1、 中国数字化制造白皮书 White Paper of Digital Manufacturing in China 2011 年 3 月 . 2 . 目录 摘 要 . 3 1 中国制造业面临的制造之“惑” 4 1.1 中国制造业的发展与变迁 . 4 1.2 中国制造业面临的制造瓶颈问题 . 6 1.3 中国制造业提升制造能力的关键途径 . 8 2 数字化制造的内涵及关键技术 10 2.1 数字化制造的定义 . 10 2.2 数字化制造关键技术 . 12 2.3 数字化制造的价值 . 23 3 数字化制造行业应用分析 26 3.1 数字化制造技术在航空 /航天 /船舶行业的应用 . 26 3.2
2、 数字化制造技术在装备制造业的应用 . 28 3.3 数字化制造技术在汽车行业的应用 . 29 3.4 数字化制造技术在高科技电子行业的应用 . 32 4 数字化制造应用路线图 35 4.1 应用数字化制造的误区 . 35 4.2 应用数字化制造的步骤 . 36 5 数字化制造主要产品与解决方案概览 37 5.1 数字化制造系统解决方案 . 37 5.2 国内外数字化制造解决方案分析 . 41 6 数字化制造技术在中国的应用前景展望 43 6.1 行业应用工具越来越丰富 . 43 6.2 系统的易用性增强 . 44 6.3 与其它信息系统的集成越来越紧密 . 44 6.4 应用行业迅速扩展 .
3、 45 . 3 . 摘 要 中国制造业企业 正处于 调整和转型的 关键时期。 由中国制造 转 向中国创造已上升为国家战略 。但除了对核心技术的渴求外,制造企业的制造能力也需要进一步提升。提升制造企业的制造能力的关键途径 就是利用数字化制造技术 提升工艺规划、设计、 仿真能力 、工艺性布局和物流路线的设计和规划能力, 提升质量设计水平 。 本报告是 e-works Research 在深入 分析 制造企业对工艺规划、设计和仿真需求 ,并 对目前主流的数字化制造解决方案进行 深入了解后撰写而成。 本报告第一章阐述了中国制造企业正处于大规模制造向大规模定制生产方式的转型过程中,面临 的 诸如产品质量
4、、交付周期、工艺设计和验证等诸多瓶颈问题 ,剖析了中国制造业的制造之“惑” 。 在第二章中, e-works Research 根据制造企业 工艺规划、工艺设计和工艺仿真 的需求对“数字化制造”这一概念进行 了 定义,详细分析了数字化制造中的关键技术 以及制造企业应用数字化制造技术能够产生的价值。 第三章则重点阐述了数字化制造在航空 /航天 /船舶、装备制造、汽车以及高科技电子行业的应用重点以及应用价值,并分别介绍了在这四个行业中成功应用数字化制造技术的企业案例。 数字化制造技术并非高不可攀的技术,数字化制造技术从被提出到日臻成熟,其核心目的都是利用信息技术在计算机上规划、设计和仿真整个生产加
5、工过程,从而在实际产品被生产出来之前验证企业的工艺流程、物流布局、操作性能等信息,它并不受到企 业规模、产品复杂程度的限制。在第四章中, e-works Research 重点阐述了数字化制造技术的应用误区以及成功应用数字化制造技术的步骤。 在第五章中,报告重点对目前市场中主流的数字化制造领域的软件以及解决方案进行了分析和比较。在众多的数字化制造软件及解决方案中, Siemens PLM Software 是唯一具有全面解决方案的供应商。 最后,报告对数字化制造技术在中国的应用前景进行了展望。报告认为,数字化制造技术能够帮助中国制造企业解决困扰数十年的工艺规划、工艺设计、工艺管理的瓶颈问题,可
6、以有效帮助制造企 业提升制造能力。 e-works Research 衷心希望,本报告能够对中国制造业提升制造能力、制造质量和制造效率,带来实实在在的价值。 . 4 . 1 中国制造业面临的制造 之“惑” 根据中国国家统计局公布的相关数字, 2010 年中国 GDP 增长达到 10.3%,依然是全球经济增长最快的国家。而在这其中,工业增加值累计增长 15.8%,其中轻工业增长 13.6、重工业增长 16.7%。这组统计数字表明:虽然经历了“金融危机”,但中国制造业仍然保持了稳步发展。 在经历了金融危机之后,全球各国都更加重视实体经济的发展,而这其中的重中之 重就是制造业。在这样的背景下,高速发
