1、4汽车行业数字化制造的需求分析汽车的制造工艺按照类型划分为冲压、白车身焊接、喷涂、总装、动力总成(发动机)以及其它零配件的制造/装配。其中，白车身焊接、总装和动力总成工艺是最复杂的三种类型，下面对这三种工艺的特点及数字化制造需求进行分析。1）白车身工艺的特点及数字化制造需求白车身制造的基本过程就是采用机器人(或者手动加机械手辅助)的手段，传输、抓取、夹持离散的钣金和冲压件并将其焊接成复杂的白车身结构。白车身焊装过程的操作工序繁多，工艺内容复杂，它是汽车制造企业最为关心的工艺领域之一，据统计，一个轿车的白车身在焊装过程中要经历 30005000 个点焊步骤，用到 100 多个大型夹具，50080
2、0 个定位器，许多工艺信息都和零部件的三维几何特性密切相关，这给车身焊装工艺参数选择、工艺流程规划、车身焊装的质量控制甚至车身设计都带来很多挑战。如何管理好数以千计的焊点，保证无漏焊、重焊，是白车身工艺规划的难点。总体来说，白车身工艺的特点和发展趋势如下：(1) 工艺越来越复杂和先进。为了实现汽车轻量化，更多类型的材料被应用到白车身制造中来，这无疑增加了焊接工艺的难度；减少焊点数量并广泛使用先进的激光焊接技术正成为车身焊接技术的发展方向。(2) 制造过程属于高度资本密集类型，在夹具以及传输、夹持零件所需的自动化设备，进行焊接作业的机械手，验证质量所需的测量/测试设备等领域投资庞大。(3) 大量
3、使用机器人和自动化技术。为了保证焊装工艺的节拍和白车身的整体质量，国外已经实现白车身焊接工作量的 90以上由机器人完成，机器人的控制、自动化和编程过程相当复杂。(4) 对产品设计和工艺规划的质量要求很高。为了保证高可靠性，要求超过 95的实际制造过程被模拟和仿真，并要求精确的设备设计、模拟和精确的生产节拍，从而缩短调试与试运行时间。(5) 为了追求现有资本设备的价值最大化，白车身混线生产的要求日趋明显，对标准化和柔性的要求更高。这要求实现模块化和标准化的焊接工位、标准化驱动柔性制造、采用新的工具和手段增加制造柔性、机器人之间的分工协作和共享轿车平台。然而多年以来，在白车身焊装线领域，国内绝大多
4、数整车厂还处在一个很低的技术水平上，无论是项目招标还是具体项目实施，相关数据多数还停留在 AutoCAD 图纸状态，焊装工艺工程师最为主要的工作内容就是Excel 填表和截图，工程师难有时间去考虑制造工艺本身的问题，如节拍平衡、生产线布置以及工位仿真等。目前，白车身制造过程中存在的问题包括：工艺设计数据和手段依然停留在二维年代；缺乏有效管理焊点信息的手段，缺乏统一的数据管理平台，缺乏精确的焊接过程分析手段，缺乏更为直观、精确的工厂布局和仿真手段，缺乏精确的物流过程分析手段，缺乏更有竞争力的招标投标技术手段。这些问题是汽车制造商在白车身工艺和制造过程中积极采用数字化制造技术的主要原因。一般来说，
5、一套支持白车身工艺的数字化制造解决方案应具备以下功能特点：(1) 是一套支持白车身工艺“概念规划粗规划详细规划生产运行管理”的完整解决方案，具有统一的工作平台和数据管理层；支持生产区域的工艺规划和模拟；采用先进的三维图形引擎；支持白车身工艺的特殊功能，如焊点布置、生产线的模拟、机器人模拟等。(2) 对白车身工艺规划的支持。获得产品数据和三维装配信息，定义工序顺序，优化布置焊点，用二维和三维的方式进行资源配置和布局，对变更进行管理，进行投资成本评估，并最终生成工艺卡和相关文件资料。(3) 对白车身工艺仿真的支持。对白车身焊装信息即工位、夹具、车身零部件、焊点、焊枪和操作者进行建模，生成用于模拟的
6、工作单元，管理并分析模拟结果，通过工作单元的组合来进行生产线模拟。2）总装工艺的特点及数字化制造需求汽车总装的基本过程就是采用手动(或者手动加机械手辅助)的手段，按次序将零部件装配到移动的车身上，最终生成汽车的成品。在过去的十几年中，随着汽车产品型号的急剧增加，产品配置越来越复杂，总装的混流生产变得非常普遍，总装生产线成为汽车制造商在规划设计过程中最费时间的部分。总体来说，总装工艺和制造的特点及发展趋势如下：(1) 制造过程属于高度劳动力密集类型，存在若干优化目标：a) 优化劳动力价值，充分利用在线作业时间；b) 平衡整个生产线，使产出最大化；c) 满足人机工程和要求，实现安全生产；d) 满足
