李險峰

(北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院物流工程系，北京100083)

在剛剛結(jié)束的全國兩會上，與會代表熱議了國家十二五發(fā)展規(guī)劃。其中涉及企業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變成為核心的議題。如何將“中國制造”升級為“中國智造”成為討論的焦點。簡單的一字之差實際上反映的是制造企業(yè)核心競爭力的差異體現(xiàn)。制造企業(yè)要參與更為激烈的全球市場競爭，只有具備核心的制造競爭力才能立于不敗之地。如何建立和儲存企業(yè)的制造競爭力將成為問題的關(guān)鍵;而作為制造企業(yè)核心競爭力基礎(chǔ)體現(xiàn)之一的企業(yè)信息化平臺的建設(shè)發(fā)展成為關(guān)鍵的關(guān)鍵。我國制造企業(yè)的信息化平臺建設(shè)經(jīng)歷了一個不平凡的歷程，從二十多年前開始的“甩圖版”工程到今天大規(guī)模使用的3D CAD/CAM/CAE/PDM等設(shè)計研發(fā)部門的IT信息平臺。制造以企業(yè)設(shè)計部門的IT水平實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍;與此同時，企業(yè)管理層面的IT系統(tǒng)如ERP、MES等系統(tǒng)應(yīng)用使得無論是宏觀和微觀生產(chǎn)管理水平都得到迅速的提升。在這些輝煌的同時，又是什么在制約著制造企業(yè)核心競爭力的進一步提升呢?

1 工藝數(shù)字化，制造企業(yè)現(xiàn)實的瓶頸

長久以來，我國制造業(yè)企業(yè)大多都存在著“重設(shè)計、重管理、輕工藝”的狀況，企業(yè)在設(shè)計部門投入的資金往往是工藝部門的很多倍。企業(yè)的各種資源都在向設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)管理部門傾斜。但是無法回避的一個事實是:我們可以花大價錢購買國外的產(chǎn)品設(shè)計圖紙而買不來他們的制造工藝方案，因為如何生產(chǎn)和制造是企業(yè)最核心的價值點所在。所以，目前我國制造企業(yè)工藝部門的水平和效率的低下已經(jīng)成為企業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實瓶頸(見圖1)。很多的制造企業(yè)在具備大量的3D設(shè)計分析工具與現(xiàn)場自動化生產(chǎn)設(shè)備(PLC、現(xiàn)場總線、工業(yè)機器人等)的同時依然在用很傳統(tǒng)的手段(AutoCAD、Project等)處理諸如工藝計劃排定、資源設(shè)備的整合、工廠生產(chǎn)線布局設(shè)計以及各種各樣的工藝文檔。各種來自上有產(chǎn)品設(shè)計的3D信息和制造車間先進的自動化生產(chǎn)設(shè)備(如5軸機床)所需要的數(shù)字指令都由于中間工藝設(shè)計階段的低效率和低集成性而失去它們本來的價值;另外一方面，傳統(tǒng)工藝設(shè)計階段的低效率使得工藝準(zhǔn)備階段變得十分漫長而充滿不確定因素，很多的工藝問題需要到車間進行物理試生產(chǎn)來驗證工藝的質(zhì)量。讓昂貴的制造工廠成為企業(yè)低效率工藝設(shè)計環(huán)境下的實驗室;更為頭痛的是:所有的試生產(chǎn)必須是物理樣機和制造設(shè)備(主、輔設(shè)備)就緒后才能開始進行，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備在配合或者加工上存在問題(如干涉、超差等)則需要進行設(shè)備制造的返工，無論是在時間還是資金成本上都是巨大的毫無意義的浪費。