7、展的中国制造业,如何迅速实现转型升级,建立差异化竞争优势,成为每个制造企业都必须面对的问题。 以往,“中国制造”往往在国外被贴上“低质、低价、高能耗”的标签,随着近几年国家强调“自主创新”、“由中国制造转变为中国创造”,中国制造业的形象开始逐步改观。但是由于中国制造企业的制造模式没有发生本质性变化,中国创造的产品,依然面临制造效率低、制造工艺粗糙、制造成本高等问题,与国外先进企业相比,仍然有不小的差距。 1.1 中国制造业的发展与变迁 手 工 作 业 模 式 从 设 计 到 制 造 均 由 个 人 完 成 高 度 灵 活 效 率 低 下 对 人 技 能 依 赖 强大 量 生 产 模 式 专 业
8、 化 分 行 工 机 械 化 和 电 气 化 加 工 生 产 效 率 大 大 提 高 灵 活 性 不 足 对 人 技 能 依 赖 减 弱大 规 模 定 制 生 产 模 式 多 品 种 、 小 批 量 、 短 周 期 跨 企 业 、 跨 地 域 合 作 设 备 自 动 化 程 度 高 高 度 数 字 化 人 技 能 依 赖 进 一 步 减 弱图 1 制造模式的变迁 随着世界从农业文明向工业文明发展,制造模式经过了三个阶段的发展变迁,分别是: . 5 . 手工作业模式: 这种作业模式的特点是规模小,参与人员少,从产品设计、制造、检验等环节都是个人完成。这种作业模式机动灵活,可以完全根据客户的要求定
9、制,但生产效率极低,对作业人员的作业水平要求非常高,很难满足大规模生产的需要。 大量生产模式: 随着蒸汽机的发明,大量生产模式开始逐步占据主导地位。这种作业模式的特点是,规模大,参与人员多,专业化分工 明显,在机械和电气技术的支持下,劳动效率得到极大的提升,产品可以大量生产,同时 降低 对人员作业水平 的要求 。但这种 生产 模式 不够灵活 ,难以满足客户的个性化要求。 大规模 定制生产模式: 进入到 20 世纪,随着制造业竞争的加剧, 产品生产朝多品种、变批量,短生产周期方向演变 ,制造企业的生产模式开始逐步向“大规模定制” 1的方向发展。这种制造模式的特点是:根据客户的需求利用模块化技术设
10、计和制造产品,生产线具有一定的柔性,可以适应多个不同的产品在同一生产线制造,设备的自动化程度提高,借助信息技术进行管理。 近些年国外先后提出的 计算机集成制造 、精益生产和 敏捷制造 等就是先进生产模式的典型代表。 在历史上,中国曾经是手工作业模式最为发达的国家,但随着西方国家在制造模式上不断地革新,特别是蒸汽机的发明和流水线的应用,西方国家的制造业水平开始赶超中国并领先至今。总体而言,中国目前大部分制造 企业 正 处于大量生产模式向 大规模 定制生产模式过渡的阶段,西方 主流先进企业则已经进入到了 大规模 定制生产模式的时代。 20 世纪 90 年代,为了加快工业化进程,国内制造业大量引进国
11、外“先进”生产设备和产品,客观上极大的推动了中国制造业的发展。随着中国制造业的发展,中国制造企业开始逐步缩短与国外先进企业之间的差距,有些领域的企业甚至已经成为了世界领先,总体而言 中国制造企业可以分为三级: 图 2 中国制造企业的三级 1 大规模定制( Mass Customization, MC) 是一种集企业、客户、供应商、员工和环境于一体,在系统思想指导下,用整体优化的观点。充分利用企业已有的各种资源,在标准技术、现代设计方法、信息技术和先进制造技术的支持下,根据客户的个性化需求,以大批量生产的低成本、高质量和效率提供定制产品和服务的生产方式。 . 6 . 第一级:也是数量最多的成长型
12、企业。这些企业以民营资本为主,在 许多领域获得了长足的发展,但普遍规模较小,缺乏自主创新能力,核心 竞争 能力 表现在廉 价 的资源和劳动力 成本。 第二级:跟随型企业。这些企业有的规模已经非常大,但是自主创新能力依旧不足,主要是跟随在国外先进企业之后 ,依靠 更为低廉的价格提供类似的产品或者服务。由于缺乏核心技术,它们还不具备与国外先进企业相抗衡的能力。 第三级:先进型制造企业。这些企业已经成为世界领先的制造企业。它们拥有自己的核心技术,同时拥有先进的管理理念和管理技术,可以与国外先进企业相抗衡。 1.2 中国制造业面临的制造瓶颈问题 在刚刚结束的“十一五” 当中,中国工业化进入中期向后期的
13、过渡阶段, 整体上已经从 一个农业经济大国,转变为工业经济大国。中国 形成了庞大的工业生产能力,工业经济在整个国民经济中占有绝对主体地位。工业总量规模不断壮大,我国工业品产量居世界前列。我国已经成为工业对外贸易大国,工业制成品出口占绝大部分,工业化主要产品产量居世界前列。 要真正支撑中国制造企业自主创新, 不仅 需要能够真正制造出符合客户要求的质量、性能、可靠性和精度要求的产品, 而且 需要有效控制质量成本。然而,目前,中国制造业在制造能力方面,还存在诸多不足。 1.1.1 产品质量难以实现精细化管 控 “中国制造”、“国货”在消费者心理往往被贴上“质量低”的标签。造成这种印象是因为中国制造业
