GB/T 39334.1-2020 机械产品制造过程数字化仿真 第1部分：通用要求

　　ICS 0 1 . 100 . 0 1 J 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 39334 . 1—2020

　　机械产品制造过程数字化仿真

　　第 1 部分：通用要求

　　Digitalsimulationofmechanicalproductsmanufacturingprocess—

　　part1：Generalrequirements

　　2020-1 1-19 发布 2021-03-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 39334 . 1—2020

　　GB/T 39334 . 1—2020

　　前 言

　　GB/T 39334《机械产品制造过程数字化仿真》分为 5 个部分：

　　— 第 1 部分：通用要求;

　　— 第 2 部分：生产线规划和布局仿真要求;

　　— 第 3 部分：装配车间物流仿真要求;

　　— 第 4 部分：数控加工过程仿真要求;

　　— 第 5 部分：典型工艺仿真要求。

　　本部分为 GB/T 39334 的第 1 部分。

　　本部分按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

　　本部分由全国技术产品文件标准化技术委员会(SAC/TC 146)提出并归口 。

　　本部分起草单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所、中机生产力促进中心、中车株洲电力机车有限公司、徐工集团工程机械股份有限公司、上汽通用五菱汽车股份有限公司、南京骐骏软件有限公司、中国航发西安动力控制科技有限公司、上海数设科技有限公司、深圳市格林晟科技有限公司。

　　本部分主要起草人：田富君、张红旗、潘康华、陈杰、王守兵、王连坤、周江奇、邵晓东、王宇、牟全臣、汪洪敏。

　　GB/T 39334 . 1—2020

　　机械产品制造过程数字化仿真

　　第 1 部分：通用要求

　　1 范围

　　GB/T 39334 的本部分规定了机械产品制造过程数字化仿真的分类、一般要求、基本流程、详细要求和数据管理要求。

　　本部分适用于与机械产品制造过程数字化仿真有关的应用、开发、服务和研究。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 4863—2008 机械制造工艺基本术语

　　GB/T 26101—2010 机械产品虚拟装配通用技术要求

　　GB/T 33582—2017 机械产品结构有限元力学分析通用规则

　　3 术语和定义、缩略语

　　3 . 1 术语和定义

　　GB/T 4863—2008 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

　　3 . 1 . 1

　　制造过程仿真 manufacturingprocesssimulation

　　利用建模技术建立与物理过程或环境相似的虚拟生产制造过程和(或)环境，并使用虚拟现实等数字化手段对该过程和(或)环境进行仿真分析、评估和优化的活动。

　　3 . 1 . 2

　　数控加工工艺仿真 NCmachiningprocesssimulation

　　在虚拟环境下，通过使用虚拟现实等数字化手段对数控加工过程进行模拟来验证 NC 程序的正确性和合理性、分析和预测加工过程中各物理量(切削力、切削热、振动等)的变化对加工精度、表面加工质量和加工效率的影响的活动。

　　注：数控加工工艺仿真一般包括数控加工几何仿真和数控加工物理仿真。

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　　3 . 1 . 3

　　数控加工几何仿真 NCmachininggeometricsimulation

　　在虚拟环境下，通过对工件定位、装夹，工件加工过程，刀位轨迹，机床、夹具、刀具、工件的综合运动过程进行模拟，以对加工工艺参数(切削量、进给量、转速等)、工序工步设置、工件装夹的合理性，零件的过切与欠切，刀位轨迹的有效性，加工过程中是否发生碰撞或干涉、加工精度等进行验证的活动。

　　3 . 1 . 4

　　数控加工物理仿真 NCmachiningphysicalsimulation

　　在虚拟环境下，通过建立数控加工过程的物理学模型，利用有限元分析等手段来预测加工过程中的切削力、切削温度、振动、切屑形成、工件表面质量、刀具磨损等问题，并通过对切削加工过程的研究和工艺参数的控制，达到优化切削加工过程的活动。

　　3 . 1 . 5

　　装配过程规划 assemblyprocessplanning

　　对产品中各装配单元的顺序、装配路径进行分析和计算，并检查、分析和处理虚拟装配过程中出现的干涉、碰撞及人机工效等问题，最终获得合理的、可指导实际装配过程的装配顺序和装配路径。

