数字化制造的概念与应用

制造业信息化门户网研究院Research数字化制造概念与应用2011/8/5e-works研究院分析师汪伟关于我丰富经验的实战项目经理制造业信息化媒体人服务过制造企业的工程师曾为陕汽集团、大禹电气、东风仪表、东风制动、黄石纺机、宝鸡石油、宁夏力成电气、正泰电器、正泰仪表、成航仪表、陕重汽、金杯车辆、柳州五菱、桂林大宇等60余家企业提供售前售后PLM项目咨询实施服务。塑性成形（材料成形与控制）专业毕业，先后就职于哈尔滨东安发动机（集团）有限公司、东风汽车有限公司，从事铸造、冲压模具设计工作。e-worksPLM领域咨询经理，在《CAD/CAM与制造业信息化》、《e制造》开辟专栏，在各种媒体上发表PLM领域专业文章90余篇。此次要交流的内容数字化制造技术在中国的应用前景数字化制造应用路线数字化制造的内涵及关键技术中国制造业面临的制造之“惑”数字化制造行业应用分析此次要交流的内容数字化制造技术在中国的应用前景数字化制造应用路线数字化制造的内涵及关键技术中国制造业面临的制造之“惑”数字化制造行业应用分析数字化制造的应用背景根据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%。数字化制造的应用背景数字化制造的应用背景“傻子”年广久1937~亨利福特1863~1947流水线的发明者大野耐一1912~1990“丰田模式”的发明者手工作业模式的代表大量生产模式的代表定制生产模式的代表数字化制造的应用背景手工作业模式•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我国制造业整体依旧处于“大量生产模式”，所谓“中国制造”，更大程度上是生产总量大，而非制造水平高！中国制造业面临的制造瓶颈问题（1）产品质量难以实现精细化管控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。中国制造业面临的制造瓶颈问题（2）产品试制周期长，制造工艺不稳定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中国制造业面临的制造瓶颈问题（3）产品的可制造性难以评估,工艺设计和验证手段落后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；中国制造业面临的制造瓶颈问题（4）缺乏对工艺知识进行有效管理CAPP解决的主要是工艺文件的编制和工艺汇总等问题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中国制造业提升制造能力的关键途径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：利用数字化制造技术提升工艺规划、设计和管理能力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利用数字化制造技术提升质量设计水平此次要交流的内容数字化制造技术在中国的应用前景数字化制造应用路线数字化制造的内涵及关键技术中国制造业面临的制造之“惑”数字化制造行业应用分析数字化制造的含义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。数字化制造的含义e-worksResearch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。数字化制造的内容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。数字化制造与其他信息的关系数字化制造关键技术CAM及数控仿真技术CAM: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。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。数字化制造关键技术装配过程与仿真技术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。数字化制造关键技术工厂3D设计技术数字化制造技术提供了非常方便快捷的工厂3D设计工具，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。数字化制造关键技术物流设计与仿真技术物料在流动过程中，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。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。数字化制造关键技术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。数字化制造关键技术机器人离线编程及仿真技术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。数字化制造技术中的机器人离线编程及仿真可以帮助企业快速应对。数字化制造关键技术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。因此需要对此进行模拟和仿真。数字化制造关键技术工艺管理数字化制造关键技术PBOM管理PBOM的设计依据是设计部门产生的工程BOM（EngineeringBOM，EBOM）。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。数字化制造关键技术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。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管理工序间和工步间的内在逻辑和时序的问题。数字化制造关键技术工艺资源管理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。数字化制造关键技术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。数字化制造的价值提升企业基础性投资分析的准确性合理性数字化制造的价值提升制造企业应对市场变化的能力数字化制造的价值提升制造企业的产品可制造性此次要交流的内容数字化制造技术在中国的应用前景数字化制造应用路线数字化制造的内涵及关键技术中国制造业面临的制造之“惑”数字化制造行业应用分析数字化制造技术在航空/航天/船舶行业的应用直观的工艺规划和设计过程；可以及时获取准确设计数据，维护工艺与设计的一致性。提高工艺编制质量与效率，减少错误与返工；与设计相关的工艺配置和版本管理，提高了对产品设计和制造的调控能力，扩展了产品的适应性，支持多品种多批次混合生产，缩短改型周期；相关部门获取实时、准确工艺数据，改进了工作质量和效率；丰富、直观的工艺报表，减少了无效工作时间和出错机会；设计、制造在同一个数据平台，不需要进行数据传递与转化，保证及时获取实时数据，设计的更改精确传达到制造，制造结果实时反馈到设计，实现DFM（面向制造的设计），持续改进产品质量和效率；与产品相关的设计、工艺、工装、制造、项目管理等部门都在统一数据平台上协同工作，在正确的时间获取正确的数据，减少差错，提高效率。数字化制造技术在航空/航天/船舶行业的应用中航工业黎明发动机（集团）有限责任公司应用了数字化制造解决方案并使之与产品全生命周期管理系统集成，在工艺规划和验证阶段全面替代了传统的工艺设计手段，覆盖了零部件机械加工、零件质量检测、整机产品装配、生产物流分析优化等整个制造领域，使得更改设计所需的时间已经减少了48％；流程规划时间（包括批准周期）已经减少了一半；夹具发时间则缩短了51％，产能提高40%。数字化制造技术在装备制造业的应用缩短工艺规划、工装设计、变更处理的时间；优化生产线配置和布局，减少生产线准备和停机时间；增加生产线设备生产力，提高生产线的灵活性；优化产品设计以利于加工；改善工人的劳动环境，提高产品质量。数字化制造技术在装备制造业的应用首都航天机械公司从事的是国防尖端产品的最终装配，其特点是产品负责程度高、单件价值高、生产周期长等。其设计属于多品种、单件或小批量、面向订单制造新产品的设计模式；其生产属于小批量定制、多任务成套模式生产。为了赢得竞争，就需要企业能够尽快响应市场要求、严格管理项目进度。通过实施数字化制造解决方案，首都航天机械公司重点解决企业在产品装配、人机工程、厂房设计、物流优化等方面的需求；同时也满足企业快速进行工艺编制、产品装配仿真、生产和物流仿真、工艺数据管理等方面的要求；项目实施给首都航天机械公司带来了很大效益，主要体现在：数字化产品开发时现产品的交付周期提前；产品的设计、工艺会前效率提高；产品设计和修改成本降低；技术准备和规划效率提高。数字化制造技术在汽车行业的应用更快地完成项目，缩短从设计冻结到在新生产线上生产的时间；混线生产，能够在任何生产线上生产任何车型，导入新的车型时不用停止生产线；更低的投资成本