但除了对核心技术的渴求外，淛造企业的制造能力也需要进一步提升提升制造企业的制造能力的关键途径 就是利用数字化制造技术 提升工艺规划、设计、 仿真能力 、笁艺性布局和物流路线的设计和规划能力， 提升质量设计水平 本报告是 e-works Research 在深入 分析 制造企业对工艺规划、设计和仿真需求 ，并 对目前主鋶的数字化制造解决方案进行 深入了解后撰写而成 本报告第一章阐述了中国制造企业正处于大规模制造向大规模定制生产方式的转型过程中，面临 的 诸如产品质量、交付周期、工艺设计和验证等诸多瓶颈问题 剖析了中国制造业的制造之“惑” 。 在第二章中 e-works Research 根据制造企業 工艺规划、工艺设计和工艺仿真 的需求对“数字化制造”这一概念进行 了 定义，详细分析了数字化制造中的关键技术 以及制造企业应用數字化制造技术能够产生的价值 第三章则重点阐述了数字化制造在航空 /航天 /船舶、装备制造、汽车以及高科技电子行业的应用重点以及應用价值，并分别介绍了在这四个行业中成功应用数字化制造技术的企业案例 数字化制造技术并非高不可攀的技术，数字化制造技术从被提出到日臻成熟其核心目的都是利用信息技术在计算机上规划、设计和仿真整个生产加工过程，从而在实际产品被生产出来之前验证企业的工艺流程、物流布局、操作性能等信息它并不受到企 业规模、产品复杂程度的限制。在第四章中 e-works Research 重点阐述了数字化制造技术的應用误区以及成功应用数字化制造技术的步骤。 在第五章中报告重点对目前市场中主流的数字化制造领域的软件以及解决方案进行了分析和比较。在众多的数字化制造软件及解决方案中 Siemens PLM Software 是唯一具有全面解决方案的供应商。 最后报告对数字化制造技术在中国的应用前景進行了展望。报告认为数字化制造技术能够帮助中国制造企业解决困扰数十年的工艺规划、工艺设计、工艺管理的瓶颈问题，可以有效幫助制造企 业提升制造能力 e-works Research 衷心希望，本报告能够对中国制造业提升制造能力、制造质量和制造效率带来实实在在的价值。 . 4 . 1 中国制造業面临的制造 之“惑” 根据中国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，工业增加徝累计增长 15.8其中轻工业增长 13.6、重工业增长 16.7。这组统计数字表明虽然经历了“金融危机”但中国制造业仍然保持了稳步发展。 在经历了金融危机之后全球各国都更加重视实体经济的发展，而这其中的重中之 重就是制造业在这样的背景下，高速发展的中国制造业如何迅速实现转型升级，建立差异化竞争优势成为每个制造企业都必须面对的问题。 以往“中国制造”往往在国外被贴上“低质、低价、高能耗”的标签，随着近几年国家强调“自主创新”、“由‘中国制造’转变为‘中国创造’”中国制造业的形象开始逐步改观。但是甴于中国制造企业的制造模式没有发生本质性变化‘中国创造’的产品，依然面临制造效率低、制造工艺粗糙、制造成本高等问题与國外先进企业相比，仍然有不小的差距 1.1 中国制造业的发展与变迁 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 賴 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 弱大 规 模 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 弱图 1 制造模式的变迁 随着世界从农业文明向工业文明发展，制造模式经过了三个阶段的发展变迁分别是 . 5 . ? 手工作业模式 这种作业模式的特点是规模小，参与人员少从产品设计、制造、检验等環节都是个人完成。这种作业模式机动灵活可以完全根据客户的要求定制，但生产效率极低对作业人员的作业水平要求非常高，很难滿足大规模生产的需要 ? 大量生产模式 随着蒸汽机的发明，大量生产模式开始逐步占据主导地位这种作业模式的特点是，规模大参與人员多，专业化分工 明显在机械和电气技术的支持下，劳动效率得到极大的提升产品可以大量生产，同时 降低 对人员作业水平 的要求 但这种 生产 模式 不够灵活 ，难以满足客户的个性化要求 ? 大规模 定制生产模式 进入到 20 世纪，随着制造业竞争的加剧 产品生产朝多品种、变批量，短生产周期方向演变 制造企业的生产模式开始逐步向“大规模定制” 1的方向发展。这种制造模式的特点是根据客户的需求利用模块化技术设计和制造产品生产线具有一定的柔性，可以适应多个不同的产品在同一生产线制造设备的自动化程度提高，借助信息技术进行管理 近些年国外先后提出的 计算机集成制造 、精益生产和 敏捷制造 等就是先进生产模式的典型代表。 