7、物流的需求，实现准时制造。要实现制造过程中效率和质量的最大化，就必须对各个工序进行非常详细的理解和定义，即进行详细的工艺规划。(2) 汽车产品复杂，装配任务的数量巨大，多个品种混流生产，在投产前验证和优化装配工艺规划以及在投产后对生产过程进行高效的管理都变得至关重要。以上海大众为例，它计划在三年内引进 7 到 12 种新车型，并进行柔性混线制造，产量提高到每天 2500 辆，因此，规划部门的压力也越来越大，它们必须不断提高规划能力，提高规划的质量和效率。(3) 总装混流生产线由相对确定和静态的特性向不确定和动态的特性转变。在大规模定制环境下，生产的对象需要根据客户需求的变化而在一定范围内变化，
8、有时产品对象会超出生产线设计时预定的能力，因此生产线应具备动态调整的能力，通过快速调整工位、物料传输系统、以及工装夹具等来适应新产品类型的插入。(4) 提高工艺规划的“共用性”，在全球范围内创建和重复使用最佳的工艺规划实践。体现为：a) 各个车型间共享制造规划信息，提高复用比例，减少重复工作；b) 在分布于全球的各个工厂(这些工厂可能进行相同的总装工作)间共享制造规划信息。目前，国内大多数整车厂还不具备从容应对这些挑战的能力，在这些企业中，汽车装配工艺一般由工艺规划人员先进行经验性、类比性的手工设计，然后根据样车装配试验情况和生产现场实际情况进行适当调整后完成。这种做法工作量巨大，耗时长，工艺
9、规划的质量无法保证，在装配任务规划、生产线平衡等方面难以达到较理想的优化效果，最为严重的问题是，由于制造过程的柔性和复杂性，在调试与试运行过程中往往会有很多问题，而随后在日常生产中又会因为设计和工艺变更而引发很多新问题，这些问题的频繁出现不但加长了总装生产线从规划到投产以及从投产到量产的周期，而且大大增加了成本。因此，必须广泛使用虚拟技术，在计算机上实现装配工艺规划和验证，从而及时发现并修正问题，减少实际投产后的变更。一般来说，一套支持总装工艺的数字化制造解决方案应包含以下功能：(1) 数字化预装配(DPA: Digital Pre-Assembly)。对于一部新车来说，一般需要做 20,00
10、0 次 DPA。在初步工艺规划阶段，每一个 DPA 都要在三维虚拟环境下经过数次仿真测试以确保毫无差错，这样就降低了在车间生产中发生问题的概率。DPA 的任务包括可装配性检验、动态装配截面检验、装配路径分析、动态装配干涉检查、工装卡具检验等等。DPA 分析的目的是从装配的角度来验证产品设计，通过仿真，在设计阶段就可发现装配过程中可能存在的装配顺序与装配干涉问题，从而降低设计风险、提高设计和规划的成功率。(2) 数字化工艺规划(DPP: Digital Process Planning)。a) 定义变型产品；b) 对每个工位的操作进行定义，确定工位内的操作顺序，在一个工具模块中对整个生产工艺进行
11、优化整合，并建立能进行工时计算、成本分析、文件管理和变更产品管理的模型；c) 对装配线上所有工具和夹具进行定义，这涉及到车间内使用的全部资源，例如夹具、滑轨、起重设备、辅助设备等；d) 对各个工位的详细操作进行定义，在流程上得到每个工位进行各种处理所需的准确时间，以此为依据平衡并优化装配线；e) 对分配的操作进行分析，比如判断在汽车的这一侧操作是否有限制，是否在另一侧操作更合适等等。(3) 数字化工艺规划验证(DPV: Digital Planning Validation)。对整个工作区域进行三维仿真和工位优化布局，验证工位之间没有互相的干涉，生产线的布局设计能够保证逻辑上和连续的工作；进行
12、生产线动态仿真，进行生产能力的评估、瓶颈检查和生产资源利用率的评价；向管理人员和车间人员提供当前做出的工艺计划并听取反馈意见。(4) 生产管理和供应商协同。高效的生产管理要充分利用制造执行系统(MES)、实时流程和控制(SCADA/HMI)以及流程规划的功能；供应商协同的目标则是为了确保零配件的质量，并实现准时生产。3）动力总成工艺的特点及数字化制造需求发动机是汽车的关键部件，它的制造工艺非常的复杂。发动机制造工厂都包含缸体、缸盖、曲轴等的机械加工生产线，发动机的装配线，以及发动机检测线和设备。发动机的制造质量直接影响着汽车产品的性能水平和可靠性。随着发动机趋于轻量化、结构简单化、性能优质化，
