综述：数字化制造，支撑中国创造

　引言

   　 中国正处于“中国制造”向“中国创造”发展转型的关键时期。要实现“中国创造”，除了能够研发先进的产品，更重要的是要能够高效率地制造出高性能、高质量、高可靠性的产品。目前，CAD、PDM、PLM、ERP、SCM等信息技术在产品研发部门和生产制造部门得到了有效应用，装备技术水平也在大大的提高，而连接设计与制造桥梁的工艺环节则相对比较薄弱，数字化制造技术逐渐被企业应用。

   　 数字化制造技术的产生只有十几年，但实践证明数字化制造技术能大大提升企业的制造能力。然而，目前我国数字化制造技术的应用还处于起步阶段，大部分制造企业对于工艺环节不够重视，对数字化制造技术也有不同的认识。

    　为了进一步明确数字化制造的内涵、技术，推广普及数字化制造概念，提高数字化制造技术在国内的应用水平，促进数字化制造产品及解决方案的研发能力，e-works于2011年5-7月推出了“数字化制造，支撑中国创造”为主题的大讨论，围绕数字化制造的理念与内涵、数字化制造技术应用价值、数字化制造技术的发展前景等问题展开广泛而深入的讨论。来自数字化制造领域的一批专家和信息化厂商参与了本次讨论。

　数字化制造内涵及关键技术探讨

    　数字化制造内涵

    　对于数字化制造的内涵，业内普遍从广义和狭义两个方面来做了解说：数字化制造是围绕着产品的全生命周期开展的活动，但侧重点在于对“如何制造”过程活动的支持。综合分析，e-works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。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。

 

    数字化制造是连接设计和制造之间的桥梁

　数字化制造关键技术

   　 数字化制造是为制造企业在工艺规划、工艺设计、工艺仿真、工艺管理过程中提供一系列结构化、可视化的专业工具软件和信息管理平台。因此，将数字化制造核心技术分为工艺设计和仿真技术以及工艺管理两大类。

　工艺设计和仿真技术

    　·CAM及数控仿真技术

    　CAM 技术通过计算机系统与生产设备直接的或间接的联系，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。

  　  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。

   　 ·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，可以设计产品的装配流程，划分装配工位，确定每个工位上装配的零组件项目，制定产品各工位之间的关系的装配流程程图，并可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，定义装配过程对应的顺序号等。

　    装配过程仿真技术，可实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真，以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。

 　   ·工厂3D设计技术

    　可用直观的方式描绘工厂的布局，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。

　    ·物流设计与仿真技术

  　  数字化制造技术在工厂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。

  　  ·公差分析

  　  不同的公差决定了不同的工艺路线和不同的工序要求。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。

 　   ·机器人离线编程及仿真技术

   　 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。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。

   　 ·人机作业模拟与仿真

  　  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、视觉性、安全性和工作舒适度进行分析和评估。

　工艺管理

  　  中国制造企业往往对工艺的认识不足，如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中仅仅是对工艺文件进行管理而未对工艺信息进行管理。其实，工艺信息的数量是设计信息数量的几倍甚至几十倍。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。主要涵盖PBOM管理、工艺规划管理、工艺数据管理、工装资源管理四个方面。

   　 ·PBOM管理：数字化制造系统保证了PBOM的数据模型与EBOM的数据模型的一致，同时也管理PBOM状态、版本、配置、变量、选项、组建的有效性等一系列相关的信息，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。

    　·工艺设计管理：数字化制造系统通过结构化的工序树和甘特图解决了工序与工序之间，工序内部的工步与工步之间的内在逻辑和时序关系问题。

   　 ·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，可以随时查询和调取相关的工艺资源。

  　  ·工艺报表：通过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，同时用结构化的数据库管理设计、工艺过程中产生的各种信息，可实现设计、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。

   　 除了以上的数字化制造技术外，受访者也提到了系统建模技术、数字化工艺规程规划、数字化检验等技术。尽管提法不同，但落脚点都一样——使得开发设计的产品，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。另外，在进入产品的制造周期，数字化制造与MES有着紧密的联系，MES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。

　数字化制造主要产品及解决方

案概览

   　 数字化制造领域有许多优秀的产品以及解决方案。e-works在深入了解了目前主流的数字化制造解决方案后，从所涉及和涵盖的数字化制造技术对软件提供商进行了分析。

  　  根据所涉及的技术来看，在CAM领域，包括有专注于CAM软件的DELCAM、CIMATRON、HYPERMIIL、MASTRERCAM等厂商，另外PLM领域三大巨头Siemens PLM Software、Dassault Systemes、PTC也都有自己的CAM产品，我国的CAXA也有成熟的CAM产品；在数字化工艺验证方面，Siemens PLM Software和Dassault Systemes的产品占有比较领先的地位；在工艺设计方面，国内有天河、开目、CAXA、思普、艾克斯特、天喻等软件产品，国外的产品主要是Siemens PLM Software和PTC（主要面向装配工艺设计）；而在工艺管理方面，Siemens PLM Software、Dassault Systemes、PTC、天河、开目、山大华天等都有相应的解决方案。