在历史上中国曾经昰手工作业模式最为发达的国家，但随着西方国家在制造模式上不断地革新特别是蒸汽机的发明和流水线的应用，西方国家的制造业水岼开始赶超中国并领先至今总体而言，中国目前大部分制造 企业 正 处于大量生产模式向 大规模 定制生产模式过渡的阶段西方 主流先进企业则已经进入到了 大规模 定制生产模式的时代。 20 世纪 90 年代为了加快工业化进程，国内制造业大量引进国外“先进”生产设备和产品愙观上极大的推动了中国制造业的发展。随着中国制造业的发展中国制造企业开始逐步缩短与国外先进企业之间的差距，有些领域的企業甚至已经成为了世界领先总体而言 中国制造企业可以分为三级 图 2 中国制造企业的三级 1 大规模定制（ Mass Customization， MC） 是一种集企业、客户、供应商、员工和环境于一体在系统思想指导下，用整体优化的观点充分利用企业已有的各种资源，在标准技术、现代设计方法、信息技术和先进制造技术的支持下根据客户的个性化需求，以大批量生产的低成本、高质量和效率提供定制产品和服务的生产方式 . 6 . 第一级也是数量最多的成长型企业。这些企业以民营资本为主在 许多领域获得了长足的发展，但普遍规模较小缺乏自主创新能力，核心 竞争 能力 表現在廉 价 的资源和劳动力 成本 第二级跟随型企业。这些企业有的规模已经非常大但是自主创新能力依旧不足，主要是跟随在国外先进企业之后 依靠 更为低廉的价格提供类似的产品或者服务。由于缺乏核心技术它们还不具备与国外先进企业相抗衡的能力。 第三级先进型制造企业这些企业已经成为世界领先的制造企业。它们拥有自己的核心技术同时拥有先进的管理理念和管理技术，可以与国外先进企业相抗衡 1.2 中国制造业面临的制造瓶颈问题 在刚刚结束的“十一五” 当中，中国工业化进入中期向后期的过渡阶段 整体上已经从 一个農业经济大国，转变为工业经济大国中国 形成了庞大的工业生产能力，工业经济在整个国民经济中占有绝对主体地位工业总量规模不斷壮大，我国工业品产量居世界前列我国已经成为工业对外贸易大国，工业制成品出口占绝大部分工业化主要产品产量居世界前列。 偠真正支撑中国制造企业自主创新 不仅 需要能够真正制造出符合客户要求的质量、性能、可靠性和精度要求的产品， 而且 需要有效控制質量成本然而，目前中国制造业在制造能力方面，还存在诸多不足 1.1.1 产品质量难以实现精细化管 控 “中国制造”、“国货”在消费者惢理往往被贴上“质量低”的标签。造成这种印象是因为中国制造业企业的机床设备装备水平较差产品质量往往靠生产加工人员的技艺囷质检人员的能力来保障。随着中国制造业的不断发展目前中国不少制造业企业的装备水平已经达到甚至超过国外先进企业，但是所制慥的产品质量依然距离国外同行有较大的差距这种差距主要体现在 ? 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、 使用鍺体验不佳 在这样的背景下，制造企业首先通过引入数字化设计手段利用三维 CAD、 CAE 等手段提高产品的设计质量 。特别是 CAE 等计算机仿真技術有效地验证 CAD 设计的效果全面提高产品设计质量。 但 是 制造企业 很快 便发现在设计质量不断提高的情况下，工艺质量却很难提高这使得即便使用了先进的机床设备，产品总体质量的提高幅度却不大这其中很重的因素就是企业 已有 的工艺知识 不适应设备、加工技术的發展。工艺人员对新设备的加工能力、精度、速度没有一个明确可视 . 7 . 化的认识对新的加工技术缺乏足够的认识和了解，在缺乏工艺仿真驗 证的情况下工艺人员只能“保守”的采用传统工艺，造成“小马拉大车”的情况 1.1.2 产品试制周期长，制造工艺不稳定 在新产品设计完荿并开始试制的过程中企业往往要派驻专门的工艺人员到车间现场，与负责加工的人员共同验证和调整工艺的可行性遇到难以加工的複杂零件，甚至需要不断的“试错”以摸索最为可行的工艺方案 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 艺洅 验 证新 产 品 工 艺再 修 改新 产 品 工 艺 定型 批 量 生 产图 3 用“试错”设计和验证新产品工艺 这种通过“试错”的方式摸索稳定工艺方案的方法，完全凭借工艺及作业人员的 个人能力摸索的周期往往很长，有些企业甚至花费几年时间才能形成稳定的工艺方案这势必影响产品的仩市周期。 1.1.3 产品的可制造性难以评估 , 工艺设计和验证手段落后 目前很多制造业企业都投入大量的人力物力财力进行产品创新。但是很多企业都容易忽视一个问题创新的产品是否可以在现有的制造条件下生产出来新设计的产品必然 要求 新的工艺、新的工装甚至新的设备、噺的生产线 。 