　　注：改写 GB/T 26101—2010,定义 3 . 8 。

　　3 . 1 . 6

　　装配过程仿真 assemblyprocesssimulation

　　在虚拟环境下，对产品的装配过程规划进行模拟的过程。

　　注：改写 GB/T 26101—2010,定义 3 . 11 。

　　3 . 1 . 7

　　布局仿真 layoutsimulation

　　在虚拟环境下，对设备、工装等各类制造资源及操作者在车间内的位置进行模拟、评价和优化的活动。

　　3 . 1 . 8

　　物流仿真 logisticssimulation

　　在虚拟环境下，对物流系统进行建模、规划、模拟、评估和优化的活动。

　　3 . 1 . 9

　　工序模型 inprocessmodel

　　反映车间制造过程所产生的中间在制品模型。

　　注：工序模型通常包括机加工工序模型、装配工序模型等。

　　3 . 1 . 10

　　环境模型 environmentalmodel

　　进行制造过程建模与仿真所需要的相关环境的模型。

　　注：环境模型通常包括厂房模型、工作台模型、货架模型、AGV小车模型等。

　　3 . 1 . 1 1

　　设备模型 equipmentmodel

　　完成制造过程的主要生产装置模型。

　　注：设备模型通常包括各种机床模型、检测设备模型。

　　3 . 1 . 12

　　工装模型 toolingmodel

　　完成制造过程所需的各种工具模型。

　　注：工装模型通常包括刀具模型、夹具模型、量具模型、工位器具模型等。

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　　3 . 1 . 13

　　虚拟操作者模型 virtualmanipulatormodel

　　参与制造过程的人的虚拟人整体或局部模型。

　　注 1 ：虚拟操作者模型通常包括虚拟人模型、虚拟手模型等。

　　注 2：改写 GB/T 26101—2010,定义 3 . 7 。

　　3 . 2 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　AGV：自动导引小车(Automatic Guided Vehicle)

　　EBOM：工程物料清单(Engineering Bill of Material)

　　EPC：事件驱动过程链(Event-driven Process Chain)

　　GERT：图形评审技术(Graphical Evaluation and Review Technique)

　　IDEF：集成计算器辅助制造(Integrated Computer-aided Manufacturing Definition)

　　NC：数控加工(Numerical Control)

　　PBOM：工艺物料清单(Process Bill of Material)

　　PDM：产品数据管理(Product Data Management)

　　4 分类

　　机械产品制造过程数字化仿真一般包括以下两种：

　　a) 工艺仿真

　　工艺仿真一般可按照专业类型划分，包括机加工工艺仿真、装配工艺仿真、焊接工艺仿真、钣金工艺仿真、铸造工艺仿真、锻压工艺仿真、增材制造工艺仿真等。 其中，机加工工艺仿真包括数控加工工艺仿真和非数控加工工艺仿真，见图 1a) 。

　　b ) 制造系统仿真

　　制造系统仿真按仿真目的，可分为布局仿真、物流仿真、调度仿真、人机工程仿真、控制系统仿真等。 按仿真对象，可分为工厂规划与仿真、车间规划与仿真、生产线规划与仿真、制造单元规划与仿真，见图 1b) 。其中，制造单元规划与仿真包括数控车床仿真、数控铣床仿真、加工中心仿真、机器人仿真、虚拟操作者仿真等。

　　a)工艺仿真

　　图 1 机械产品制造过程数字化仿真分类

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　　b)制造系统仿真

　　图 1(续)

　　5 一般要求

　　机械产品制造过程数字化仿真应符合以下要求：

　　a) 应对仿真模型和仿真结果的正确性进行验证，确保真实反映被仿真对象的实际情况;

　　b ) 仿真过程应由工艺数据或生产数据驱动，仿真模型和仿真结果应能根据输入数据动态更新;

　　c) 仿真效率应能满足工程实际需要。

　　6 基本流程

　　机械产品制造过程数字化仿真通常包括仿真方案制定、仿真模型构建、仿真运行分析、结果评价与优化 4 个阶段(见图 2),具体如下：

　　a) 仿真方案制定。 根据产品的仿真目标、生产纲领、产品及工艺信息，利用制造过程建模与仿真平台中的过程建模工具，在过程建模方法、过程建模标准规范、仿真资源库的支持下，开展制造过程规划，形成仿真方案。

　　b ) 仿真模型构建。 根据仿真方案，在三维建模、虚拟装配、模型简化与轻量化标准规范，以及仿真模型库的支持下，将环境模型、设备模型、工装模型、虚拟操作者模型等引入仿真环境，构建仿真模型，或者构建仿真的有限元模型。

　　c) 仿真运行分析。 通过数据采集，获得仿真运行的输入数据，依据仿真方案，在仿真算法支持下，编制仿真程序，通过输入数据来驱动仿真模型运行，输出仿真结果，并根据仿真结果对仿真方案和仿真模型进行调整。