13、发动机制造技术和工艺发生了很大的变化，高速、高效、柔性是制造工艺当前的主要特点。为了应对这些挑战，除了采用先进的制造技术和制造设备以外，进行数字化工艺规划和仿真验证也是提高动力总成工艺水平的重要途径。数字化工艺规划的基本需求是：(1) 加工工艺规划。a) 识别发动机设计模型的加工特征，进行基于知识的工序选择、工装设计和多轴方案规划；b) 自动生成加工过程的 NC 代码，并提高 NC 程序的质量和性能；c) 确定机加工生产线，进行工序分配和生产线平衡。(2) 装配工艺规划。发动机装配生产系统由各部件装配、总成装配和与此对应过程的各种检测和控制组成，如气缸盖装配、活塞连杆总成装配、主轴瓦检测、曲轴
14、转动和轴向间隙检查、扭矩检测、密封检测、冷态检测等。整个装配生产系统的完备性和先进性主要取决于装配流水线中各关键工位(控制点)的控制，这些关键工位对于最终所生产出来的发动机的质量是至关重要的。因此装配工艺规划必须能对关键工位的操作步骤进行分析和优化，管理装配偏差，改进质量。数字化工艺仿真的基本需求是：(1) 建立发动机生产车间的仿真模型。a) 建立实体模型：发动机机加、装配、试验、仓储等工艺布局的三维模型；b) 建立工艺流程仿真模型：装配、机加工工艺流程、试验工艺流程、辅助生产工艺流程、物料搬运过程等数据模型。(2) 通过仿真生成发动机生产线的工艺布局优化方案并进行数据分析。a) 分析生产线空
15、间利用率；b) 为不同的业务决策模拟运行过程(以最终纲领为依据)，分析生产线的负荷平衡问题，提高各种设备利用率，提高生产线的效率；c) 确保系统在动态运行时不会因为布局本身的不周而发生阻塞和干涉。(3) 通过仿真生成发动机车间量产后的物流分析及物料配送计划。a) 统计相关数据求出物流量和各种路径的物流强度等，提出方案减轻物流量大的路径或单元的压力，达到运输路线的最优化；b) 输出物料配送计划，通过人工修正和补充提出合理的配送计划；c) 建立物料库存的动态仿真模型，动态模拟库存状态，提出方案减少库存投资和确定合理的库存量。(4) 通过仿真生成发动机车间生产、物流成本分析报告。输出生产成本，计算物
16、流成本在生产成本中的比重，提出报告并分析原因。3数字化制造的内涵及其在汽车行业中的发展现状1）数字化制造的内涵CIMdata 将“数字化制造”定义为：一套支持设计和制造工程团队之间进行协同工艺规划的解决方案，它采用最切实可行的流程，允许访问包括工具和制造流程设计在内的完整的数字化产品定义，它由一系列支持工具设计、制造流程设计、可视化、仿真和其它优化制造过程所必须的分析活动的工具集组成。更广义的“数字化制造”概念是指将数字技术应用于产品的工艺规划和实际的制造过程中，通过信息建模、仿真分析和信息处理来改进制造工艺，提高制造效率和产品质量，降低制造成本所涉及的一系列活动的总称。数字化制造的内涵可理解
17、为 DP4R，即数字化产品定义(Product)、数字化工艺流程规划(Process)、数字化工厂布局规划(Plant)、车间生产数字化管理(Production)和数字化制造资源(Resource)，这里的资源既包括数字化设备(比如数控加工中心、机器人等)，也包括工具、工装和操作工人。图 2 汽车产品生命周期中的数字化制造如图 2 所示，数字化制造跨越了产品生命周期的产品设计、工艺规划、工艺分析验证、产品制造、质量保证等多个阶段。目前，国际上只有少数顶尖的软件公司有能力提供完整的数字化制造解决方案。2）国外领先汽车制造企业数字化制造应用成果展示到目前为止，数字化制造已经在国外领先汽车制造企业
18、中得到了普遍应用，调查显示，全球前 15 大汽车制造企业都在不同范围内采用了数字化制造解决方案，并获得了降低规划成本、提高规划质量、加快规划时间等多方面的投资回报。数字化制造给国外汽车制造企业带来的效益如表 2 所示。表 2 数字化制造在国外汽车行业内的价值体现价值点 价值体现 案例及时发现并纠正错误产品设计缺陷或者工艺失误，如果在实际生产过程中才被发现，代价通常非常昂贵，利用数字化制造技术，可以在虚拟环境里对产品的可制造性和可装配性、制造流程的合理性、生产线的效率等进行仿真分析和验证，DaimlerChrysler 公司在汽车装配之前的仿真，节省了操作时间，优化了工艺，并使得工艺几乎达到 1
19、00准确从而及时发现并纠正错误提高最佳知识的可重用性在数字化环境下，已存在的最佳知识很容易被共享和重复利用，比如产品设计、工艺规划和生产线设计等等通用汽车重用了 80的发动机生产设备模型，节省了大量的时间和投资鼓励设计/工艺方案的创新由于调整数字模型的代价小，因此工程师可以通过不断尝试去寻求和验证更佳的工艺方案，而在传统的物理环境中，由于变化的风险很大，因此工程师经常拘泥于所认同的经验，而不敢做创新性的修改通过数字化工具，在不增加成本的前提下，大众公司利用更多的优化方法，使数据模型更加精确和优化减少变更过多的变更不但加长了产品开发时间和试制时间，而且增加了成本。采用数字化制造后，提高了设计和工
