王春成 王磊 吳孫陽 趙書寶

【摘 要】智能制造是制造業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要舉措，包含智能化的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、服務(wù)、管理、物流和系統(tǒng)集成6個(gè)方面，其中智能設(shè)計(jì)是智能制造的核心，是決定整個(gè)智能制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵點(diǎn)。文章通過對智能制造設(shè)計(jì)相關(guān)概念的提煉，從工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行維度分析，并提出智能設(shè)計(jì)的成熟度評價(jià)指標(biāo)，為企業(yè)后期進(jìn)行智能制造升級和智能車間評價(jià)提供參考，同時(shí)為后期進(jìn)行智能車間標(biāo)準(zhǔn)化評定提供相關(guān)技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】智能制造;工藝設(shè)計(jì);成熟度評價(jià);公差仿真

【中圖分類號】TP278 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）12-0100-03

0 引言

制造業(yè)是整個(gè)國家經(jīng)濟(jì)體系的命脈，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變的最重要載體，是國家建立的根本，是國家發(fā)展的重要手段，是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國夢想的基礎(chǔ)?！吨袊圃?025》的發(fā)布標(biāo)志著我國戰(zhàn)略部署強(qiáng)國政策從理論向?qū)嵺`邁出了關(guān)鍵一步[1]?！爸悄苤圃臁笔恰吨袊圃?025》戰(zhàn)略方針中最為重要的一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，是我國實(shí)現(xiàn)強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要舉措[2]。智能制造是一個(gè)長期的發(fā)展和推廣過程，目的是解決目前制造業(yè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的各種資源匹配失衡，同時(shí)制定制造業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略，政府、行業(yè)等也需要通過智能制造給制造業(yè)企業(yè)進(jìn)行評價(jià)分析，評估和指導(dǎo)地方產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展，為企業(yè)實(shí)施智能制造提供技術(shù)支撐[3-4]?！吨袊圃?025》對中國智能制造包含智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)、智能管理、智能物流及智能系統(tǒng)集成6個(gè)方面提出了明確要求及指導(dǎo)方針，各個(gè)產(chǎn)業(yè)、不同行業(yè)、各地政府對智能制造業(yè)進(jìn)行整體規(guī)劃與方案論證，特別是在生產(chǎn)系統(tǒng)、企業(yè)管理等環(huán)節(jié)取得了一定成果。但在前期的智能設(shè)計(jì)階段明顯短缺，本文將通過智能制造設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)行業(yè)專家對智能制造設(shè)計(jì)的看法，對智能制造設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究。

1 智能設(shè)計(jì)

智能設(shè)計(jì)是利用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)信息技術(shù)，把人的行為活動(dòng)和思維想法用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬仿真，通過仿真模擬，提升計(jì)算機(jī)自我深度學(xué)習(xí)的能力，完善計(jì)算機(jī)自我感知和自我升級的能力，確保計(jì)算機(jī)在制造設(shè)計(jì)階段能協(xié)助專業(yè)人士進(jìn)行多樣化、龐大的工作任務(wù)，成為專業(yè)人士可靠的工作伙伴。計(jì)算機(jī)對專業(yè)人士來說，它具有以下特點(diǎn)：？譹？訛以設(shè)計(jì)方法論為指導(dǎo)。從設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上來說，整個(gè)設(shè)計(jì)的過程就是從設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法兩個(gè)角度進(jìn)行探討，這是計(jì)算機(jī)智能設(shè)計(jì)能夠仿真專業(yè)人士進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本要求。？譺？訛通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬仿真到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的具體化。設(shè)計(jì)本身是虛擬的，在未進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)它只是存在可能性，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬現(xiàn)實(shí)，把虛擬的設(shè)計(jì)想法反映到計(jì)算機(jī)圖形現(xiàn)實(shí)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的具體化。？譻？訛使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軟件（如CAD、CATIA等系列仿真軟件）進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形處理的手段。？譼？訛實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的智能化處理方式，計(jì)算機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)過程的標(biāo)準(zhǔn)化和具體化，還能夠?qū)崿F(xiàn)與CAM等系統(tǒng)的對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與深度學(xué)習(xí)。？譽(yù)？訛它提供了強(qiáng)大的人機(jī)交互功能。能夠幫忙專業(yè)人士進(jìn)行過程變更，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)的區(qū)別與統(tǒng)一。人工技術(shù)的要求能夠通過智能設(shè)計(jì)快速轉(zhuǎn)化為仿真產(chǎn)品，通過仿真產(chǎn)品的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)品的快速生產(chǎn)。通過對智能設(shè)計(jì)定義的分解和歸納，智能設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。下面將分別對智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，必須明確產(chǎn)品的銷售方式、產(chǎn)品的外觀樣式、產(chǎn)品的組裝方式和產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能，這樣能夠在后期進(jìn)行生產(chǎn)方式和設(shè)備布局的確定，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)意義非凡，對整個(gè)產(chǎn)品具有根本性意義。智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)包含數(shù)字化與模塊化設(shè)計(jì)仿真模擬、產(chǎn)品設(shè)計(jì)試驗(yàn)仿真、產(chǎn)品虛擬產(chǎn)線與生產(chǎn)模擬仿真、產(chǎn)品設(shè)計(jì)公差仿真、產(chǎn)品物流仿真、產(chǎn)品并行/協(xié)同設(shè)計(jì)等。