14、企业的机床设备装备水平较差,产品质量往往靠生产加工人员的技艺和质检人员的能力来保障。随着中国制造业的不断发展,目前中国不少制造业企业的装备水平已经达到甚至超过国外先进企业,但是所制造的产品质量依然距离国外同行有较大的差距。这种差距主要体现在: 产品合格率 与 国外先进企业还有相当 大 的差距,产品质量不稳定; 产品零部件间隙大,外观粗糙; 产品使用寿命短,在使用环境较为严酷的情况下,容易失效。 机械产品使用噪声大、震动大、 使用者体验不佳。 在这样的背景下,制造企业首先通过引入数字化设计手段,利用三维 CAD、 CAE 等手段提高产品的设计质量 。特别是 CAE 等计算机仿真技术有效地验证 C
15、AD 设计的效果,全面提高产品设计质量。 但 是, 制造企业 很快 便发现在设计质量不断提高的情况下,工艺质量却很难提高,这使得即便使用了先进的机床设备,产品总体质量的提高幅度却不大。这其中很重的因素就是企业 已有 的工艺知识 不适应设备、加工技术的发展。工艺人员对新设备的加工能力、精度、速度没有一个明确可视. 7 . 化的认识,对新的加工技术缺乏足够的认识和了解,在缺乏工艺仿真验 证的情况下,工艺人员只能“保守”的采用传统工艺,造成“小马拉大车”的情况。 1.1.2 产品试制周期长,制造工艺不稳定 在新产品设计完成并开始试制的过程中,企业往往要派驻专门的工艺人员到车间现场,与负责加工的人员共
16、同验证和调整工艺的可行性,遇到难以加工的复杂零件,甚至需要不断的“试错”以摸索最为可行的工艺方案。 新 产 品 设 计新 产 品 工 艺设 计新 产 品 工 艺验 证新 产 品 工 艺修 改新 产 品 工 艺再 验 证新 产 品 工 艺再 修 改新 产 品 工 艺 定型 批 量 生 产图 3 用“试错”设计和验证新产品工艺 这种通过“试错”的方式摸索稳定工艺方案的方法,完全凭借工艺及作业人员的 个人能力,摸索的周期往往很长,有些企业甚至花费几年时间才能形成稳定的工艺方案,这势必影响产品的上市周期。 1.1.3 产品的可制造性难以评估 , 工艺设计和验证手段落后 目前,很多制造业企业都投入大量的
17、人力物力财力进行产品创新。但是很多企业都容易忽视一个问题:创新的产品是否可以在现有的制造条件下生产出来。新设计的产品必然 要求 新的工艺、新的工装甚至新的设备、新的生产线 。 如果在产品创新设计之初 不仔细评估 新产品的可制造性,则必然带来巨大的 隐患 。 目前 很多制造业企业 广泛 应用三维 CAD 设计工具, 加强研发过程中 产品 的可视性 。 但是 , 产品的可制造性 依然只能凭借富有经验的工艺人员靠空间想象能力和自身的经验来进行评估 ,缺乏 类似用 CAE 软件来 验证设计 结果 是否满足 需求 的方法,用计算机仿真技术来验证工艺的正确性的手段 。 工艺是连接设计和制造的桥梁。在产品越
18、来越复杂的情况下,对制造工艺的要求也越来越高。但目前中国制造企业的工艺设计和工艺验证的手段相对落后。 工艺人员对车间现场的制造能力缺乏直观的了解和规划,导致制造工艺难以规划和优化。特别是在新产品试制时,在不少制造业企业甚至会出现这样的情况:当新产品的第一批零部件开始加工时,工艺人员到作业现场跟踪 记录那些富有经验的作业工人如何进行生产加工,然后将其整理成工艺卡片,用以指导后续批次的产品加工。但这样的工艺方案是不是最佳方案却难以通过有效的方式进行评估。 . 8 . 有些自动化程度较高,设备较为复杂的行业(例如汽车整车行业),中国制造业企业甚至无力进行新产品的工艺规划,不得不将这项工作交给国外专业
19、公司来完成。 这主要体现在: 大部分制造企业依然采用的是以文字性描述的二维工艺卡片来进行工艺设计; 工艺设计时难以直观的了解现有工艺装备及设备的情况; 工艺设计的成果无法进行仿真分析,只 能 到实物加工时才能进行工艺合理性的验 证; 工艺信息用非结构化的方式表达在工艺卡片上,难以传播和重用; 基于以上的原因,工艺文件缺乏 直接 的指导作用, 初始 工艺的合理性也值得怀疑,因此很多企业的工艺 部门时而下放到车间,时而上升到设计部门。有的企业工艺部门 事实上形同虚设,仅仅起到 辅助 参考作用。 1.1.4 缺乏对工艺 知识 进行有效管理 目前,中国制造企业广泛应用了 CAPP 系统。 CAPP 系
