李險(xiǎn)峰

(北京科技大學(xué)機(jī)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(huì)上，與會(huì)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(jí)為“中國智造”成為討論的焦點(diǎn)。簡單的一字之差實(shí)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(chǔ)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(tái)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(tái)建設(shè)經(jīng)歷了一個(gè)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(jì)研發(fā)部門的IT信息平臺(tái)。制造以企業(yè)設(shè)計(jì)部門的IT水平實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍;與此同時(shí)，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(shí)，又是什么在制約著制造企業(yè)核心競爭力的進(jìn)一步提升呢?

1 工藝數(shù)字化，制造企業(yè)現(xiàn)實(shí)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(jì)、重管理、輕工藝”的狀況，企業(yè)在設(shè)計(jì)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(jì)研發(fā)、生產(chǎn)管理部門傾斜。但是無法回避的一個(gè)事實(shí)是:我們可以花大價(jià)錢購買國外的產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙而買不來他們的制造工藝方案，因?yàn)槿绾紊a(chǎn)和制造是企業(yè)最核心的價(jià)值點(diǎn)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(shí)瓶頸(見圖1)。很多的制造企業(yè)在具備大量的3D設(shè)計(jì)分析工具與現(xiàn)場自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備(PLC、現(xiàn)場總線、工業(yè)機(jī)器人等)的同時(shí)依然在用很傳統(tǒng)的手段(AutoCAD、Project等)處理諸如工藝計(jì)劃排定、資源設(shè)備的整合、工廠生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)以及各種各樣的工藝文檔。各種來自上有產(chǎn)品設(shè)計(jì)的3D信息和制造車間先進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備(如5軸機(jī)床)所需要的數(shù)字指令都由于中間工藝設(shè)計(jì)階段的低效率和低集成性而失去它們本來的價(jià)值;另外一方面，傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)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(jìn)行物理試生產(chǎn)來驗(yàn)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(jì)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)室;更為頭痛的是:所有的試生產(chǎn)必須是物理樣機(jī)和制造設(shè)備(主、輔設(shè)備)就緒后才能開始進(jìn)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(jìn)行設(shè)備制造的返工，無論是在時(shí)間還是資金成本上都是巨大的毫無意義的浪費(fèi)。

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(jì)算機(jī)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(jì)”，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(dòng)。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(jì)水平、如何驗(yàn)證編制的工藝是否合理、如何對(duì)加工和裝配工藝進(jìn)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(yàn)等問題。隨著信息化時(shí)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(shí)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(jì)、分析優(yōu)化和數(shù)據(jù)管理IT平臺(tái)。

2 MPM系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)和特點(diǎn)

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(jì)和制造之間的橋梁，它通過一系列工廠、工藝設(shè)計(jì)及管理工具，仿真產(chǎn)品制造的全過程，在實(shí)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(gè)產(chǎn)品生命周期PLM中的地位特點(diǎn)如圖2所示。

MPM是為制造企業(yè)在工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)與仿真技術(shù)、公差分析、機(jī)器人離線編程及仿真技術(shù)、人機(jī)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(jì)管理、工藝資源管理、工藝報(bào)表)。

數(shù)字化制造是利用數(shù)字化技術(shù)及工具在實(shí)物產(chǎn)品被生產(chǎn)制造出來之前，進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)仿真和管理的過程。其內(nèi)涵包含工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)、工藝仿真和工藝管理4個(gè)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(gè)產(chǎn)品所有零部件的作業(yè)流程、操作地點(diǎn)以及相互之間的關(guān)系。

(2)工藝設(shè)計(jì) 描述某一個(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境中真實(shí)再現(xiàn)工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程，并且允許用戶實(shí)時(shí)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(jì)、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(jì)劃)。但是在研發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和生產(chǎn)制造管理系統(tǒng)之間，缺乏一個(gè)有效的手段對(duì)在虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)等信息進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)和仿真。數(shù)字化制造技術(shù)的出現(xiàn)，彌補(bǔ)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(jì)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(jìn)行工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)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(jì)的延伸。前者保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)上的要求。

3 MPM系統(tǒng)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

MPM系統(tǒng)平臺(tái)的關(guān)鍵支撐技術(shù)包括集成環(huán)境下的工藝設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(duì)象既可以直接利用EBOM中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象(Design Item)，也可以創(chuàng)建產(chǎn)品制造對(duì)象(Part Item)來構(gòu)造PBOM，通過EBOM中產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象和產(chǎn)品制造對(duì)象的關(guān)聯(lián)來連接EBOM和PBOM。由于在一個(gè)平臺(tái)當(dāng)中進(jìn)行EBOM向PBOM以及在PBOM上進(jìn)行產(chǎn)品及零部件工藝設(shè)計(jì)，因此不僅EBOM的變更信息可以及時(shí)傳遞到PBOM，而且可以直觀地反映在同一平臺(tái)中的產(chǎn)品三維模型。

PBOM(Process BOM)是工藝設(shè)計(jì)部門以EBOM中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，制定工藝計(jì)劃、工序信息、生成工藝BOM的數(shù)據(jù)?？梢哉f，工藝部門進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的成果，除了工藝文件以外，最為重要的就是 PBOM。PBOM的設(shè)計(jì)依據(jù)是設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，PBOM對(duì)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(duì)前端工藝設(shè)計(jì)產(chǎn)生的工藝過程描述和工藝過程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬化的模擬仿真，驗(yàn)證工藝數(shù)據(jù)和過程中可能存在的問題，避免在實(shí)際的物理工廠進(jìn)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(jì)算機(jī)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(jī)床加工過程模擬) 數(shù)控仿真技術(shù)則可以對(duì)數(shù)控代碼的加工軌跡進(jìn)行模擬仿真、優(yōu)化。同時(shí)，也支持對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，從而避免在數(shù)控加工過程中，由于碰撞、干涉而對(duì)機(jī)床造成損壞。