為了解決工藝數(shù)字化的問題，上世紀(jì)90年代開始很多的制造企業(yè)嘗試著引入CAPP系統(tǒng)(計算機輔助工藝規(guī)劃)來解決工藝環(huán)節(jié)的低效率和落后手段的挑戰(zhàn)。但是，由于國內(nèi)CAPP系統(tǒng)天生的制約和限制，所有國內(nèi)商業(yè)CAPP系統(tǒng)都不能稱之為嚴(yán)格意義上的“輔助工藝設(shè)計”，而是更多地起到將傳統(tǒng)手寫編輯工藝文檔在電腦中格式化處理和錄入以及歸檔管理的作用。CAPP系統(tǒng)的確幫助企業(yè)提高了工藝編制的效率，減少了重復(fù)勞動。但是，CAPP解決的主要是工藝文件的編制和工藝匯總等問題，而沒有解決如何提高企業(yè)的工藝設(shè)計水平、如何驗證編制的工藝是否合理、如何對加工和裝配工藝進行優(yōu)化、如何提煉典型工藝、如何更有效地利用工藝資源以及如何有效傳承工藝經(jīng)驗等問題。隨著信息化時代帶來工業(yè)化的高速發(fā)展，信息化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和復(fù)雜程度越來越高，工藝知識的積累和重用變得越來越重要。而這一切的期望都使得我們應(yīng)該把目光投向更為專業(yè)的數(shù)字化制造系統(tǒng)，學(xué)術(shù)上成為MPM(制造過程管理)的工藝設(shè)計、分析優(yōu)化和數(shù)據(jù)管理IT平臺。

2 MPM系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)和特點

學(xué)術(shù)上將以MPM為代表的數(shù)字化制造系統(tǒng)定義為:連結(jié)設(shè)計和制造之間的橋梁，它通過一系列工廠、工藝設(shè)計及管理工具，仿真產(chǎn)品制造的全過程，在實際產(chǎn)品制造之前用可視化的方式規(guī)劃和優(yōu)化產(chǎn)品的制造工藝方案。系統(tǒng)在整個產(chǎn)品生命周期PLM中的地位特點如圖2所示。

MPM是為制造企業(yè)在工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計、工藝仿真過程中提供一系列結(jié)構(gòu)化、可視化的工具和技術(shù)，其核心技術(shù)可以分為工藝設(shè)計和仿真技術(shù)(主要包含CAM技術(shù)、裝配過程與仿真技術(shù)、物流設(shè)計與仿真技術(shù)、公差分析、機器人離線編程及仿真技術(shù)、人機作業(yè)模擬與仿真技術(shù))以及工藝管理(主要包括PBOM管理、工藝設(shè)計管理、工藝資源管理、工藝報表)。

數(shù)字化制造是利用數(shù)字化技術(shù)及工具在實物產(chǎn)品被生產(chǎn)制造出來之前，進行規(guī)劃、設(shè)計仿真和管理的過程。其內(nèi)涵包含工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計、工藝仿真和工藝管理4個方面。

(1)工藝規(guī)劃 描述組成產(chǎn)品的制造工序流程，主要是描述整個產(chǎn)品所有零部件的作業(yè)流程、操作地點以及相互之間的關(guān)系。

(2)工藝設(shè)計 描述某一個零件或者部件在某一道工序具體的加工過程以及所需的設(shè)備、工裝、工時等信息的過程。在數(shù)控加工環(huán)境下，則需要編制零件的數(shù)控加工代碼。

(3)工藝仿真 利用三維及虛擬仿真技術(shù)，在計算機虛擬的環(huán)境中真實再現(xiàn)工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計的實現(xiàn)過程，并且允許用戶實時操作工藝設(shè)備或改變相關(guān)參數(shù)。

(4)工藝管理 管理工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計、工藝仿真過程中產(chǎn)生的文檔、數(shù)據(jù)以及這些文檔、數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程。

產(chǎn)品全生命周期中最為復(fù)雜且難以管理的是產(chǎn)品的制造周期。為了滿足生產(chǎn)制造管理的需要，不少企業(yè)先后引入了SCM(供應(yīng)鏈管理)、MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))和ERP(企業(yè)資源計劃)。但是在研發(fā)設(shè)計系統(tǒng)和生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)之間，缺乏一個有效的手段對在虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計等信息進行輔助設(shè)計和仿真。數(shù)字化制造技術(shù)的出現(xiàn)，彌補了這一環(huán)節(jié)的缺陷，使得在虛擬環(huán)境中開發(fā)設(shè)計的產(chǎn)品，在被投入車間正式生產(chǎn)之前，可以在虛擬環(huán)境中進行工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計和工藝仿真。從本質(zhì)上講，數(shù)字化制造是數(shù)字化設(shè)計的延伸。前者保證產(chǎn)品設(shè)計能夠達(dá)到性能上的要求，后者保證產(chǎn)品制造能夠達(dá)到設(shè)計上的要求。