20、艺的“一次成功率”，变更大大减少通用公司预计通过数字化制造能减少约60的工程变更减少物理样机的数量试制物理样机的目的在于检查可制造性和可装配性，并借助试验来验证汽车的性能，利用数字化制造技术后，很多分析和验证工作都可以通过数字样机来完成DaimlerChrysler 的数字化样机比物理样机更为有效，不但大大降低了成本，而且有助于加快产品上市速度有利于并行工作的开展在数字化环境下，从设计开始到汽车上线之间的许多工作都更容易并行开展，这自然大大加快了新产品上市速度丰田公司通过并行工程，减少从设计定型到开始生产时间的 2/3，现只需 13 个月生产线设计更加优化生产线布局之前，在虚拟环境中不断分析、
21、验证和改进设计方案，这样生产线规划的质量就大大优化并减少了许多实施后调整工作所带来的损失大众公司的每个白车身项目节约了$2.5M 资金，3 年的预算削减了$30M制造过程的优化工艺规划人员为产品设计人员提供制造过程的计算机仿真手段，通过仿真识别制造瓶颈以及设备利用率低下等问题，能够更好地利用制造设备，减少机器加工和待工时间；在做出采购决定之前对新工具和制造过程进行仿真GETRAGFORD 使用了仿真软件后，只用一个夹具就可制造离合器，而以前要三个夹具。仅此一项，零件的制造成本降低了 10，生产规划效率也提高了 18装配序列和装配工步的优化通过数字化制造环境下的虚拟装配分析，不但装配序列的可行性
22、得到了验证，而且生产线的平衡也更容易实现福特公司将新车投产的计划周期减少了50%的时间，并减少了 5%的投资成本有助于通过生产重组来提高生产效率在软件平台中设计和分析生产过程，以虚拟方式评估备选布局及物流方案，在变动生产布局前对变动结果进行预测。这样在搬迁或整合工厂时，生产重组过程就变得简单而可靠MACK 卡车公司只花了 14 个月时间就完成工厂整合，避免了无效的生产布局调整，节约了数百万美元方便通讯和信息交流工厂、规划、生产、物流等制造信息实现了电子化管理，大大方便了数据的共享和流程互操作，不但工厂之间，而且整车厂和供应商(零部件供应商、生产线制造商等)之间的信息交流都变得更加方便马自达公司
23、采用数字化制造后，在发动机生产线设计过程中，与生产线制造商的之间商讨时间减少了 48%提高生产的柔性通过生产线的柔性设计，在一条生产线可以生产更多类型的汽车，从而大大提高了生产线的利用率，并大幅节约成本、缩短时间，在福特的 Dearborn 卡车工厂，所有型号使用 80%相同的工艺，生产线成本降低 10%，生产线改造节省 55%在开发新车的过程中获得更多回报供应商提高应对挑战的能力标准化的过程使规划效率提高；跨部门间实现更好的协作；数据流贯穿开发和规划阶段，生产响应速度更快，能更好地满足客户需求HELLA 用同等数量的规划人员换来了更高的规划质量以及更高的生产质量由此可见，数字化制造在国外的实
24、施成效是非常显著的，这给国内汽车制造企业实施数字化制造提供了很大的吸引力和许多可以借鉴的经验。3）国内汽车制造企业中数字化制造的认知及应用现状除部分合资公司以外，国内大多数汽车制造企业接触到“数字化制造”这个概念的时间还不长，因此对“数字化制造”的认识还停留在初级阶段，表 3 列举了我们的一些调查结果。表 3 国内汽车制造企业对数字化制造的认识及问题分析问题点 企业的认识或现状 我们的分析“数字化制造”的起始点和主要内容数字化制造的起点是开始工艺规划的时刻，终点是产品正式批量生产，主要指在计算机中进行的虚拟制造工作，包括可制造性的仿真分析、生产线虚拟规划等等数字化制造作为产品生命周期过程的一部
25、分，其范围不仅限于工艺规划，也包括设计过程中的工艺性评价、生产管理和质量的分析验证等阶段“数字化制造”和“CAD/CAM 的关系认为数字化制造中的工艺仿真分析就是或类似于在 CAD/CAM 中进行的拆装分析和装配干涉检查以及 NC 代码生产等等数字化制造中的工艺仿真是在一个由工厂产品、工艺和资源构成的平台上进行的，相比 CAD/CAM 而言这显然更接近于真实的制造环境“数字化制造”和“CAPP”的关系一般都应用了国产 CAPP 软件，CAPP 在工艺信息管理和工艺报表输出方面发挥了积极作用，因此觉得数字化制造的意义不大CAPP 不支持三维平台，且不具备工艺分析和验证功能(运动干涉检查、可接近性