20、统的确帮助企业提高了工艺编制的效率,减少了重复劳动。但是, CAPP 解决的主要是工艺文件的编制和工艺汇总等问题,而没有解决如何提高企业的工艺设计水平,如何验证编制的工艺是否合理,如 何对加工和装配工艺进行优化、如何提炼典型工艺、如何更有效地利用工艺资源、如何有效传承工艺经验等问题。 随着信息化时代带来工业化的高速发展,信息化产品的结构、性能和复杂程度越来越高,工艺知识的积累和重用变得越来越重要 。 1.3 中国制造业提升制造能力的关键途径 制造业信息化技术在近二十年来,发生了翻天覆地的变化。随着三维造型技术的发展,一系列基于三维模型的信息化应用迅速发展起来,包括快速成型、基于三维的交互式文档
21、发布系统,以及支撑企业进行工艺设计、工艺验证和工艺管理的数字化制造系统。调查研究表明: 90% 以上的生产故 障可以通过工艺设计解决 ,因此数字化制造技术的应用,成为中国制造业提升制造能力的关键途径之一。具体内容包括: 1.1.5 利用数字化制造技术提升工艺规划、设计和管理能力 近年来 中国制造企业设备更新速度加快,许多新兴行业纷纷引进国外的生产技术,同时企业的设计能力也在不断提升。但是企业工艺人员在进行工艺路线规划设计以及工艺信息管理时,缺乏对新设备、新加工工艺的了解,所规划设计的工艺路线和加工工序、工步的具体要求,依旧是建立在对原有设备、加工技术的认识和了解之上,这就造成企业的工艺能力与设
22、计、制造能力脱节。 . 9 . 数字化制造技术可 以帮助制造企业用结构化、可视化的方式进行工艺规划、设计和验证 。 在数字化制造技术的帮助下,设计人员和工艺人员可以在一个统一的虚拟平台上对自己设计的产品以及工艺进行设计和验证,使得企业的设计、工艺、制造能力相互匹配相互验证。 1.1.6 利用数字化制造技术提升工艺性布局和物流路线的设计和规划能力 由于缺乏可视化的工具,中国大多数制造企业的工艺人员极少考虑能否通过更为合理的工艺规划, 减少 零部件在车间的搬动频率、转运路径 ,从而 提高加工效率、降低车间作业人员的劳动强度。 随着制造企业的发展,如何在有限的场地、设备、人员条件下, 更加敏捷、快速
23、的生产加工出质量合格的产品成为制造企业非常关注的问题。更加合理的 工厂 布局和工艺路线设计,不仅可以大大降低零部件生产加工过程中的转运频率、降低车间作业人员的劳动强度,还可以有效提高车间的生产节拍,减少在制品的数量。 数字化制造技术可以帮助工艺人员在虚拟的环境中构建一个三维可视化的工厂,结合数字化制造中的工艺规划、设计、仿真功能,工艺人员可以 模拟 出零部件在车间的流转路线,帮助工艺人员优化 工厂 布局和工艺路线,使得零部件生产加工中的转运频率得以降低。 1.1.7 利用数字化制造技术提升质量设计水平 “质量是设计 出来的”这一点已经成为大多数制造企业的共识。但是实际情况是:由于缺乏对生产工艺
24、的了解,设计人员在设计时 很 少考虑产品的可制造性和可维护性。数字化制造可以将产品的公差、加工过程、装配过程用可视化的方式展现在设计人员面前,让设计人员可以在产品正式生产前就对产品设计的可制造性进行调整,真正实现 DFM(面向制造的设计)和面向维护的设计,从而使得产品的质量设计水平得以提高。 数字化制造技术可以从三维模型中获取产品的设计公差,通过工艺仿真技术分析和统计产品及零部件的公差分布情况,并在虚拟环境下进行 带有公差的零件 装配 模拟 ,统计和分析所有产品及零部件组装在一起后的累计公差情况 ,分析各个零件公差对累计公差的贡献率,然后不断调整关键公差,直到累计公差达到预期的要求为止 。这样
25、一来,设计人员不必等到产品实际生产和装配后再对质量设计进行调整和修改 ,从而大大缩短周期,降低开发成本 。. 10 . 2 数字化制造的内涵及关键技术 e-works Research 将“数字化制造”定义为:连结设计和制造之间的桥梁,它 通过 一系列工厂、工艺 设计 及管理工具, 仿真产品制造的 全过程,在实际产品制造之前用可视化的方式规划和优化产品的制造工艺 方案 。 图 4 数字化制造是连接设计和制造之间的桥梁 数字化制造是为制造企业在工艺规划、工艺设计、工艺仿真过程中提供一系列结构化、可视化的工具和技术,其核心技术可以分为工艺设计 和仿真技术(主要包含 CAM 技术、装配过程与仿真技术