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　　d) 结果评价与优化。 根据仿真目标，制定仿真的评价目标和指标，根据评价算法，对仿真结果做

　　出定性或定量评价，并根据评价结果对仿真方案、仿真模型、仿真运行分析进行优化。

　　图 2 机械产品制造过程数字化仿真基本流程

　　7 详细要求

　　7 . 1 仿真方案制定

　　7 . 1 . 1 工作内容

　　机械产品制造过程仿真方案制定通常包括：

　　a) 工艺过程规划。 具体工作内容包括：

　　● 机加工工艺过程规划。 制定零件的加工工艺路线，确定每道工序所需要的设备、工装等制造资源信息。

　　● 装配工艺过程规划。 对 EBOM 结构进行调整，形成 PBOM,制定产品或零部件的装配工艺路线，确定每道工序所要装配的零部件，以及每道工序所需要的装配设备、工具、辅料等信息。 通常包括装配顺序规划和装配路径规划以及装配过程仿真分析，其过程应考虑装配工艺性、可装配性、人机工效等，并按照预先定义好的装配层级分层逐级、自底向上的产品进行装配过程规划分析。

　　● 钣金工艺过程规划。 制定零件的钣金工艺路线，确定每道工序所需要的设备、工装等制造资源信息，以及折弯力、折弯角等工艺参数信息。

　　● 焊接工艺过程规划。 制定产品或零部件的焊接工艺路线，确定每道工序所需要的焊接设备、辅料等制造资源信息，以及焊接电流、焊接电压、焊接速度等工艺参数信息。

　　● 铸造工艺过程规划。 制定零件的铸造工艺方案，确定仿真内容、浇筑材料及砂型选用，以及浇筑温度、充型时间等工艺参数。

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　　● 锻压工艺过程规划。 制定零件的锻压工艺方案，确定锻压模具，以及坯料温度、成形速度、摩擦系数等工艺参数。

　　● 增材制造工艺过程规划。 制定增材制造工艺方案，包括前处理、成型、后处理，确定增材制造工艺参数。

　　b ) 制造系统规划。 具体工作内容包括：

　　● 布局规划。 以工位为最小单位进行设施单元的位置摆放，通过充分利用现有的系统资源，尽可能的减少生产过程中的间接成本。 布局规划按照粒度大小分为工厂布局、车间布局、生产线布局和制造单元布局等。

　　● 物流系统规划。 企业的原材料采购、进货运输与厂内配送、物料等在生产节点之间的流动、在制品的存储与分销等业务活动和涉及的仓库、车辆等物流基础设施和设备资源进行整合，对一体化物流系统进行计划、执行和控制等管理活动有效的方法、措施和技术等的集成优化。

　　7 . 1 . 2 建模方法

　　机械产品制造过程仿真规划的常用建模方法主要有：

　　a) 流程图，如实体流程图、GERT 图、角色活动图等;

　　b) IDEF方法;

　　c) 事件驱动过程链(EPC)方法;

　　d) Petri 网及其扩展方法，如赋时 Petri 网、着色 Petri 网、随机 Petri 网等;

　　e) 面向对象方法。

　　7 . 2 仿真模型构建

　　7 . 2 . 1 模型组成

　　机械产品制造过程数字化仿真模型包括：

　　a) 工艺仿真模型

　　● 机加工工艺模型，包括机床模型、夹具模型、刀具模型、工件模型和工序模型等;

　　● 装配工艺模型，包括产品或零部件模型、环境模型、设备模型、工装模型、虚拟操作者模型等;

　　● 钣金工艺模型，包括数控折弯机模型、上下模模型、钣金各状态工序模型等;

　　● 焊接工艺模型，包括焊接设备模型、工件模型、焊接辅料模型等;

　　● 铸造工艺模型，包括模样、芯盒和上下砂型、型芯等的三维模型，以及对铸造工艺进行仿真的有限元模型;

　　● 锻压工艺模型，包括锻压设备模型、锻压模具模型、锻压件各状态工序模型，以及对锻压工艺进行仿真的有限元模型;

　　● 增材制造工艺模型，包括增材制造设备模型、工件各状态工序模型和对增材制造过程进行仿真的有限元模型。

　　b ) 制造系统仿真模型

　　● 布局仿真模型，包括产品或零部件模型、工序模型、环境模型、设备模型、工装模型、虚拟操作者模型等;