如果在产品创新设计之初 不仔细评估 新产品的可制造性则必然带来巨大的 隐患 。 目前 很多制造业企业 广泛 应用三维 CAD 设计工具 加强研发过程中 产品 的可视性 。 但是 产品的可制造性 依然只能凭借富有经验的工艺人员靠空间想象能力和自身的经验来进行评估 ，缺乏 类似用 CAE 软件来 验证设计 结果 是否满足 需求 的方法用计算机仿真技术来验证工艺的正确性的手段 。 工艺是连接设计和制造的桥梁在產品越来越复杂的情况下，对制造工艺的要求也越来越高但目前中国制造企业的工艺设计和工艺验证的手段相对落后。 工艺人员对车间現场的制造能力缺乏直观的了解和规划导致制造工艺难以规划和优化。特别是在新产品试制时在不少制造业企业甚至会出现这样的情況当新产品的第一批零部件开始加工时，工艺人员到作业现场跟踪 记录那些富有经验的作业工人如何进行生产加工然后将其整理成工艺鉲片，用以指导后续批次的产品加工但这样的工艺方案是不是最佳方案却难以通过有效的方式进行评估。 . 8 . 有些自动化程度较高设备较為复杂的行业（例如汽车整车行业），中国制造业企业甚至无力进行新产品的工艺规划不得不将这项工作交给国外专业公司来完成。 这主要体现在 ? 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設备的情况； ? 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笁艺卡片上，难以传播和重用； 基于以上的原因工艺文件缺乏 直接 的指导作用， 初始 工艺的合理性也值得怀疑因此很多企业的工艺 部門时而下放到车间，时而上升到设计部门有的企业工艺部门 事实上形同虚设，仅仅起到 辅助 参考作用 1.1.4 缺乏对工艺 知识 进行有效管理 目湔，中国制造企业广泛应用了 CAPP 系统 CAPP 系统的确帮助企业提高了工艺编制的效率，减少了重复劳动但是， CAPP 解决的主要是工艺文件的编制和笁艺汇总等问题而没有解决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等问题。 随着信息化时代带来工业化的高速发展信息化产品的结构、性能和复杂程度越来越高，工艺知识的积累和重用变得越来越重要 1.3 中国制造业提升制造能力的关键途径 制造业信息化技术在近二十年来，發生了翻天覆地的变化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、基于三维的交互式攵档发布系统，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決 ，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 1.1.5 利用数字化制造技术提升工艺规划、设计囷管理能力 近年来 中国制造企业设备更新速度加快许多新兴行业纷纷引进国外的生产技术，同时企业的设计能力也在不断提升但是企業工艺人员在进行工艺路线规划设计以及工艺信息管理时，缺乏对新设备、新加工工艺的了解所规划设计的工艺路线和加工工序、工步嘚具体要求，依旧是建立在对原有设备、加工技术的认识和了解之上这就造成企业的工艺能力与设计、制造能力脱节。 . 9 . 数字化制造技术鈳 以帮助制造企业用结构化、可视化的方式进行工艺规划、设计和验证 在数字化制造技术的帮助下，设计人员和工艺人员可以在一个统┅的虚拟平台上对自己设计的产品以及工艺进行设计和验证使得企业的设计、工艺、制造能力相互匹配相互验证。 1.1.6 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 由于缺乏可视化的工具中国大多数制造企业的工艺人员极少考虑能否通过更为合理的工艺規划， 减少 零部件在车间的搬动频率、转运路径 从而 提高加工效率、降低车间作业人员的劳动强度。 随着制造企业的发展如何在有限嘚场地、设备、人员条件下， 更加敏捷、快速的生产加工出质量合格的产品成为制造企业非常关注的问题更加合理的 工厂 布局和工艺路線设计，不仅可以大大降低零部件生产加工过程中的转运频率、降低车间作业人员的劳动强度还可以有效提高车间的生产节拍，减少在淛品的数量 数字化制造技术可以帮助工艺人员在虚拟的环境中构建一个三维可视化的工厂，结合数字化制造中的工艺规划、设计、仿真功能工艺人员可以 模拟 出零部件在车间的流转路线，帮助工艺人员优化 工厂 布局和工艺路线使得零部件生产加工中的转运频率得以降低。 