3 MPM系統(tǒng)平臺的關(guān)鍵技術(shù)

MPM系統(tǒng)平臺的關(guān)鍵支撐技術(shù)包括集成環(huán)境下的工藝設(shè)計與數(shù)據(jù)管理、工藝仿真模擬等專業(yè)的IT技術(shù)應(yīng)用。

3.1 集成環(huán)境下的工藝設(shè)計與數(shù)據(jù)管理技術(shù)

數(shù)字化制造的核心問題之一就是建議如何建立工藝過程的模型，而工藝設(shè)計管理核心是PPPR(Product，Process，Plant and Resource)模型。其中產(chǎn)品信息來自PDM，包括工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計和工藝仿真，而這些則需要借助數(shù)字化制造技術(shù)，將各類工藝信息關(guān)聯(lián)到PBOM中。PBOM中的產(chǎn)品對象既可以直接利用EBOM中的產(chǎn)品設(shè)計對象(Design Item)，也可以創(chuàng)建產(chǎn)品制造對象(Part Item)來構(gòu)造PBOM，通過EBOM中產(chǎn)品設(shè)計對象和產(chǎn)品制造對象的關(guān)聯(lián)來連接EBOM和PBOM。由于在一個平臺當(dāng)中進行EBOM向PBOM以及在PBOM上進行產(chǎn)品及零部件工藝設(shè)計，因此不僅EBOM的變更信息可以及時傳遞到PBOM，而且可以直觀地反映在同一平臺中的產(chǎn)品三維模型。

PBOM(Process BOM)是工藝設(shè)計部門以EBOM中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，制定工藝計劃、工序信息、生成工藝BOM的數(shù)據(jù)。可以說，工藝部門進行工藝設(shè)計的成果，除了工藝文件以外，最為重要的就是 PBOM。PBOM的設(shè)計依據(jù)是設(shè)計部門產(chǎn)生的工程BOM(Engineering BOM，EBOM)。工藝人員在EBOM的基礎(chǔ)之上，添加包括物流狀態(tài)、加工的車間、生產(chǎn)線、工位和工序等相關(guān)信息，并根據(jù)工藝的要求改變EBOM的結(jié)構(gòu)，形成工藝合件、虛擬件，這就形成了PBOM。因此在構(gòu)建PBOM的數(shù)據(jù)模型時必須與EBOM的數(shù)據(jù)模型相一致，即當(dāng)EBOM上的信息發(fā)生變化時，PBOM對應(yīng)的零部件信息也應(yīng)當(dāng)予以提示或發(fā)生相應(yīng)的變化。只有架構(gòu)在BOM結(jié)構(gòu)變遷基礎(chǔ)之上的包含制造過程(Process)、制造資源(Resource)和制造工廠(Plant)等信息的PPPR模型才能真正完整地描述產(chǎn)品制造過程。

3．2 全3D的虛擬工藝過程模擬

作為數(shù)字化制造系統(tǒng)最為核心的一部分內(nèi)容，3D仿真技術(shù)的應(yīng)用無疑是區(qū)別數(shù)字化制造技術(shù)與傳統(tǒng)CAPP的分水嶺。針對前端工藝設(shè)計產(chǎn)生的工藝過程描述和工藝過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進行虛擬化的模擬仿真，驗證工藝數(shù)據(jù)和過程中可能存在的問題，避免在實際的物理工廠進行試生產(chǎn)才能發(fā)現(xiàn)工藝問題的尷尬。3D仿真技術(shù)的應(yīng)用是計算機圖形學(xué)和相關(guān)制造、管理理論高度綜合的產(chǎn)物(見圖3)。常用的3D仿真包括:

(1)數(shù)控技術(shù)仿真(機床加工過程模擬) 數(shù)控仿真技術(shù)則可以對數(shù)控代碼的加工軌跡進行模擬仿真、優(yōu)化。同時，也支持對機床運動進行仿真，從而避免在數(shù)控加工過程中，由于碰撞、干涉而對機床造成損壞。

(2)數(shù)字化裝配工藝過程模擬 實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程和拆卸過程的三維動態(tài)仿真，以發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計過程中裝配順序設(shè)計的錯誤。以及在對裝配順序仿真過程中對每件零件、成品等進行干涉檢查，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)零件之間存在干涉情況時應(yīng)予以報警，并示出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助工藝設(shè)計人員查找和分析干涉原因。

(3)人機交互環(huán)境模擬分析 人機作業(yè)工程工具可以有效地模擬和仿真現(xiàn)場操作人員在完成每道工序時的動作并對操作的達(dá)到性、視覺性、安全性和工作舒適度進行分析和評估。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法不同，數(shù)字化制造技術(shù)中的人機作業(yè)模擬與仿真是用量化的手段模擬和評估人、機、環(huán)境三者之間的關(guān)系。例如在狹小空間進行作業(yè)且對勞動者的力量要求不高時，安排身材較小的作業(yè)人員顯然比安排體型較大的作業(yè)人員更加合適。除了對工作中的人機作業(yè)進行仿真和評估外，它還可以幫助設(shè)計人員對使用產(chǎn)品的人機工程進行仿真和分析，幫助設(shè)計人員對產(chǎn)品設(shè)計進行優(yōu)化。

(4)焊接工藝過程模擬 對于那些廣泛采用了工業(yè)機器人的制造行業(yè)(如汽車制造業(yè))，工藝人員可以在可視化的環(huán)境中設(shè)計工業(yè)機器人的工作路徑和工作節(jié)拍，結(jié)合工廠三維設(shè)計及物流仿真工具，工藝人員可以系統(tǒng)地規(guī)劃整條生產(chǎn)線上工業(yè)機器人的工作路徑和工作節(jié)拍，在避免機械手臂干涉的情況下，設(shè)計最為合適的工作節(jié)拍。對于包括ABB、KUKA在內(nèi)的世界頂級工業(yè)機器人的良好支持，使得在數(shù)字化制造環(huán)境中設(shè)計規(guī)劃的工業(yè)機器人工作路徑和工作節(jié)拍等信息可以自動生成機代碼直接為這些機器人所用。

(5)工廠物流過程、供應(yīng)鏈仿真模擬 工藝規(guī)劃完成之后，需要對生產(chǎn)這種產(chǎn)品的物料在車間內(nèi)的流動狀態(tài)進行模擬，通過模擬不僅可以分析出產(chǎn)能瓶頸，還可以驗證工藝規(guī)劃的合理性以及給車間物流帶來的影響，以便在實際生產(chǎn)加工之前就規(guī)劃出更為合理的工藝路線和車間物流路線。

(6)尺寸鏈設(shè)計仿真模擬 在設(shè)計公差時，很重要的是系統(tǒng)地分析零部件的可制造性以及與其他零部件組合成產(chǎn)品的可裝配性，同時尋找成本最低、質(zhì)量最佳的生產(chǎn)工藝，這也是數(shù)字化制造技術(shù)所關(guān)注的重點。數(shù)字化制造技術(shù)中的尺寸公差分析可以從設(shè)計開始就對設(shè)計人員定義的尺寸公差、形位公差進行管理，通過對產(chǎn)品安裝工藝的三維建模和數(shù)理統(tǒng)計仿真來分析和優(yōu)化系統(tǒng)里的制造偏差和定位安裝方案，從而對產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量進行改進和管理。

4 MPM數(shù)字化制造系統(tǒng)平臺的實施路線

數(shù)字化制造的成功運用不是一蹴而就的，即便國外應(yīng)用較為成熟的行業(yè)和企業(yè)，也經(jīng)歷了一個逐漸探索和逐漸成熟的過程?？傮w而言，成功應(yīng)用數(shù)字化制造可以分為4個階段:試驗階段、導(dǎo)入階段、應(yīng)用階段和優(yōu)化集成階段。