26、、物流设计与仿真技术、公差分析、机器人离线编程及仿真技术、人机作业模拟与仿真技术)以及工艺管理(主要包括 PBOM 管理、工艺设计管理、工艺资源管理、工艺报表)。 2.1 数字化制造的定义 e-works Research认为,数字化制造是利用数字化技术及工具在实物产品被生产制造 出来之前,进行规划、设计仿真和管理的过程。其内涵包含工艺规划、工艺设计、工艺仿真和工艺管理四个方面。 . 11 . 工艺规划: 描述组成产品的制造工序流程,主要是描述整个产品所有零部件的作业流程、操作地点以及相互之间的关系。 工艺设计: 描述某一个零件或者部件在某一个工序具体的加工过程以及所需的设备、工装、工时等信息
27、的过程。在数控加工环境下,则需要编制零件的数控加工代码。 工艺仿真: 利用三维及虚拟仿真 技术 ,在计算机 虚拟 的 环境中真实再现 工艺规划 、工艺设计的实现过程 ,并且允许用户实时操作工艺设备或改变相关参数。 工艺管理: 管理工 艺规划、工艺设计、工艺仿真过程中产生的文档、数据以及这些文档、数据的产生过程。 图 5 数字化制造的内涵 产品全生命周期 前 三个 阶段 为 :产品的研发设计周期、产品的制造周期和产品的维护周期。 第四个阶段是报废和回收。 在产品 全 生命周期的不同阶段需要不同的信息系统来支持。 在产品的研发设计周期,制造企业通常需要概念设计软件、 CAD、 CAPP、 CAE
28、等工具软件 和PDM/PLM 等管理系统 来支撑。 在产品的维护周期,制造企业需要 MRO(大修维护系统)系统来支持。 产品 全 生命周期 中最为复杂且难以管理的是产品的制造周期。为了满足生产制造管理的需要,不少企业先后引入了 SCM(供应链管理)、 MES(制造执行系统)和 ERP(企业资源计划)。但是在研发设计系统和生产制造管理系统之间,缺乏一个有效的手段对在虚拟环境中的产品工艺规划、工艺设计等信息进行 辅助 设计和仿真。 数字化制造技术的出现,弥补了这一环节的缺陷,使得在虚拟环境中开发设计的产品,在被投入车间正式生产之前,可以在虚拟环境中进行工艺规划、工艺设计和工艺仿真。 从本质上讲,数
29、字化制造是数字化设计的延伸。前者保证产品设计能够达到性能上的要求 ,后者保证产品制造能够达到设计上的要求。在进入产品的制造周期, 数字化制造与制造执行系统 (MES)有 着 紧密的联系。 MES. 12 . 系统 按照数字化制造规定的工艺完成 实际的 制造 过程 。 因此 MES 与数字化制造系统需要实现双向的信息集成。 图 6 数字化制造与其他信息系统的关系 2.2 数字化制造关键技术 2.2.1 工艺设计及仿真 2.2.1.1 CAM 及数控仿真 技术 如今越来越多的制造企业引入了数控加工设备,有复杂精密加工需求的企业甚至装备了比较高端的高速铣、五轴加工中心等 高端 设备。为了从这些设备投
30、资中取得回报,企业 必须能够高效利用这些先进的加工设备。而如何快速的进行 NC 代码程序的编制并在加工实物之前进行仿真成为充分发挥这些数控机床能力的关键 于是 CAM 技术应运而生。 CAM 技术 通过计算机 系统 与生产设备直接的或间接的联系,进行 对机床的生产加工过程进行 规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。主要包括使用计算机来完成数控编程、 数控机床仿真、加工过程仿真、数控加工、质量检验、产品装配、调试这些工作。 CAM 的核心,是利用可视化的方式,根据加工路径以及工装 设备 ,模拟现实中的机床加工零件的整个过程并自动生成机床可以识别的 NC 代码。此项技术的关键,是能够真实的模拟
31、现实的 2.5轴、三轴、五轴等数控机床的运动,能够支持并识别不同厂商不同型号的数控机床。 由于加工技术的不断进步,事实上 CAM 技术也在不断发展和细分,例如有专门致力于叶片加工的 CAM 软件,还有专门致力于 瑞士型纵切机床、车削中心编程 的 CAM 软件等等。 数控仿真技术则可以对数控 代码的加工轨迹进行模拟仿真、优化。同时,也支持对机床运动进行仿真,从而避免在数控加工过程中,由于碰撞、干涉而对机床造成损坏。 . 13 . 图 7 走刀路线设计和切屑仿真 2.2.1.2 装配过程与仿真技术 利用数字化制造技术中的装配过程与仿真,可以 用树状结构表示 产品的结构, 将三维数模数据(属性)导入