26、和可装配性检验、机器人运动路径优化和离线编程等)，因此 CAPP 无助于工艺优化和改进对于在三维环境下进行工厂设计和生产线布局优化的重要性认识不足开发了一种新车型后，一般需要对现有的生产线进行工位调整或者引进新的生产线，目前这些工作基本上都是在二维环境下进行的，也能较好的完成工作为确保设计的合理性，需要在有丰富经验工程师的参与下进行多轮次的评审和修改，周期一般在半年以上。如果在三维平台上开展这些工作，不但通过可视化而加快了设计速度，而且可以通过仿真的手段及时发现错误对制造执行系统(MES)的认识停留在初级阶段认为 MES 是一种位于 ERP 与底层设备自动控制系统(DCS)之间的、面向车间层的
27、管理系统，仅关注如何从设备自动化的角度去提高生产效率并解决生产线上的瓶颈问题除了连接 ERP 和 DCS 的功能之外，MES 更是企业整个 PLM 战略的重要一环，它管理着所有的车间级生产活动的实时记录和数据，在 PLM 中扮演承前(设计、工艺)启后(服务、维护)的角色，是实施企业协同必不可少的环节对数字化制造的价值认识停留在感性阶段数字化制造技术虽已在国外汽车公司广泛应用，但在国内还是一个新生事物，鲜有成功案例，汽车公司对数字化制造的价值认识停留在感性阶段，缺乏真实体验汽车制造企业一方面对它心驰神往，另一方面又对自己的信息化基础和人员素质缺乏自信，不清楚应如何实施数字化制造，不清楚实施数字化
28、何时才能见效，也不清楚数字化制造到底能给企业带来多大的实际利益为了加快新产品上市速度、提高产品质量并降低生产成本，国内的汽车制造企业正在积极学习国外同行先进的管理理念和技术手段，比如并行工程、产品生命周期管理、精益制造、全面质量管理、六西格玛等等。下面列举了国内三类典型的汽车制造企业，可以看出，它们的在制造技术(含数字化制造)应用方面的发展现状存在一定的差异。合资整车企业典型代表是一汽大众、上汽大众、上海通用等，它们是国内汽车制造的龙头企业，其特点和现状如下：(1) 人员素质高，工厂设备先进，生产线自动化程度高；(2) 较好地掌握了国外先进的管理经验，精益制造、准时生产、全面质量管理等管理策略
29、实施得比较成功；(3) 所生产的大部分车型是从国外引进的(可能已经销售过)，设计和工艺比较成熟，因此在投产前需要自主改进的地方不多，变更较少。近几年，它们获得了对部分老车型的自主改型设计权利，并积极参与到一些新车型的全球化设计开发中来，因此公司在设计和工艺方面的能力正在逐步提高；(4) 普遍缺乏自主的工厂规划设计能力，生产线一般从国外引进，在国内进行安装和调试，此时需要进行一些工艺规划的调整和优化工作；(5) 生产过程中质量检测手段比较先进，质量控制严格；(6) 一般都从国外母公司引入了信息系统，比如文档管理系统、工程变更管理系统、产品配置系统、生产管理系统等等。自主品牌整车企业国内有相当数量
30、的自主品牌整车企业，它们分布在轿车、卡车、微型车、商务车、客车等多个领域，典型企业如奇瑞、江淮和吉利等。这些企业的境况如下：(1) 除了少量领先企业外，大部分企业的生存状况恶劣，正在寻求国外合资或者濒临倒闭；(2) 基本上都走低价车的策略，产品的技术含量较低，部分实力较强的公司拥有一定规模的产品研发团队，能够独立自主的完成车型设计和工艺规划，广泛使用了 CATIA、UG 等三维 CAD 软件，并应用若干 CAE 软件来进行设计结果的分析，生产线规划、布局和实施都是和供应商合作完成的；(3) 开始重视信息化建设，实施了 ERP、PDM(PDM 的使用还处在磨合阶段，尚未完全发挥作用)和工程更改系
31、统，部分公司已开始应用 MES 系统；(4) 生产线的自动化程度一般，机器人仅在少量工位使用，其余工位全部为手工操作，工人劳动强度高，很多工厂的工作环境比较差，车身工艺的混流程度低；(5) 产品的设计和制造水平不高，不过由于产品类型的特色，质量问题也不是很严重(比如微型车，用户对产品的美观性、舒适性、安全性和环保性要求不高)；(6) 作为中国汽车出口市场的主力军(卡车、微型车等)，必须遵守进口国的法规要求。零部件供应商国内汽车零部件供应商的数量众多，它们总体境况如下：(1) 除少数合资企业外，零部件工业产品水平和技术开发能力比整车更为落后，这直接导致了整车产品质量提高缓慢，“召回制度”的实施将