(1)試驗階段 大部分制造企業(yè)應(yīng)用數(shù)字化工廠都是從單元技術(shù)開始的，其中應(yīng)用的較為廣泛的就是CAM技術(shù)。隨著應(yīng)用的深入，部分對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的企業(yè)，通過分析自身的產(chǎn)品和制造工藝，也會引入例如公差分析等單元技術(shù)。也有部分企業(yè)引入了PBOM管理、工藝設(shè)計管理、裝配仿真等技術(shù)。但因為這些技術(shù)的引入會對車間生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響，因此在引入這些“點技術(shù)”時，大部分企業(yè)都是原有的工藝設(shè)計和數(shù)字化制造技術(shù)并存，用已經(jīng)得以驗證的工藝驗證數(shù)字化制造技術(shù)的實用性。

(2)導(dǎo)入階段 當(dāng)企業(yè)通過驗證證實了數(shù)字化制造技術(shù)可以給工藝設(shè)計和制造帶來的效益時，則會導(dǎo)入一兩個新產(chǎn)品到數(shù)字化制造系統(tǒng)當(dāng)中，并開發(fā)個性化的應(yīng)用工具，對自己的數(shù)字化制造系統(tǒng)逐步進行完善。

(3)應(yīng)用階段 在此階段，企業(yè)會根據(jù)自身的工藝特點和需要，逐步完善自身的數(shù)字化制造系統(tǒng)，并將數(shù)字化制造系統(tǒng)作為工藝規(guī)劃和設(shè)計的唯一手段。此時企業(yè)的工藝設(shè)計和仿真在全三維環(huán)境下進行，同時包括企業(yè)運營、規(guī)劃的部門也借助數(shù)字化制造技術(shù)對自身的產(chǎn)能、生產(chǎn)節(jié)拍等投資效益進行分析。

(4)優(yōu)化集成階段 在此階段，數(shù)字化制造系統(tǒng)真正成為連接設(shè)計和制造的信息橋梁，與企業(yè)的PLM系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、MES系統(tǒng)和MRO系統(tǒng)等都進行緊密的集成，工藝和制造信息可以有效地在各個系統(tǒng)中進行管理和共享。

5 MPM數(shù)字化制造系統(tǒng)應(yīng)用價值體現(xiàn)

在眾多的制造業(yè)企業(yè)中，汽車行業(yè)無疑是近幾年發(fā)展最為迅猛的制造業(yè)類型。很多的汽車主機廠在引進國外的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的同時意識到自身軟實力的培養(yǎng)，在制造領(lǐng)域已經(jīng)具備CAPP系統(tǒng)的同時，也開始了3D工藝的嘗試和努力并已經(jīng)開始取得了很好的收益。以某汽車主機廠為例(見圖4)，主要的價值體現(xiàn)在:

①在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段將會減少工裝設(shè)備的工程變更量;

②由于運用了精確的工藝規(guī)劃和仿真，大大減少設(shè)計失誤造成的停工誤工時間和費用，減少達(dá)15%;

③通過已有工具的仿真和驗證，提高已有工具的利用率，提升約30%;

④優(yōu)化生產(chǎn)線的設(shè)計，節(jié)拍均衡并提高設(shè)備利用率;

⑤縮短生產(chǎn)線設(shè)計時間;

⑥提高生產(chǎn)能力;

⑦熟悉掌握數(shù)字化工廠，在設(shè)計領(lǐng)域，加快對市場的反應(yīng)速度;

⑧利于企業(yè)的知識沉淀及提高知識的再利用效率;

⑨提高同步工程的實施水平，縮短新車投入市場時間即項目實施的時間。

中國有句老話“工欲善其事，必先利其器”，完備的系統(tǒng)是企業(yè)邁向新的競爭高度的基石。而以數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)為代表的制造軟實力的不斷積累一定會助力企業(yè)在這一輪新的調(diào)整發(fā)展方式的大潮中脫穎而出，真正實現(xiàn)由“中國制造”到“中國智造”的騰飛!