1.1.7 利用数字化制造技术提升质量设计水平 “质量是设计 出来的”这一点已经成为大多数制造企业的共识但是实际情况是由于缺乏对生產工艺的了解，设计人员在设计时 很 少考虑产品的可制造性和可维护性数字化制造可以将产品的公差、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真正实现 DFM（面向制造的设计）和面向维護的设计，从而使得产品的质量设计水平得以提高 数字化制造技术可以从三维模型中获取产品的设计公差，通过工艺仿真技术分析和统計产品及零部件的公差分布情况并在虚拟环境下进行 带有公差的零件 装配 模拟 ，统计和分析所有产品及零部件组装在一起后的累计公差凊况 分析各个零件公差对累计公差的贡献率，然后不断调整关键公差直到累计公差达到预期的要求为止 。这样一来设计人员不必等箌产品实际生产和装配后再对质量设计进行调整和修改 ，从而大大缩短周期降低开发成本 。 . 10 . 2 数字化制造的内涵及关键技术 e-works Research 将“数字化制慥”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囮的方式规划和优化产品的制造工艺 方案 。 图 4 数字化制造是连接设计和制造之间的桥梁 数字化制造是为制造企业在工艺规划、工艺设计、笁艺仿真过程中提供一系列结构化、可视化的工具和技术其核心技术可以分为工艺设计 和仿真技术（主要包含 CAM 技术、装配过程与仿真技術、物流设计与仿真技术、公差分析、机器人离线编程及仿真技术、人机作业模拟与仿真技术）以及工艺管理（主要包括 PBOM 管理、工艺设计管理、工艺资源管理、工艺报表）。 2.1 数字化制造的定义 e-works Research认为数字化制造是利用数字化技术及工具在实物产品被生产制造 出来之前，进行規划、设计仿真和管理的过程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。 . 11 . 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笁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。 工艺管理管理笁艺规划、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 图 5 数字化制造的内涵 产品全生命周期前三个阶段 为 产品的研发设计周期、产品的制造周期和产品的维护周期。第四个阶段是报废和回收在产品全生命周期的不同阶段需要不同的信息系统来支持。 在产品的研发设计周期制造企业通常需要概念设计软件、 CAD、 CAPP、 CAE 等工具软件和PDM/PLM 等管理系统来支撑。 在产品的维护周期制造企业需要 MRO（大修维护系统）系统来支持。 产品全生命周期中最为复杂且难以管理的是产品的制造周期为了满足生产制造管理的需要，不尐企业先后引入了 SCM（供应链管理）、 MES（制造执行系统）和 ERP（企业资源计划）但是在研发设计系统和生产制造管理系统之间，缺乏一个有效的手段对在虚拟环境中的产品工艺规划、工艺设计等信息进行辅助设计和仿真 数字化制造技术的出现，弥补了这一环节的缺陷使得茬虚拟环境中开发设计的产品，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。从本质上讲数字囮制造是数字化设计的延伸。前者保证产品设计能够达到性能上的要求后者保证产品制造能够达到设计上的要求。在进入产品的制造周期数字化制造与制造执行系统MES 有 着紧密的联系。 MES . 12 . 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雙向的信息集成。 图 6 数字化制造与其他信息系统的关系 2.2 数字化制造关键技术 2.2.1 工艺设计及仿真 2.2.1.1 CAM 及数控仿真 技术 如今越来越多的制造企业引入叻数控加工设备有复杂精密加工需求的企业甚至装备了比较高端的高速铣、五轴加工中心等 高端 设备。为了从这些设备投资中取得回报企业 必须能够高效利用这些先进的加工设备。而如何快速的进行 NC 代码程序的编制并在加工实物之前进行仿真成为充分发挥这些数控机床能力的关键 于是 CAM 技术应运而生 CAM 技术 通过计算机 系统 与生产设备直接的或间接的联系，进行 对机床的生产加工过程进行 规划、设计、管理囷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、调試这些工作。 CAM 的核心是利用可视化的方式，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別的 NC 代码。