數(shù)字化與模塊化設(shè)計(jì)仿真模擬：通過計(jì)算機(jī)仿真模型設(shè)計(jì)，改善產(chǎn)品性能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整個(gè)生命周期最佳。同步使用模塊化設(shè)計(jì)理念，保證模塊設(shè)計(jì)在相關(guān)的功能方面和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有一定的完整性和相對獨(dú)立性，考慮模塊系列未來的擴(kuò)展和向?qū)Ｓ?、變形產(chǎn)品的輻射，滿足不同需求和產(chǎn)品的升級。數(shù)字化與模塊化設(shè)計(jì)仿真簡化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，充分利用已有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)模塊，同時(shí)預(yù)留擴(kuò)展窗口，為后期進(jìn)行產(chǎn)品變更、技術(shù)升級提供空間。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)試驗(yàn)仿真：通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對產(chǎn)品功能、安全、經(jīng)濟(jì)性等方面模擬作業(yè)，同時(shí)對整個(gè)生產(chǎn)過程、工藝管理、品質(zhì)檢驗(yàn)、效率分析等進(jìn)行仿真分析。產(chǎn)品設(shè)計(jì)試驗(yàn)仿真圍繞產(chǎn)品質(zhì)量和功能進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，可以在前端提出現(xiàn)有產(chǎn)品與客戶需求之間的差異，以及通過試驗(yàn)仿真能夠彌補(bǔ)生產(chǎn)過程中個(gè)別性能差異帶來的成本損失。

產(chǎn)品虛擬產(chǎn)線與生產(chǎn)模擬仿真：使用信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行全面模擬，找出生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，杜絕并降低在實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速量產(chǎn)，降低前期設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)時(shí)間，提高企業(yè)競爭力。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)公差仿真：采用計(jì)算機(jī)輔助公差仿真技術(shù)（CAT）在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段、檢測分析階段等全過程中，使用計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品的尺寸和公差數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理和參數(shù)優(yōu)化，確保實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品單位成本最低，滿足客戶的技術(shù)需求和功能需求的整個(gè)過程。

產(chǎn)品物流仿真：對物流系統(tǒng)進(jìn)行建模，并在計(jì)算機(jī)上編譯相應(yīng)的應(yīng)用程序，對物流系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)和分析，指導(dǎo)實(shí)際的計(jì)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)營管理。產(chǎn)品物流仿真能夠反映實(shí)際物流運(yùn)行的效率，可以確認(rèn)區(qū)域物流周轉(zhuǎn)效率、人員物流運(yùn)行效率和物流存儲量，便于進(jìn)行物流管理和生產(chǎn)運(yùn)營。