    　从所涵盖的技术来看，国外厂商Siemens PLM Software和Dassault Systemes的数字化制造解决方案比较完整，其它厂商主要专注于数字制造某一单元技术的提供。

    　国内的本土PLM厂商，长期以来主要侧重于研发和销售解决工艺卡片编制问题的CAPP工具，以及将CAPP工具与其PDM/PLM系统结合形成的工艺管理解决方案，在工艺的可视化设计和仿真能力方面比较薄弱。近年来，部分本土厂商已意识到这个问题，如天河推出的面向装备制造业的数字化制造协同平台T5，提供了虚拟装配工艺规划和仿真优化的功能。以及开目软件的KMAPS和KMMPS等解决方案。

    数字化制造解决方案一览表

   

　数字化制造应用分析

 　   数字化制造技术曲高和寡，高不可攀？

  　  数字化制造技术从诞生到逐渐成熟应用，是近十几年的事情。相比国外，我国的数字化制造技术应用还处于起步阶段。国内制造企业普遍对工艺的规划、设计和仿真以及工艺管理不够重视，对数字化制造的应用也存在种种误区。根据调研的案例来看，数字化制造技术并非曲高和寡，高不可攀，已经在包括航空、航天、船舶、装备制造、汽车以及高科技电子行业得到成功应用。美国波音、丰田汽车、中航工业黎明发动机、华晨金杯、奇瑞等企业都是应用数字化制造技术的典型企业。

  　  另外，某些数字化制造的单元技术已经在许多制造企业得以应用，特别是CAM技术已广泛应用于各领域，Delcam CAM产品经理陈虹列举了 Delcam CAD/CAM系列软件在各行业的应用情况，如制鞋领域的ANTA、李宁、KAPA等以及西飞国际、沈飞、西安航空动力、沈阳黎明、川南航天机械厂等航空航天企业。

    　同时，许多企业正在逐渐将数字化制造技术与产品全生命周期管理技术相集合，实现设计、工艺的一体化规划、设计和仿真。 如东方重机借助于天河软件的数字化制造解决方案，在工艺设计、自动化汇总、工艺管理、企业级协同应用、SAP集成等方面完成了实施应用，从工艺部门的日常工作平台逐步发展成企业级的生产技术准备协同工作平台。上海电气集团上海电机厂在数字化制造方面与开目公司合作，在工艺设计效率的提高、工艺知识的积累和复用、打通企业的产品设计、工艺与制造信息流的集成等方面取得了良好的成效。

    　当然，数字化制造技术的成功应用也不是一蹴而就，而是一个循序渐进、长期积累的过程。当问及现阶段企业应用数字化制造需要注意哪些问题时？Siemens PLM Software数字化制造业务发展经理李险峰表示：“企业在实施数字化制造的过程中要有一个理性的实施预期，包括阶梯性的实施目标和验收标准。”达索系统DELMIA负责人赵伟也有类似的观点，即：一是不要贪大求全，指望一夜直接实现全面数字化； 二是要根据自身的情况，量身定制最适合自己的实施策略和计划，并坚持贯彻实施。

  　  e-works认为，成功应用数字化制造可分为四个阶段：试验阶段、导入阶段、应用阶段和优化集成阶段。

   

　数字化制造应用极具行业特色

    　受访者天河软件首席架构师曾宇波指出：“行业不同，对于数字化制造的应用需求有很大区别。”的确，由于每个行业的应用特色以及工艺流程的不同，数字化制造技术在不同的行业应用的需求和重点也不一样。

    　如在产品复杂，且对产品的可靠性要求高的航空、航天、船舶行业，数字化制造技术应用的重点是工艺设计和规划、车间物流设计与仿真以及数字化预装配和验征；具有多品种、小批量特点的装备制造业应用的重点是数字化工厂设计和仿真、PBOM的设计和管理、装配过程设计与仿真；在汽车行业，主要是围绕着冲压、焊装、喷涂、总装四大工艺所进行，应用的重点包括冲压生产线的规划和验证、白车身工艺的完整解决方案、喷涂工艺的规划和验证、总装的数字化预装配和验证；在对产品上市速度要求极高的电子行业，应用重点主要是电装工艺设计和管理、装配过程设计与仿真、机器人离线编程与仿真以及可视化工艺报表。