　　● 物流仿真模型，包括车间布局模型、工艺规划模型、逻辑控制模型等。

　　7 . 2 . 2 建模要求

　　机械产品制造过程数字化仿真模型的构建应满足以下要求：

　　GB/T 39334 . 1—2020

　　a) 制造过程仿真模型应完整、无冗余;

　　b ) 制造过程数字化仿真模型的建模环境设置、模型比例、坐标系的定义与使用、模型的命名应符合 GB/T 26099 . 1—2010 的规定;

　　c) 零件模型的构建应符合 GB/T 26099 . 2—2010 的规定;

　　d) 装配模型的构建应符合 GB/T 26099 . 3—2010 的规定;

　　e) 为提高仿真效率，在保证仿真精度的前提下，装配工艺仿真、布局仿真、物流仿真应采用轻量化模型或简化模型;

　　f) 设备模型、工装模型、虚拟操作者模型应按实际模型构建完整的装配约束关系，装配约束的构建应符合 GB/T 26099 . 3—2010 中第 7 章的规定;

　　g) 为保证切削加工的仿真精度，机加工工艺仿真宜采用原始 CAD模型进行仿真，当采用近似仿真方法时，应确保仿真精度能满足要求;

　　h) 机加工工艺模型应能反映工件的装夹、定位方式及位置，其工序模型应能正确表达本道工序加工完成后的状态;

　　i ) 装配工艺模型应能反映零部件的装配顺序，其工序模型应能反映零部件装配的中间状态;

　　j) 钣金工艺模型应能反映钣金成型各工序的状态;

　　k) 焊接工艺模型应能反映焊接顺序、坡口的形状和焊缝特征;

　　l ) 铸造工艺有限元模型的构建应符合 GB/T 33582—2017 的规定;

　　m ) 锻压工艺有限元模型的构建应符合 GB/T 33582—2017 的规定;

　　n) 增材制造工艺有限元模型的构建应符合 GB/T 33582—2017 的规定;

　　o ) 制造系统仿真中的环境模型、设备模型、工装模型应与车间实际物理对象一致，不应存在信息缺失、冗余;

　　p) 生产线布局应综合考虑待布置区域形状、产品的种类和批量、生产效率、成本等因素，常用的生产线布局形式有单行布局、多行布局、U 型布局、半圆型布局、环形布局、网状布局。

　　7 . 3 仿真运行分析

　　7 . 3 . 1 工作内容

　　机械产品制造过程数字化仿真内容一般包括：

　　a) 工艺仿真

　　● 机加工工艺仿真，包括工件装夹仿真、刀位轨迹仿真、切削过程仿真、碰撞干涉检查、验证NC代码正确性;

　　● 装配工艺仿真，包括装配序列仿真、装配路径仿真、人机工程仿真、装配公差分析等，确保装配过程无碰撞干涉，同时对装配工具的可达性和操作空间进行验证;

　　● 钣金工艺仿真，包括钣金成型仿真，预测金属流动规律(位移场、速度场、应力应变场和温度场)以及成型缺陷(回弹量、撕裂和起皱等)的产生和演化过程;

　　● 焊接工艺仿真，包括焊接温度场、焊接应力与变形、焊接化学与物理冶金过程、焊接接头的力学行为和性能等;

　　● 铸造工艺仿真，包括温度场、流场、应力场、相场仿真等，以预测铸件成型缺陷(缩孔、缩松、裂纹、变形等);

　　● 锻压工艺仿真，包括温度场、位移场、应力场仿真等，以预测不同工艺条件下锻件组织性能及缺陷;

　　● 增材制造工艺仿真，包括温度场、位移场、应力场仿真等，以预测增材制造零件的力学性能及缺陷。

　　GB/T 39334 . 1—2020

　　b ) 制造系统仿真

　　● 布局仿真，包括生产流程、节拍、产能、瓶颈、人员配比、空间利用率、设备利用率、碰撞干涉等;