產(chǎn)品并行/協(xié)同設(shè)計(jì)：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮產(chǎn)品生命周期的各個(gè)方面，并應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段全面計(jì)劃和優(yōu)化所有相關(guān)因素。產(chǎn)品設(shè)計(jì)要考慮客戶需求，涉及產(chǎn)品功能、性能和結(jié)構(gòu)，以及產(chǎn)品計(jì)劃、設(shè)計(jì)、零件制造、組裝、銷售、操作、使用、維護(hù)和維修周期過程，直至回收和處置。

智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)前期的模擬化作業(yè)，模擬了整個(gè)產(chǎn)品的生命周期，能夠?yàn)槠髽I(yè)管理者及生產(chǎn)者提供產(chǎn)品的模擬方式，減少產(chǎn)品前期的試驗(yàn)費(fèi)用，提高產(chǎn)品生產(chǎn)能力和企業(yè)效益。

1.2 工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)是指通過長期生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)及特定的生產(chǎn)條件，通過生產(chǎn)實(shí)踐不斷改進(jìn)的過程。工藝設(shè)計(jì)的合理性有助于促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升，協(xié)助現(xiàn)場生產(chǎn)管理，能夠優(yōu)先幫助計(jì)劃和組織，并充分利用設(shè)備。智能工藝設(shè)計(jì)包含制造工藝清單（BOP）模擬、虛擬生產(chǎn)工藝規(guī)格書、制造工藝基礎(chǔ)庫、工藝基礎(chǔ)文件管理、人因仿真、虛擬裝配仿真、虛擬產(chǎn)線與生產(chǎn)模擬仿真等。

制造工藝清單（BOP）模擬：通過模擬BOP實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝與工序的前期設(shè)計(jì)，確保產(chǎn)品生產(chǎn)過程的完整性。在進(jìn)行模擬BOP時(shí)，可以根據(jù)客戶的不同需求進(jìn)行定制化模擬，通過模擬確認(rèn)產(chǎn)品清單需求，減少制定工藝清單的時(shí)間。

虛擬生產(chǎn)工藝規(guī)格書：通過計(jì)算機(jī)仿真模擬工藝生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)及指標(biāo)的搜集，提前準(zhǔn)確預(yù)知產(chǎn)品參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)，避免不斷重復(fù)的產(chǎn)品工藝試驗(yàn)及報(bào)廢品產(chǎn)生，減少制程管理人員的需求，同時(shí)減少生產(chǎn)期間因?yàn)檎{(diào)整產(chǎn)品參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)導(dǎo)致的不良產(chǎn)品損失，還可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，提高客戶滿意度。

制造工藝基礎(chǔ)庫：工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫由工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中各類工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入、更改、維護(hù)、用戶設(shè)置、安全保密等功能。工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫為計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)（CAPP）系統(tǒng)提供支持，并與CAD/CAPP/CAM/CAQ結(jié)合，進(jìn)而為整個(gè)數(shù)字化生產(chǎn)線提供支撐，實(shí)現(xiàn)制造工藝的數(shù)字化。

工藝基礎(chǔ)文件管理：工藝技術(shù)基礎(chǔ)文檔管理是公司進(jìn)行流程管理的基本要素，也是控制整個(gè)生產(chǎn)過程的有效手段。工藝和技術(shù)文件的管理旨在使產(chǎn)品在生產(chǎn)和操作過程中的所有流程技術(shù)文件都接近實(shí)際生產(chǎn)，滿足實(shí)際需求，使過程和技術(shù)文件保持權(quán)威性、監(jiān)管性。

人因仿真：在制造生產(chǎn)過程中，人在其中扮演重要的角色。無論是人機(jī)交互還是機(jī)械自動(dòng)化及集成管理系統(tǒng)等，均明確了人的主觀作用。在人機(jī)交互系統(tǒng)日益發(fā)展的今天，人的影響因素顯得更為重要。通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行人為作業(yè)仿真設(shè)計(jì)與分析，能夠最大限度地模擬出人機(jī)交互過程中人的行為影響。通過仿真，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的效率管理、良率管理等指標(biāo)實(shí)時(shí)顯示，還能夠?qū)θ说淖鳂I(yè)行為及功能需求進(jìn)行明確。通過仿真，模擬生產(chǎn)環(huán)境，對作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)與仿真環(huán)境實(shí)際操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的完美配合。