32、导致部分供应商付出巨大的代价，甚至面临破产的危机；(2) 整车厂商把整车降价的压力转移给零部件供应商，零部件供应商面临整车厂商压价和原材料涨价的双重挑战；(3) 整车厂实施精益制造以及为客户提供日益丰富选择权的策略给下游的供应商带来了巨大压力：提前期缩短，工艺愈加复杂，质量却要不断改进。模块化供货也加剧了汽车零部件供应商的强弱分化，那些只提供单独零部件的供应商就面临着失去客户的危险；(4) 由于零部件还没有实现国际上通行的通用化和标准化，加之零部件配套上的地方保护主义，因此零部件生产远未达到所要求的经济规模，成本难以降低。5汽车行业数字化制造解决方案简介图 3 列出了目前国际上一些重要的制造业
33、数字化软件提供商，按照所提供的数字化制造解决方案的完整性，可将它们分为以下四类：(1) 领先的 PLM/ERP 软件提供商。它们能够为多种工业应用提供服务，但目前没有太关注数字化制造概念，也没有推出相应的数字化制造解决方案，这类企业位于区域 1。(2) 数字化制造点方案(Point Solution)提供商。它们仅能提供数字化制造中一些离散的点应用，比如工艺规划、生产系统建模仿真、MES 等等，这类企业位于区域 2。(3) 相对完整的数字化制造方案提供商。它们能够提供针对某些特定工业应用领域的解决方案，但由于没有自己的 PLM 平台，因此难以提供多元服务，这类企业位于区域 3。(4) 完整的数
34、字化制造解决方案提供商。它们有市场领先的 PLM 产品，所提供的数字化制造解决方案不但产品齐全、功能完善、集成性好，而且能够为汽车、航空、电子等多种行业应用量身定制，这类企业位于区域4，目前全球具备这样特征的软件提供商只有美国的 UGS 公司和法国的 Dassault 公司(说明：PTC 公司收购Polyplan 之后，也有了自己的数字化制造解决方案，但 Polyplan 和 Windchill 的整合还待时日)。图 3 数字化制造解决方案提供商一套针对汽车行业的数字化制造解决方案必须体现汽车制造的特点，它着眼于改进整个汽车制造流程，涵盖从动力系统到车身毛坯、涂装到最终装配及车间平面布置、一直
35、到供应商与系统管理的所有功能。下面对UGS 公司和 Dassault 公司的数字化制造解决方案作一个简单的介绍。1）UGS 公司的 Tecnomatix 解决方案UGS 公司是 PLM 领域的全球领先者，它提供的 Tecnomatix 平台是一套完整的数字化制造解决方案，其构建基础是开放式的 PLM，即 Teamcenter 主构架，它由零部件制造、装配规划、资源管理、工厂设计与优化、人力绩效、产品质量规划与分析、生产管理等核心模块构成。针对汽车行业的 Tecnomatix 解决方案的结构如图 4 所示。图 4 UGS 公司的 Tecnomatix 数字化制造解决方案(汽车行业)三维化的工厂设
36、计和布局优化合理的车间布局是保持长期盈利能力、生产流程耐久性和柔性以及可维护性的基础，在三维环境下通过对象模块的方式进行工厂设计不但形象直观，更能够充分描述和利用信息，对存储需求和物流设备进行评估，从而优化设施布局，以获得更高的生产线和物流绩效。汽车全套工艺的规划设计Tecnomatix 解决方案包含了针对汽车全套工艺的辅助规划设计功能：白车身、总装、发动机、冲压、涂装以及零部件供应商的工艺规划。(1) 白车身工艺解决方案(eMPower Carbody)。主要解决白车身焊接工艺规划和焊装生产线的规划问题。该方案实现了：a) 多用户和多作业点的白车身工艺规划。用户首先创建白车身制造过程的分层次
37、描述，根据工艺逻辑、流程及定义的业务、制造资源和产品零部件间的关系生成电子工艺表，然后将焊接点分配到相应的操作和资源中，使用系统资源库中的标准机器人、夹具、焊接或喷枪等设备工具，在二维环境中规划点焊接或喷漆工艺；系统也能跟踪和管理产品设计变更情况，核定其对制造工艺的影响。b) 设计、优化和离线编程。从系统资源库中自动选择焊枪，通过剖面功能核验焊枪；通过进行机器人路径三维仿真，检查碰撞情况、核对可达范围及优化周期时间；通过离散事件过程仿真分析生产线性能，包括产量和资源利用情况、瓶颈查找及缓冲大小；最后自动生成机器人和可编程逻辑控制程序及作业指导书。c) 整个企业内的信息交流。提供并允许用户读取存