32、产品节点,并将三维数模连接在每个零件上,在编制 装配 工艺的任何时候都可预览零件和组件的三维图形 , 对每个工艺大部件进行初步装配流程设计,划分装配工位,确定在每个工位上装配的零组件项目,在三维数字化设计环境下构建各装配工位的段件装配工艺模型,并制定出产品各工位之间关系的装配流程图 。 在工位划分的基础上,依据 分 段件 的 装配工艺模型在三维数字化环境下进一步进行各工位内的装配过程设计,确定每个工位内 分 段 件 的 装配工艺模型零组件的装配顺序,以及需要由多少个装配过程实现,并定义装配过程对应的 顺序号 这样 在定义好每个零件的装配路径的基础上,实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真,以
33、发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。以及在对装配顺序仿真过程中对每件零件、成品等进行干涉检查,当系统发现零件之间存在干涉情况时应予以报警,并示出干涉区域和干涉量,以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。 . 14 . 图 8 装配过程设计与仿真 2.2.1.3 工厂 3D 设计技术 产品的工艺规划和工艺设计与车间布局、生产 设备、工装都有非常紧密的联系。一个设计合理的工艺规划和工艺设计,不仅可以提高产品的生产加工效率和质量,还可以降低物料在车间的运输距离、减少等待时间、降低线 边在制品 数量和占用的空间等。而传统的工艺规划和工艺设计则很少考虑这些内容,其中的一个原因就是难以用直观的方式描绘工厂
34、的布局。 数字化制造技术提供了非常方便快捷的工厂 3D 设计工具,它内置了车间常用的货架、工作台、隔断、通用设备、机械手等车间设施设备,可以非常简便快速的进行二维三维的车间布局设计。一个近似于现实工厂的二维或者三维车间布局的模型,同时也为下一步根 据工艺规划和工序进行物流仿真提供了有利条件。 . 15 . 图 9 数字化工厂设计 2.2.1.4 物流设计与仿真技术 制造企业生产加工的过程实际上就是原材料从进厂到产品出厂的增值过程。在这个过程中,各种物料在车间内和车间之间流动,从而完成工艺规划的生产加工过程。这些物料在流动过程中,需要占用场地、行车、推车、输送带等设备设施 。一旦 流动的节拍掌握
35、不好,很容易出现“堵塞”现象,严重的可能会给操作人员带来危险。 因此,工艺规划完成之后,需要对生产这种产品的物料在车间内的流动状态进行模拟,通过模拟 不仅可以分析出产能瓶颈,还可以验证工艺规划的合理性以及给车间物流带来的影响,以便在实际生产加工之前就规划出更为合理的工艺路线和车间物流路线。 数字化制造技术可以在工厂 3D 布局设计的基础之上,设立物流的流动状态以及车间各个设备、设施、工装的运作时间和规律,从而对车间物流进行仿真。这样不仅有助于优化车间布局,还可以帮助工艺规划人员对工艺规划进行优化,同时可以帮助车间管理人员对生产节拍、产能瓶颈进行分析 。 . 16 . 图 10 物流设计与仿真
36、2.2.1.5 公差分析 在制造过程中,单个零件的公 差往往比较容易控制,但是对于一个由成千上万个零件组合而成的复杂产品而言,仅仅保证每个零件的公差是不够的,还必须对这些零件对装配后成品的 公差 进行有效分析。 在传统的设计和制造理念当中,面对客户对质量及外观越来越高的要求,在设计和制造过程中,对公差的要求也在不断提高,而公差与工艺有着密不可分的关系,不同的公差决定了不同的工艺路线和不同的工序要求。当对尺寸精度的要求达到一定程度时,企业就不得不 增加 投入 , 更新加工精度更高的设备,由此会引发制造成本的大幅提升。于此同时,更高的精度要求意味着更高的质量要求,制造的难度也 会增加,由此也带来废
37、品率的提高。 因此在设计公差 时 , 很 重要的是系统 地 分析零部件的可制造性以及与其他零部件组合成产品的可装配性,同时寻找成本最低、质量最佳的生产工艺,这也是数字化制造技术所关注的重点。 数字化制造技术中的尺寸公差分析可以从设计开始就对设计人员定义的尺寸公差、形位公差进行管理, 通过对产品安装工艺的三维建模和数理统计仿真来分析和优化系统里的制造偏差和定位安装方案,从而对产品的尺寸质量进行改进和管理。 . 17 . 图 11 公差分析 2.2.1.6 机器人离线编程及仿真技术 中国制 造企业特别是整车制造企业目前大多引入了工业机器人完成抓举、焊接、钻孔、抛光、喷漆等工艺过程。这些工业机器人的