(2)數(shù)字化裝配工藝過程模擬 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程和拆卸過程的三維動(dòng)態(tài)仿真，以發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)過程中裝配順序設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。以及在對(duì)裝配順序仿真過程中對(duì)每件零件、成品等進(jìn)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(shí)應(yīng)予以報(bào)警，并示出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助工藝設(shè)計(jì)人員查找和分析干涉原因。

(3)人機(jī)交互環(huán)境模擬分析 人機(jī)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(shí)的動(dòng)作并對(duì)操作的達(dá)到性、視覺性、安全性和工作舒適度進(jìn)行分析和評(píng)估。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同，數(shù)字化制造技術(shù)中的人機(jī)作業(yè)模擬與仿真是用量化的手段模擬和評(píng)估人、機(jī)、環(huán)境三者之間的關(guān)系。例如在狹小空間進(jìn)行作業(yè)且對(duì)勞動(dòng)者的力量要求不高時(shí)，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(duì)工作中的人機(jī)作業(yè)進(jìn)行仿真和評(píng)估外，它還可以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)使用產(chǎn)品的人機(jī)工程進(jìn)行仿真和分析，幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

(4)焊接工藝過程模擬 對(duì)于那些廣泛采用了工業(yè)機(jī)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(jì)工業(yè)機(jī)器人的工作路徑和工作節(jié)拍，結(jié)合工廠三維設(shè)計(jì)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(jī)器人的工作路徑和工作節(jié)拍，在避免機(jī)械手臂干涉的情況下，設(shè)計(jì)最為合適的工作節(jié)拍。對(duì)于包括ABB、KUKA在內(nèi)的世界頂級(jí)工業(yè)機(jī)器人的良好支持，使得在數(shù)字化制造環(huán)境中設(shè)計(jì)規(guī)劃的工業(yè)機(jī)器人工作路徑和工作節(jié)拍等信息可以自動(dòng)生成機(jī)代碼直接為這些機(jī)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(duì)生產(chǎn)這種產(chǎn)品的物料在車間內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，通過模擬不僅可以分析出產(chǎn)能瓶頸，還可以驗(yàn)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(shí)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(jì)仿真模擬 在設(shè)計(jì)公差時(shí)，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(shí)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(diǎn)。數(shù)字化制造技術(shù)中的尺寸公差分析可以從設(shè)計(jì)開始就對(duì)設(shè)計(jì)人員定義的尺寸公差、形位公差進(jìn)行管理，通過對(duì)產(chǎn)品安裝工藝的三維建模和數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(duì)產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量進(jìn)行改進(jìn)和管理。

4 MPM數(shù)字化制造系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)施路線

數(shù)字化制造的成功運(yùn)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(gè)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(gè)階段:試驗(yàn)階段、導(dǎo)入階段、應(yīng)用階段和優(yōu)化集成階段。

(1)試驗(yàn)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(duì)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(huì)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(jì)管理、裝配仿真等技術(shù)。但因?yàn)檫@些技術(shù)的引入會(huì)對(duì)車間生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響，因此在引入這些“點(diǎn)技術(shù)”時(shí)，大部分企業(yè)都是原有的工藝設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造技術(shù)并存，用已經(jīng)得以驗(yàn)證的工藝驗(yàn)證數(shù)字化制造技術(shù)的實(shí)用性。

(2)導(dǎo)入階段 當(dāng)企業(yè)通過驗(yàn)證證實(shí)了數(shù)字化制造技術(shù)可以給工藝設(shè)計(jì)和制造帶來的效益時(shí)，則會(huì)導(dǎo)入一兩個(gè)新產(chǎn)品到數(shù)字化制造系統(tǒng)當(dāng)中，并開發(fā)個(gè)性化的應(yīng)用工具，對(duì)自己的數(shù)字化制造系統(tǒng)逐步進(jìn)行完善。

(3)應(yīng)用階段 在此階段，企業(yè)會(huì)根據(jù)自身的工藝特點(diǎn)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(jì)的唯一手段。此時(shí)企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)和仿真在全三維環(huán)境下進(jìn)行，同時(shí)包括企業(yè)運(yùn)營、規(guī)劃的部門也借助數(shù)字化制造技術(shù)對(duì)自身的產(chǎn)能、生產(chǎn)節(jié)拍等投資效益進(jìn)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(jì)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(jìn)行緊密的集成，工藝和制造信息可以有效地在各個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行管理和共享。

5 MPM數(shù)字化制造系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)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(jī)廠在引進(jìn)國外的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的同時(shí)意識(shí)到自身軟實(shí)力的培養(yǎng)，在制造領(lǐng)域已經(jīng)具備CAPP系統(tǒng)的同時(shí)，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(jī)廠為例(見圖4)，主要的價(jià)值體現(xiàn)在:

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

②由于運(yùn)用了精確的工藝規(guī)劃和仿真，大大減少設(shè)計(jì)失誤造成的停工誤工時(shí)間和費(fèi)用，減少達(dá)15%;

③通過已有工具的仿真和驗(yàn)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(jì)，節(jié)拍均衡并提高設(shè)備利用率;

⑤縮短生產(chǎn)線設(shè)計(jì)時(shí)間;

⑥提高生產(chǎn)能力;

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

⑧利于企業(yè)的知識(shí)沉淀及提高知識(shí)的再利用效率;

⑨提高同步工程的實(shí)施水平，縮短新車投入市場時(shí)間即項(xiàng)目實(shí)施的時(shí)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(jì)制造技術(shù)為代表的制造軟實(shí)力的不斷積累一定會(huì)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(shí)現(xiàn)由“中國制造”到“中國智造”的騰飛!