38、贮在系统中的各种自定义生产报告、成本估算、培训材料及工艺仿真。整车厂、生产线建造商及承建商都能在一个以内容为中心的协同环境下合作，最终形成一个发展与改良的连贯循环。(2) 总装工艺解决方案(eMPower Assembly)。主要解决总装生产线的工艺规划、多车型混线生产中的制造管理、总装物流优化和按定单排产等制造工艺问题，完成人员模拟、生产线平衡和时间流程的规划。该方案实现了：a) 多用户和多作业点的装配工艺规划。用户首先创建总装过程的分层次描述，根据工艺逻辑、流程及定义的业务、制造资源和产品零部件间的关系生成电子工艺表，借助系统资源库中的集装箱、堆装架及传送器等设备工具，在二维环境中进行总装
39、工艺规划，然后评估制造装配时间、项目投资和制造成本，平衡生产线，并对包括产量、资源利用情况在内的装配线性能进行分析。b) 设计、优化和记录车间文档。支持从装配顺序分析到装配工作站的详细三维设计，实现对复杂的机器人和人工作业的三维仿真，如汽车座椅、仪表板和挡风玻璃插入、人体工程学分析以及工作顺序、执行时间优化等。通过离散事件工艺仿真实现对不同订单和产品组合的生产规划，并对生产线性能、资源利用、瓶颈查找和缓冲区大小等进行优化。进行加工程序的离线编程并为装配线工人和供应商生成作业指导书。c) 整个拓展企业内的信息交流。允许用户读取贮存在系统中的各种自定义的生产报告、成本估算、培训材料及工艺仿真。这样
40、当引入新型产品和品种时，就能轻易实现实时更新。整车厂可将制造信息传给供应商，好像在一个企业内进行交流。(3) 机加工工艺解决方案(eMPower Machining)。主要解决发动机机加工生产线的工艺规划、加工策略优选、刀具和工装卡具优选、NC 仿真和生产线平衡等问题。该方案实现了：a) 加工线规划。即在考虑到所有可用和现有的机械和加工线组件的情况下，规划出一条完整的发动机生产线。首先利用三维 CAD 数据，自动或手工定义出零部件的加工特征及层次，然后自动从系统知识库、最佳方法库中选择合适的操作和工具，并在考虑加工时间、切割工具和切除余量成本的基础上，估算出所选择作业的成本，最后比较和分析各种
41、生产线方案的性能，包括加工生产线产量、资源利用、在建工作、缓冲利用及瓶颈情况。b) 工程和工艺优化。即根据机械规格来分配作业，设计出有效、平衡的加工生产线。该模块能生成单独的NC 路径并计算出每一套特征及其作业的加工周期时间；通过运行 NC 路径的三维仿真，找出该零部件与机械夹具之间的碰撞情况，分析加工余量并优化周期时间，优化后的程序以 NC 程序格式自动下载到机器上；生成离散事件仿真模型，向用户提供生产线的动态透视图，辅助分析产量、在建工作、资源利用及缓冲大小情况。c) 拓展企业的交流。用户可借助 Web 进行交流、评审和共享制造工艺信息。整车厂、生产线建造商及承建商能在一个协同环境下合作，
42、最终形成一个开发与改良的连贯循环。(4) 针对零部件供应商的解决方案(eMPower forAutomotive Suppliers)。该方案用于制造供应商全部作业活动与信息的管理，它能无缝集成在一套开放式制造数据平台上，满足供应商对更加有效地实现报价、投产和制造执行过程以及成功保持与整车厂的良好合作关系的需求，它涵盖了供应商所有的制造阶段：提议、设计、验证设计、验证生产、开始生产、执行和投放。该方案实现了：a) 为汽车供应商提供完整的规划方案。从生产立项、方案选择、产品和工艺设计到投产和生产的整个制造过程生命周期中，设计、核实和优化制造过程和生产体系并进行归档的工作都可在集成的规划环境中完成
43、。Web 工具允许拓展企业内管理和分发所有相关信息。b) 文档记录、交流及协作。存储在开放式制造平台上的电子工艺表是一个中央信息存储库，可以使传统的各个独立部门进行协同作业。Web 工具使用户可以远程进行文档记录、交流、评审和共享制造工艺信息。供应商、整车厂、生产线建造商及承建商可以在一个以内容为中心的协同环境下合作。c) 物流和物料管理分析与优化。eMPower 仿真工具使汽车供应商能够建模、仿真和优化所有主要的物流作业，包括物流、产量分析、瓶颈查找和及时与按需要量运送货物。d) 质量管理。eMPower Quality 是定义、分析、测量和控制形位公差信息的完整方案。在过程的各环节中，它能
44、最大程度地降低生产变动、减少工程变更、削减返工量及使生产与装配符合设计。(5) 其它工艺模块。冲压工艺模块解决冲压生产线的运动机构分析和干涉检查问题；喷漆模块作为喷涂工艺设计工具，它处理整个喷涂工艺过程，从机器人运动路径的设计、覆盖参数和厚度的确定、直到仿真并把优化的程序下到生产线。制造过程仿真分析在生产线实际运行之前，利用工厂的三维布局模型和零部件的工艺规划结果，结合离散事件仿真理论，在虚拟环境下对车间的生产过程进行仿真分析，从而实现：a) 验证工艺方案的可行性，并对工艺方案进行优化；b) 消除瓶颈并确定潜在产量，平衡生产节拍，合理安排工序； c) 检查人机工程学的合理性。d) 对复杂的制造