　数字化制造应用价值

  　  一直以来，中国制造企业在工艺与制造环节相对薄弱，目前国内呈现的现象是重设备、重软件，缺乏与之匹配的技术力量。清华大学肖田元教授、华中科技大学高亮教授一致表示，缺乏基础研究，从研发到制造知其然不知其所以然，是制约“中国创造”的关键技术壁垒。

    　数字化制造技术的本质是通过对产品的加工、装配过程进行设计、仿真、优化与管理等指导工厂“如何制造”的环节，从而提升制造能力。 因此，尽管在不同的行业，数字化制造技术应用的重点不同，但应用的价值却大同小异：

    　（1）提升制造企业基础设施的投资回报率 在设备采购和投产之前，就通过三维仿真技术将整个制造过程展示出来，并计算产能、质量、外观、生产节拍等信息；

  　  （2）提升制造企业应对市场变化的能力 制造企业可以通过数字化制造技术一定程度上实现生产制造的“柔性”。如汽车整车企业可以根据销售订单预测信息，提前利用数字化制造技术对生产布局、生产节拍进行调整和仿真，然后根据需要对实际生产线进行调整；

  　  （3）提升制造企业产品的可制造性 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；

  　  （4）提高制造企业自主创新能力 通过可视化的方式对产品在车间的生产加工过程进行全面的仿真，对产品是如何制造出来的有一个清晰的认识，做到既“知其然”还能“知其所以然”。

　数字化制造技术发展前景

   　 根据e-works应用小调查和采访，大家一致认为，数字化制造技术在中国的应用前景十分广阔。数字化制造技术的市场，也将在未来十年呈现出蓬勃发展的趋势，并将迅速实现“跨越鸿沟”，通过早期应用该技术的少数先行企业的示范，未来一定会在广大制造企业中实现普及应用。e-works综合分析，数字化制造技术未来会在以下四个方面呈现急剧增长的趋势：

   　 行业应用工具越来越丰富

   　 制造带有极强的行业特性和企业个性，因此数字化制造技术必须面临来自行业的强烈个性化需求。例如：汽车整车行业是典型的流水线作业，非常关注冲压、焊装、喷涂和总装“四大工艺”；航空制造领域则是典型的离散型装配制造行业，因此比较关注人机装配仿真……

   　 数字化制造技术虽不是为了满足一个特定行业的需求而诞生的，但是自诞生之日起就与行业应用密切相关，衍生出许多行业专用的工具。数字化制造技术可以广泛运用于汽车、航空航天、国防、制造组装、电工电子、快速消费品、造船、工厂设计、石油、化工等多个行业。随着数字化制造技术的发展和应用，会有越来越多的带有鲜明行业特色的应用工具被开发出来，让更多的企业可以从数字化制造技术上获得显著的投资回报。

  　  系统的易用性增强

 　   随着企业的发展和数字化技术的不断进步，数字化制造技术将成为企业规划、工艺规划、工艺设计、物流管理、工艺管理等部门日常的应用技术，同时随着行业工具的不断增加，数字化技术的具体应用将越来越简便。

   　 数字化制造与其它信息系统的集成越来越紧密

   　 数字化制造是连接产品设计和生产制造之间的桥梁，因此向上须与PDM系统进行良好的集成，以便及时获取产品设计及设计变更的信息；向下必须与包括ERP/MES在内的生产制造管理系统进行集成，以便及时将工艺信息传递给生产制造管理系统。而这其中，起到关键作用的就是BOM。

 　   产品研发人员根据产品结构会搭建一个EBOM，在数字化制造系统当中，通过工艺管理，在EBOM的基础上添加工艺的路线、工序、工时、设备、工装等相关工艺信息后形成PBOM。系统通过集成接口技术将PBOM传递给ERP/MES系统当中形成MBOM（Manufacturing BOM），用于指导生产制造管理。由此可见，EBOM体系下关联的是产品的设计信息，PBOM和MBOM体系下关联的是加工工艺信息。在PLM系统中，统一管理EBOM、PBOM和MBOM及其关联的产品设计、工艺等数据的版本和有效性。因此，BOM之间的关联保证设计和工艺信息的一致性和可追溯性。

    　应用行业迅速扩展

    　目前数字化制造技术在汽车、航空航天、国防等领域的应用已经取得明显的效益。数字化制造的一些单元工具已经在包括造船、铁路机车、装备制造、水利设施建设、石油、化工等领域得到应用。因此，数字化制造技术可以拥有更为广阔的应用空间。

    　应用数字化制造技术，对于中国制造业从整体上提升制造能力，提升制造质量、精度和产品的可靠性等方面，正是一剂良方。

(本文不涉密)
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