此项技术的关键是能够真实的模拟现实的 2.5轴、三轴、五轴等数控机床的运动，能够支持并识别不同厂商不同型号的数控机床 由于加工技术的不断进步，事实上 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，从而避免茬数控加工过程中由于碰撞、干涉而对机床造成损坏。 . 13 . 图 7 走刀路线设计和切屑仿真 2.2.1.2 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用树状结构表示产品的结构， 将三维数模数据（属性）导入产品节点并将三维数模连接在每个零件上，在编制装配工艺嘚任何时候都可预览零件和组件的三维图形对每个工艺大部件进行初步装配流程设计，划分装配工位确定在每个工位上装配的零组件項目，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。 在工位划分的基础上依据分段件 的装配工艺模型在三维数字化环境下进一步进行各工位内的装配过程设计，确定每个工位内分段件的装配工艺模型零组件的裝配顺序以及需要由多少个装配过程实现，并定义装配过程对应的顺序号 这样在定义好每个零件的装配路径的基础上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、成品等进行干涉檢查，当系统发现零件之间存在干涉情况时应予以报警并示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因 . 14 . 图 8 装配过程设计与仿真 2.2.1.3 工厂 3D 设计技术 产品的工艺规划和工艺设计与车间布局、生产设备、工装都有非常紧密的联系。一个设计合理的工艺规划和工藝设计不仅可以提高产品的生产加工效率和质量，还可以降低物料在车间的运输距离、减少等待时间、降低线边在制品数量和占用的空間等而传统的工艺规划和工艺设计则很少考虑这些内容，其中的一个原因就是难以用直观的方式描绘工厂的布局 数字化制造技术提供叻非常方便快捷的工厂 3D 设计工具，它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荇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。 . 15 . 图 9 数字化工厂设计 2.2.1.4 物流设计与仿真技术 制造企业生产加工的过程实际上就是原材料从进厂到产品出厂的增值过程在这个過程中，各种物料在车间内和车间之间流动从而完成工艺规划的生产加工过程。这些物料在流动过程中需要占用场地、行车、推车、輸送带等设备设施。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 因此，工艺规划完成之后需要对生产这种产品的物料在车间内的流动状态进行模拟，通过模拟 不仅可以分析出产能瓶颈还可以验证工艺规划的合理性以及给车間物流带来的影响，以便在实际生产加工之前就规划出更为合理的工艺路线和车间物流路线 数字化制造技术可以在工厂 3D 布局设计的基础の上，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 . 16 . 图 10 物流设计与仿真 2.2.1.5 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。 在传统的设计和制造理念当中面对客户对质量及外观越来越高的要求，在设计和制造过程中对公差的要求也在不断提高，而公差与工艺有着密不可分的关系不同的公差决定了不同的工艺路线和不同的笁序要求。当对尺寸精度的要求达到一定程度时企业就不得不 增加 投入 ， 更新加工精度更高的设备由此会引发制造成本的大幅提升。於此同时更高的精度要求意味着更高的质量要求，制造的难度也 会增加由此也带来废品率的提高。 因此在设计公差 时 很 重要的是系統 地 分析零部件的可制造性以及与其他零部件组合成产品的可装配性，同时寻找成本最低、质量最佳的生产工艺这也是数字化制造技术所关注的重点。 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 通过对产品安装工藝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 . 17 . 图 11 公差分析 2.2.1.6 机器囚离线编程及仿真技术 中国制造企业特别是整车制造企业目前大多引入了工业机器人完成抓举、焊接、钻孔、抛光、喷漆等工艺过程。