　　● 物流仿真，包括物料出入库、分拣、配送，AGV调度仿真，线边库库存仿真等。

　　7 . 3 . 2 仿真要求

　　机械产品制造过程数字化仿真分析应满足以下通用要求：

　　a) 机加工工艺仿真应建立数控机床的运动学模型和数学模型，并能对 NC代码的正确性、刀位轨迹的有效性、切削加工过程中的碰撞干涉、加工精度等进行几何仿真验证;

　　b ) 装配工艺仿真应能对装配顺序、工装的合理性、装配工具的可达性进行验证，并采用干涉检查工具对可能存在碰撞的模型进行干涉检查分析，同时应采用公差仿真分析工具对装配模型的误差累积进行仿真分析，以保证产品或零部件的最终装配质量满足产品的设计要求;

　　c) 钣金工艺仿真应能对钣金成型过程进行模拟，并能够预测回弹量、撕裂和起皱等缺陷;

　　d) 焊接工艺仿真应能对焊接顺序，焊接工具的可达性和可视性，焊接温度场，焊接应力和变形等进行仿真分析;

　　e) 铸造工艺仿真应能对铸造工艺方案进行仿真模拟，以分析或预测铸件充型、凝固过程中的缺陷(包括缺陷种类、大小、形貌或分布)，并能对铸件应力、应变场进行仿真分析;

　　f) 锻压工艺仿真应能对锻件的成型过程进行仿真模拟，以预测不同工艺条件下锻件组织性能及缺陷;

　　g) 增材制造工艺仿真应能对增材制造的过程、成形精度、力学性能等进行仿真预测;

　　h) 布局仿真应能对物体之间碰撞干涉、安全距离、物流路径、设备/人员工作空间等进行分析;

　　i ) 物流仿真应能对物流路径、物流效率、物流调度、物流强度、线边库库存等进行仿真分析。

　　7 . 4 结果评价与优化

　　7 . 4 . 1 评价指标

　　机械产品制造过程数字化仿真结果的评价指标如下：

　　a) 工艺仿真

　　● 机加工工艺仿真，评价指标主要有碰撞干涉、加工质量、加工效率等;

　　● 装配工艺仿真，评价指标包括可装配性，装配单元稳定性，装配成本、时间，公差合理性，碰撞干涉等，其中装配顺序评价考虑的因素应符合 GB/T 26101—2010 中 6 . 2 . 2 的规定;

　　● 钣金工艺仿真，评价指标包括成形质量、成形时间和成形成本;

　　● 焊接工艺仿真，评价指标包括焊接质量、时间、成本和安全性;

　　● 铸造工艺仿真，评价指标包括成形质量、成形时间和成形成本;

　　● 锻压工艺仿真，评价指标包括成形质量(变形均匀、应力集中小、锻件力学性能优良)、成形时间和成形成本;

　　● 增材制造工艺仿真，评价指标包括成形质量(成形精度、力学性能)、成形时间和成形成本。

　　b ) 制造系统仿真

　　● 布局仿真，评价指标包括物流成本、物流距离、设备利用率、设备间距、生产效率、在制品数量、在制品停留时间、产能等;

　　● 物流仿真，评价指标包括平均物流路径、峰值物流强度、平均物流强度、等待时间、资源利用率等。

　　GB/T 39334 . 1—2020

　　7 . 4 . 2 评价与优化要求

　　机械产品制造过程数字化仿真的结果评价与优化应满足以下要求：

　　a) 可制造性评价应对产品结构合理性和工艺设计合理性进行评价，具体包括结构工艺性、加工工艺合理性、装配工艺合理性等;

　　b ) 可装配性评价包括装配序列评价，装配路径规划与仿真验证，能实现静态干涉检查和动态干涉检查，确保装配路径的有效性;

　　c) 生产线规划和布局仿真评价的目标是在给定生产纲领的前提下，合理地选择生产系统的设备，优化系统的参数(工位数、缓冲区容量等)，把加工或装配任务分配给各工位或设备，使其负荷平衡，并且降低生产成本和周期;

　　d) 布局仿真评价的目标是合理的安排设备在平面或车间的位置，使物料运输成本、设备成本、工时最小;

　　e) 物流仿真评价应在满足生产纲领的前提下，确保生产效率的提高和物流成本的降低。

　　8 数据管理要求

　　机械产 品 制 造 过 程 数 字 化 仿 真 数 据 管 理 应 按 GB/T 16722 . 1—2008 、GB/T 16722 . 2—2008 、 GB/T 16722 . 3—2008、GB/T 16722 . 4—2008 中的规定，在产品的全生命周期中都能提供必要的信息，以保证对仿真数据的管理和跟踪。

　　机械产品制造过程数字化仿真数据管理还应考虑以下内容：

　　a) 宜将仿真数据放在产品数据管理系统(PDM)中进行管理;

　　b ) 应定期对仿真数据的安全性、完整性、有效性进行检查;

　　c) 应建立有效的仿真数据安全权限管理机制，并定期对仿真数据进行备份。