體工業中的各個模塊轉化成數據整合到一個虛擬的系統中,在這個體系中模擬實現工業作業中的每一項工作和流程,并實現交互。工業仿真軟件承擔著對生產制造過程建模分析、虛擬現實交互、參數效果評估等重要作用。
隨著虛擬現實、云計算、物聯網、人工智能等新興技術逐漸進入工業仿真領域,工業仿真軟件對工業元素描述更精確、更細致,其設計過程也更加簡單方便,軟件與工業實際應用結合更緊密,仿真模型得到持續動態優化,虛擬仿真軟件已經成為了工業軟件未來發展核心和重點。
打造本土工業仿真平臺
隨著中國工業智能化轉型進程的不斷加速,企業對工業軟件的應用需求也越來越廣泛。與此同時,面對發達國家對中國工業軟件的禁用打壓,中國政府也認識到發展自主工業軟件的重要性。對于有實力的企業,開始通過收購或自主研發等方式突破產業封鎖,積極布局工業軟件。而作為研發設計最重要的工業軟件產品,工業仿真軟件的布局自然成了重中之重。
近年來,美的通過一系列戰略收購完善產業鏈布局,并依托自身積累的豐富工業轉型經驗積極布局工業智能化。2017年,美的收購了全球領先的工業仿真軟件廠商VC,并據此打造了國內第一款擁有自主產權的工業仿真軟件MIoT.VC。
在美的精心打磨下,MIoT.VC已經可以支撐工廠過程仿真、設備制造商銷售和營銷演示、控制器驗證(PLC)和實時連接、機器人和工作單元仿真、應用開發(離線編程OLP)以及數字孿生虛擬聯動。
對于整個工業系統來說,應用工業仿真進行方案的驗證對比,可及時發現問題,并虛擬驗證優化后的方案,以減少實際生產的成本浪費,促使原材料庫存減少、生產效率提升、故障響應時間縮短、故障率提升、物流效率提升、項目周期縮短、產品品質提升等多方面優化效果。
當涉及工廠和產線新建、改造時,首先要考慮如何設計最合理的產線布局,最大化利用空間、提高產能,避免產線實施落地后才暴露諸多設計問題,徒增資源和時間成本。傳統的布局設計借助“2D圖紙”和“現場搭紙箱”方式,不但效率低下方案還得不到充分驗證。而通過仿真軟件自帶的參數化3D模型,布局方案設計和更改效率可得到極大提升,并通過不斷優化迭代產線布局方案形成最優設計。
例如某電子工廠搬遷項目,采用MIoT.VC仿真軟件進行3D工廠布局和整體規劃,設備、人員、機器人布局1:1規劃加驗證,不斷滾動進行仿真規劃設計、評估驗證、設計更改,并充分考慮產品換型、柔性制造,依托精益生產理論,論證完20多種方案后確定最優方案,使得項目周期縮短20%,廠房空間利用率提高18%,產能提高12%以上。
產線物流仿真作為工業仿真的傳統優勢應用模塊,涉及工廠采購與生產計劃、人員設備利用、庫存、物料運送等方方面面。在引入物流仿真之前,產線物流方案缺乏系統有效的現狀評估和優化手段,通過在仿真環境中對物流方案不斷迭代優化,可以達到節省產線用地、消除物流斷點、減少物流配送人員、提高設備利用率和降低庫存等作用,最大化利用企業資源,提高生產效率、節約成本。
在某工廠搬遷物流項目中,通過用MIoT.VC對園區大物流和車間布局物流進行全面分析,原灶具車間與煙機車間合并,添加底殼噴粉和內銷標準閥自制線,并滿足未來三年產能需求。通過上百次的物流仿真方案設計和驗證,實現的項目收益包括:廠房及公攤面積節省47214平方、年節省租金636萬元、能源耗費年節省50萬、庫存下降50%以上,并消除3個物流斷點,配送距離縮短28%以上、減少物流配送人員5人、產能提升19%。
在產品市場推廣中,運用仿真技術來模擬產品的生產過程,能夠有效地介紹產品的制造優勢,利于產品推廣,同時還可以塑造高端品牌形象,有助于企業整體價值提升,并在“互聯網+”時代,仿真的展示動畫可以通過郵件或手機應用等方式發送給客戶,拉近客戶與企業的距離。
當然,MIoT.VC的應用場景遠不止這些,其功能架構具有開放性,可以依靠自身需求,運用內部專業力量對其獨有的應用場景和功能需求做定制化開發。隨著工業數字化、智能化、工業互聯網的急速推進,工業數據已經呈現指數式增長,工業仿真是一個非常好的切入點,其平臺化的特性使得后期應用深化和拓展充滿了無限可能,更多信息盡在振工鏈。