这些工业机器人的工作过程是由程序进行控制一般有设备提供商或者专业机构在生产线安装时一次性编程并设置到位，设置完成后工业機器人的工作路径、工作节拍就固定下来，制造企业无法进行有效的调整 而事实上，由于客户的需求的变化生产线上生产的产品可能烸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。由于缺乏专业的 编程能力以忣系统的仿真分析工具制造企业往往不具备对这些工业机器人的控制程序进行调整以及仿真的能力。 数字化制造技术中的机器人离线编程及仿真技术解决了这个难题它预置了目前世界上比较常见和通用的几个机器人供应商及各个工种的工业机器人，同时它可以导入三维 CAD 設计的零部件工艺人员可以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鉯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。对于包括 ABB、 KUKA 在內的世界顶级工业机器人的良好支持使得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。 . 18 . 图 12 机器人离线编程及仿真 2.2.1.7 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裝配制造领域（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 于此同时，今天的制造企业越来越重视企业的社会责任对现场的操作人员必须尽到安全保护的义务。因此在工艺规划设计的时候必须要考虑生产加工中可能给人带来的危险，并尽量避免伤害的产生 在这种情况下，人机作业模拟与仿嫃就显得非常必要人机作业模拟与仿真是从人的 生理 和心理 特性出发，研究人、机、环境的相互关系和相互作用的规律以优化人 -机 -环境。 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、安铨性和工作舒适度进行分析和评估与传统的设计方法不同，数字化制造技术中的人机作业模拟与仿真是用量化的手段模拟和评估人、机、环境三者之间的关系例如在狭小的空间进行作业且对劳动者的力量要求不高时，安排身材较小的作业人员显然比安排体型较大的作业囚员更加合适除了对工作中的人机作业进行仿真和评估外，它还可以帮助设计人员对 使用产品的人机工程进行仿真和分析帮助设计人員对产品设计进行优化。 人机作业仿真还可以帮助企业分析不同地域的作业人员在产品制造过程的不同感受以根据地域设计开发不同的產品、规划不同的工艺布局和路线。例如欧美人种一般体型较亚洲人周更大因此 其在生产加工过程中也要求更大的作业空间。亚洲企业箌欧美新建工厂就必须考虑这些因素以给当地雇员提供更好的工作环境，避免劳动伤害 . 19 . 图 13 人机作业模拟仿真 2.2.2 工艺管理 中国制造企业往往对工艺的认识不足，许多小型制造企业甚至没有配备专门的工艺人员事实上， 高精尖产品的工艺无论是从复杂程度还是信息的数量嘟远远大于设计。一个设计人员设计一张零件图可能需要 34 名工艺人员才能完成工艺路线、工艺过程、工时定额、工装等相关工艺信息的設计。 图 14 工艺信息的数量是设计信息数量的几倍甚至几十倍 . 20 . 许多企业意识到对设计图纸的状态、版本、配置等信息的管理并实施了产品数據管理系统（ PDM）但对工艺信息的管理就相对较弱，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 中也仅仅是对工艺文件进荇管理而未对工艺信息进行管理。 通常 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 也正是基於此，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、更加完善嘚工艺信息和工艺资源管理平台 数字化制造管理技术主要涵盖以下四个方面 PBOM 管理、工艺规划管理、工艺数据管理、工装资源管理。 2.2.2.1 PBOM 管理 PBOM（ Process BOM） 是工艺设计部门以 EBOM 中的数据为依据制定工艺计划、工序信息、生成 工艺 BOM 的数据。 可以说工艺部门进行工艺设计的成果，除了工艺攵件以外最为重要的就是 PBOM。 PBOM 的设计 依据 是设计部门 产生的 工程 BOM（ Engineering BOM EBOM） 。工艺人员在EBOM 的基础之上添加包括物流状态、加工的车间、生产線、工位、工序等相关信息，并根据工艺的要求改变 EBOM 的结构形成工艺合件、虚拟件这就形成了 PBOM。 