45、物流系统进行模拟优化，如瓶颈分析缓冲区尺寸定义、制造能力评估、生产计划安排等。生产管理提供制造执行系统(MES)的功能，以实现：a) 在汽车的批量生产过程中，合理安排生产计划；b) 通过实时数据采集机制对生产过程进行监视和控制，迅速处理异常情况；c) 跟踪生产过程中的每个环境，追溯物料流动、在制品状况和产品谱系；d) 实现和 ERP 系统的信息集成。质量规划和分析在实际生产之前，模拟三维数字原型的制造过程，验证零部件配合公差，进行公差链优化，并通过多元分析工具预测制造流程中出现制造偏差的范围和原因，从而减少偏差给质量、成本和时间带来的负面影响；在实际生产过程中，在线收集质量数据，并以图形方式在
46、整个企业内共享，这样，质量改进团队就可以及时获取并利用这些信息。制造数据和制造知识的管理利用 Teamcenter Manufacturing 制造支持平台，将产品、工艺流程、资源、工厂和生产过程数据进行集中管理，这样一方面实现了数据的共享和快速访问，消除了不一致性，另一方面也易于实现和 PDM 系统、ERP 系统的信息集成。制造数据经过分析处理后形成制造知识，通过对制造知识的重复利用，可以缩短变型产品开发时间，并实现对制造过程的持续改进。2）Dassault 公司的 DELMIA 解决方案法国 Dassault 公司为客户提供了一整套数字化设计、制造、维护以及数据管理的 PLM 平台，DEL
47、MIA 解决方案作为其中的“数字化制造”平台子系统，它的重点是通过前端 CAD 系统的设计数据并结合制造现场的资源，通过三维图形仿真引擎对整个制造、维护过程进行仿真和分析，得到可视性、可达性、可维护性、可制造性以及最佳性能等方面的优化数据，它建立于一个开放式结构的产品、工艺与资源组合模型(PPR)上，此模型使得在整个研发过程中可以持续不断地进行产品的工艺生成和验证。DEMIA 的体系结构包括：面向制造过程设计的DPE；面向物流过程分析的 QUEST；面向装配过程分析的 DPM；面向人机分析的 Human；面向虚拟现实仿真的Envision；面向机器人仿真的 Robotics；面向虚拟数控加工仿
48、真的 VNC；面向系统数据集成的 PPR Navigator 等。汽车制造行业是 DELMIA 在全球重要的客户类型，通过多年的经验积累，目前已经形成了包括面向汽车制造“四大工艺”在内的较为完整的数字化制造解决方案。3）国内数字化制造相关的软件产品到目前为止，国内还没有一家软件公司能推出自己完整的、高端的数字化制造解决方案。CAPP 软件是主要的低端产品，它一般基于二维平台，具备对工艺数据的管理和工艺文件的编辑功能，但不能对工艺过程进行仿真分析，也不能进行工厂、生产线、工作单元等的布局设计。少量领先企业也在进行一些数字化制造高端应用的研发探索，比如：(1) CAXA 公司推出了 CAXA V5
49、 MPM(制造过程管理)模块，它着眼于改进产品制造过程的管理和控制，具有定单管理、生产计划管理、工艺设计、车间生产管理等功能。(2) 开目公司在二维 CAPP 平台的基础上，扩充了三维 CAPP 模块，以实现简单的三维加工工艺设计和三维装配工艺设计。6汽车数字化制造的实施期望、成效和建议1）国内汽车制造企业实施数字化制造的需求和期望调查显示，国内汽车制造企业都在主动地完善和发展制造信息系统以提高企业竞争力，但是，还没有一家公司对制造过程中的信息管理和信息利用现状感到满意，公司上下都觉得在许多方面仍有待改善和提高，这成为他们关注数字化制造的源动力。由于职位的不同，不同角色的用户对实施数字化制造的期望存在一定的差异，如表 4 所示。此外，不同类型的汽车制造企业由于产品的特点和自身的状况不同，对数字化制造关注的重点也不完全相同，一般而言，最关注能满足它们迫切需求的功能模块。比如：合资整车企业(轿车厂)这类企业对产品的质量比较有信心，但是它们生产的成本通常较高，新产品上市速度较国外特别是日本企业慢，并且缺乏自主设计和规划的能力，它们非常希望通过实施数字化制造，既降低成本，又能增强企业在产品设计和规划方面的能力，从而能参与更多更关键的产品设计(母公司全球化设计的一部分)，并实现自主规划，因此它们对于车身规划设计、总装规