38、工作过程是由程序进行控制,一般有设备提供商或者专业机构在生产线安装时一次性编程并设置到位,设置完成后,工业机器人的工作路径、工作节拍就固定下来,制造企业无法进行有效的调整。 而事实上,由于客户的需求的变化,生产线上生产的产品可能每隔一段时间就会进行调整;同时,由于产能需求不恒定,因此生产节拍可能也需要每隔一段时间进行调整。由于缺乏专业的 编程能力以及系统的仿真分析工具,制造企业往往不具备对这些工业机器人 的控制程序进行调整以及仿真的能力。 数字化制造技术中的机器人离线编程及仿真技术解决了这个难题。它预置了目前世界上比较常见和通用的几个机器人供应商及各个工种的工业机器人,同时它可以导入三维 CA
39、D 设计的零部件,工艺人员可以在可视化的环境中设计工业机器人的工作路径和工作节拍,结合工厂三维设计及物流仿真工具,工艺人员可以系统 地 规划整条生产线上工业机器人的工作路径和工作节拍,在避免机械手臂干涉的情况下,设计最为合适的工作节拍。对于包括 ABB、 KUKA 在内的世界顶级工业机器人的良好支持 , 使得在数字化制造环境中设计规划的 工业机器人工作路径和工作节拍等信息可以自动生成机代码直接为这些机器人所用。 . 18 . 图 12 机器人离线编程及仿真 2.2.1.7 人机作业模拟与仿真 目前 生产制造的大部分工序还离不开人工的干预和操作,在许多复杂装配制造领域(例如航空、船舶),由于空间
40、及工艺的限制,大部分工序都需要人工去完成 。 这时候人的能力(包括技能、体力、身材等)成为完成该工序的一个关键因素。 于此同时,今天的制造企业越来越重视企业的社会责任,对现场的操作人员必须尽到安全保护的义务 。 因此在工艺规划设计的时候,必须要考虑 生产加工中可能给人带来的危险 , 并尽量避免伤害的产生。 在这种情况下,人机作业模拟与仿真就显得非常必要。人机作业模拟与仿真是从人的 生理 和 心理 特性出发,研究人、机、 环境的相互关系和相互作用的规律,以优化人 -机 -环境。 数字化制造技术中的人机作业工程工具可以有效的模拟和仿真现场操作人员在完成 每 道工序时的动作并对操作 的 达到性、视觉
41、性、安全性和工作舒适度进行分析和评估。 与传统的设 计方法不同,数字化制造技术中的人机作业模拟与仿真是用量化的手段模拟和评估人、机、环境三者之间的关系。例如在狭小的空间进行作业且对劳动者的力量要求不高时,安排身材较小的作业人员显然比安排体型较大的作业人员更加合适。 除了对工作中的人机作业进行仿真和评估外,它还可以帮助设计人员对 使用 产品的人机工程进行仿真和分析,帮助设计人员对产品设计进行优化。 人机作业仿真还可以帮助企业分析不同地域的作业人员 在 产品制造过程 的 不同感受,以根据地域设计开发 不同的产品、规划不同的工艺布局和路线 。例如欧美人种 一般体型 较亚洲人周 更大,因此 其在生产
42、加工过程中也要求更大的作业空间 。 亚洲企业到欧美新建工厂就必须考虑这些因素,以给当地雇员提供更好的工作环境,避免劳动伤害。 . 19 . 图 13 人机作业模拟仿真 2.2.2 工艺管理 中国制造企业往往对工艺的认识不足,许多小型制造企业甚至没有配备专门的工艺人员。事实上, 高精尖产品的 工艺无论是从复杂程度还是信息的数量,都远远大于设计。一个设计人员设计一张零件图,可能需要 34 名工艺人员才能完成工艺路线、工艺过程、工时定额、工装等相关工艺信息的设计。 图 14 工艺信息的数量是设计信息数量的几倍甚至几十倍 . 20 . 许多企业意识到对设计图纸的状态、版本、配置等信息的管理并实施了产品
43、数据管理系统( PDM),但对工艺信息的管理就相对较弱,许多企业将工艺信息的管理方式与图纸的管理方式等同,在 PDM 中也仅仅是对工艺文件进行管理而未对工艺信息进行管理。 通常 在工艺规划和工艺设计过程中,不仅需要考虑 BOM 的变化,还要考虑到车间的设备、工装、工时、物流等一系列的信息,而这些信息,事实上都需要 对 状态、版本、配置、变量、选项、组建的有效性等一系列的信息 进行有效管理 。 也正是基于此,数字化制造技术中的管理技术,不同于国内制造企业目前普遍应用的、面向编制工艺文件为目的的 CAPP,而是一个更加全面、更加完善的工艺信息和工艺资源管理平台。 数字化制造管理技术主要涵盖以下四个
44、方面: PBOM 管理、工艺规划管理、工艺数据管理、工装资源管理。 2.2.2.1 PBOM 管理 PBOM( Process BOM) 是工艺设计部门以 EBOM 中的数据为依据,制定工艺计划、工序信息、生成 工艺 BOM 的数据。 可以说,工艺部门进行工艺设计的成果,除了工艺文件以外,最为重要的就是 PBOM。 PBOM 的设计 依据 是设计部门 产生的 工程 BOM( Engineering BOM, EBOM) 。工艺人员在EBOM 的基础之上,添加包括物流状态、加工的车间、生产线、工位、工序等相关信息,并根据工艺的要求改变 EBOM 的结构,形成工艺合件、虚拟件这就形成了 PBOM。