虛擬裝配仿真：基于虛擬拆裝技術(shù)在交互式虛擬裝配環(huán)境中，用戶可以使用各種交互式設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中對產(chǎn)品零件進(jìn)行各種裝配操作。在整個(gè)實(shí)踐中，虛擬裝配仿真軟件能夠?qū)崿F(xiàn)所有階段數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)與保存，管理整個(gè)裝配作業(yè)，便于使用人分析產(chǎn)品的可裝配性、裝配順序驗(yàn)證、產(chǎn)品零件計(jì)劃、裝配操作員培訓(xùn)等。整個(gè)作業(yè)完成以后，計(jì)算機(jī)會詳細(xì)記錄整個(gè)裝配作業(yè)，并轉(zhuǎn)化為審閱分析材料、視頻記錄等內(nèi)容，便于以后使用。

虛擬產(chǎn)線與生產(chǎn)模擬仿真：通過仿真作業(yè)環(huán)境，讓作業(yè)人員思維處于計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境中，利于優(yōu)化環(huán)境，改善作業(yè)效率。通過虛擬產(chǎn)品與生產(chǎn)模擬仿真，可以讓新員工在仿真試驗(yàn)過程中進(jìn)行“實(shí)踐”操作，提升作業(yè)熟練度，能夠讓員工快速上線熟練作業(yè)。虛擬產(chǎn)品與生產(chǎn)模擬仿真降低了員工熟練度培訓(xùn)的費(fèi)用和實(shí)際生產(chǎn)過程中員工熟練操作導(dǎo)致的產(chǎn)能損失。

智能工藝設(shè)計(jì)通過仿真實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品在生產(chǎn)前的技術(shù)困擾，通過仿真模擬，為實(shí)踐生產(chǎn)提供了技術(shù)支持，降低了生產(chǎn)過程中因技術(shù)參數(shù)調(diào)整導(dǎo)致的不良品及產(chǎn)能損失風(fēng)險(xiǎn)，幫助技術(shù)人員有效進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。同時(shí)，通過智能設(shè)計(jì)，可以快速響應(yīng)客戶需求進(jìn)行模擬生產(chǎn)，形成量化的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，便于快速報(bào)價(jià)和快速量產(chǎn)。

2 智能設(shè)計(jì)成熟度評價(jià)

根據(jù)智能設(shè)計(jì)定義與指標(biāo)含義，制定其成熟度評價(jià)體系（見表1），同時(shí)需結(jié)合產(chǎn)品制造、產(chǎn)品管理、物流管理、系統(tǒng)集成等方面進(jìn)行整體評價(jià)，成熟度等級越高，智能設(shè)計(jì)能力越強(qiáng)。

3 結(jié)語

未來必將是一個(gè)高度集成和智能的自動(dòng)制造系統(tǒng)，其研究目標(biāo)是部分系統(tǒng)替代制造業(yè)中人腦的工作。即在整個(gè)制造過程中，人類智能活動(dòng)與智能機(jī)器的結(jié)合可以有效地提高人的知識水平和認(rèn)知能力，實(shí)現(xiàn)制造過程的優(yōu)化、智能化和自動(dòng)化。對智能制造的研究不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和降低成本，而且可以提高整個(gè)制造業(yè)應(yīng)對市場變化的能力和速度，從而在未來的國際競爭中獲取成功。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]左世全.我國智能制造發(fā)展戰(zhàn)略與對策研究[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2014（3）：36-41，59.

[2]張鐵.工業(yè)機(jī)器人及智能制造發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014，43（4）：2-3.

[3]王影，冷單.我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)存問題及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫，2015（1）：72-76.

[4]龍錦中，吳堅(jiān)，沈平.汽車生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造技術(shù)應(yīng)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（11）：92-93，96.