45、 因此在 构建 PBOM 的数据模型 时必须 与 EBOM 的数据模型相一致 ,即 当 EBOM 上的信息发生变化时, PBOM 对应的零部件信息也应当予以提示或发生相应的变化。 PBOM 也有状态、版本、配置、变量、选项、组建的有效性等一系列相关的管理信息,同时还要具备与不同版本,不同状态的 BOM 之间 进行比较的 功能,以方便工艺人员在进行 PBOM 处理时有效甄别与 EBOM 以及其他版本的 PBOM 的差异。 图 15 PBOM 的设计和管理 . 21 . 2.2.2.2 工艺设计管理 工序与工序之间,工序内部的工步之间有着内在的逻辑和时序 关系。 传统的 CAPP 软件虽然能够很好
46、的解决工艺卡片的编制问题,却没有有效的方式管理工序间和工步 间 的内在逻辑和时序。数字化制造系统用结构化的工序树和甘特图很好的解决了这个问题。 工艺人员可以利用 PBOM,用可视化的方式规划零部件的具体加工路线或者整个产品的制造路线,在添加 相应 工 艺资源的同时,利用甘特图设计每道工序、每道工步的开始结束时间(实际工时),并建立工序与工序、工步与工步 之 间的内在逻辑关系。 在建立了三维的工厂模型前提下,这些逻辑关系与车间物流设计与仿真技术结合,可以真实的模拟出产品在车间制造的全过程,这样可以有效的分析出生产制造过程中的产能瓶颈和物流路线,从而帮助工艺人员在产品投产之前优化工艺设计的内容。
47、图 16 利用甘特图进行工艺设计 工艺设计管理核心是 PPPR( Product, Process, Plant and Resource)模型,其中 产品信息 来自 PDM, 而包括工艺规划、工艺设计工艺仿真则需要借助 数字化制造 技术 , 将各类工艺信息关联到PBOM 中。 PBOM 中的产品对象既可以直接利用 EBOM 中的产品设计对象( Design Item),也可以创建产品制造对象 (Part Item) 来构造 PBOM,通过 EBOM 中产品设计对象和产品制造对象的关联来连接 EBOM 和 PBOM。 由于在一个平台当中进行 EBOM 向 PBOM 以及在 PBOM 上进行产品
48、及零部件工艺设计,因此不仅 EBOM 的变更信息可以及时传递到 PBOM,而且可以直观 地 反映在同一平台 中的产品三维模型。 2.2.2.3 工艺资源管理 在工艺的设计过程中,必须要考虑设备、工装等工艺资源的合理配置,在工艺设计过程中,需要随时查询和调取相关的工艺资源。在传统的基于二维的工艺设计过程中,工艺人员需要翻阅大量的手册以查阅相关的工艺资源和加工方法,然后用文字和图形在二维的工艺卡片中进行描述。但在三维的环境下,整个工艺的设计已经利用 CAM 技术、工厂 3D 设计和物流仿真技术、人机作业模拟. 22 . 与仿真技术进行了工艺设计和仿真,随之而来的工艺设备、工装等工艺资源的管理也需要
49、在三维环境下实现。 数字化制造中工艺资源管理具备完善的分 类和库管理功能,同时全三维参数化的工装等资源具备参数化的搜索能力,可以帮助工艺设计人员在一个环境中随时调取相关的工艺资源。 图 17 工艺资源管理 2.2.2.4 工艺报表 在大部分制造企业,车间现场不允许布置过多的计算机终端设备,还必须借助纸质的工艺文件来指导作业人员的实际生产加工过程。与传统的 CAPP 不同的是,利用数字化制造技术进行工艺设计,所产生的各种工艺信息都用结构化的方式保持在数据库当中,可以按照企业的需求生成所需要的任何形式的工艺报表。 图 18 工艺报表 . 23 . 报表的输出格式除了可以通过 IE浏览的 XML格式以外,还可以根据企业自身的要求,生成 PDF、Word 或者 excel 格式 的文档 。 用结构化的数据库管理设计、工艺过程中产生的各种信息,然后用报表的形式输出工艺卡片,最直接的价值是:设计、工艺发生的变更信息,可以得到有效的管理并快速传递到工艺卡片当中。 2.3 数字化制造的价值 2.3.1 提升制造 企业 基础 设施 的 投资 回报率 中国制造企业在相当长一段时间处于一个“供不应求”的发展环境当中。在这样的发展环境中,供需的矛盾主要体现在产量上 客户需要的 产品由于