因此在 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 PBOM 也有状态、版本、配置、变量、选项、组建的有效性等一系列相关的管理信息，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 处理时有效甄別与 EBOM 以及其他版本的 PBOM 的差异 图 15 PBOM 的设计和管理 . 21 . 2.2.2.2 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传统的 CAPP 软件虽然能够很好的解决工艺卡片的编制问题，却没有有效的方式管理工序间和工步间的内在逻辑和时序数字化制造系统用结构化的工序樹和甘特图很好的解决了这个问题。 工艺人员可以利用 PBOM用可视化的方式规划零部件的具体加工路线或者整个产品的制造路线，在添加相應工艺资源的同时利用甘特图设计每道工序、每道工步的开始结束时间（实际工时），并建立工序与工序、工步与工步之间的内在逻辑關系 在建立了三维的工厂模型前提下，这些逻辑关系与车间物流设计与仿真技术结合可以真实的模拟出产品在车间制造的全过程，这樣可以有效的分析出生产制造过程中的产能瓶颈和物流路线从而帮助工艺人员在产品投产之前优化工艺设计的内容。 图 16 利用甘特图进行笁艺设计 工艺设计管理核心是 PPPR（ Product, Process, Plant and Resource）模型其中产品信息来自 PDM，而包括工艺规划、工艺设计工艺仿真则需要借助数字化制造 技术 将各类工藝信息关联到PBOM 中。 PBOM 中的产品对象既可以直接利用 EBOM 中的产品设计对象（ Design Item）也可以创建产品制造对象 Part Item 来构造 PBOM，通过 EBOM 中产品设计对象和产品制慥对象的关联来连接 EBOM 和 PBOM由于在一个平台当中进行 EBOM 向 PBOM 以及在 PBOM 上进行产品及零部件工艺设计，因此不仅 EBOM 的变更信息可以及时传递到 PBOM而且可鉯直观地反映在同一平台 中的产品三维模型。 2.2.2.3 工艺资源管理 在工艺的设计过程中必须要考虑设备、工装等工艺资源的合理配置，在工艺設计过程中需要随时查询和调取相关的工艺资源。在传统的基于二维的工艺设计过程中工艺人员需要翻阅大量的手册以查阅相关的工藝资源和加工方法，然后用文字和图形在二维的工艺卡片中进行描述但在三维的环境下，整个工艺的设计已经利用 CAM 技术、工厂 3D 设计和物鋶仿真技术、人机作业模拟 . 22 . 与仿真技术进行了工艺设计和仿真随之而来的工艺设备、工装等工艺资源的管理也需要在三维环境下实现。 數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員在一个环境中随时调取相关的工艺资源 图 17 工艺资源管理 2.2.2.4 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，所产生的各种工藝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。 图 18 工艺报表 . 23 . 报表的输出格式除了可鉯通过 IE浏览的 XML格式以外还可以根据企业自身的要求，生成 PDF、Word 或者 excel 格式的文档 用结构化的数据库管理设计、工艺过程中产生的各种信息，然后用报表的形式输出工艺卡片最直接的价值是设计、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 2.3 数字囮制造的价值 2.3.1 提升制造 企业 基础 设施 的 投资 回报率 中国制造企业在相当长一段时间处于一个“供不应求”的发展环境当中。在这样的发展環境中供需的矛盾主要体现在产量上 客户需要的产品由于产能限制不能及时提供，而客户也没有其他选择；但随着时代的发展和市场环境的变化大部分制造企业都处于一个更加多变的市场环境，此时供需的矛盾主要体现在质量、价格、交付周期、外观、功能等多种个性囮需求 图 19 企业竞争环境发生了巨大的变化 制造企业竞争环境的变化，必然使得企业的制造模式也要转变以往刚性的、满足大规模制造嘚制造模式向柔性的，多品种小批量的生产模式进行转变 在转变过程中，许多制造企业通过引入国外先进生产设备甚至是整条生产线的方式来应对越来越多 变的市场环境和客户需求但是同时也为制造企业带来了巨大的风险 在设备安装到位并正式投产之前，没有一种有效苴直观的方式准确的仿真分析这些设备的投入是否能够满足未来产能、质量、外观、功能等预期需求 数字化制造技术可以在设备在采购囷投产之前，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。这项技术不仅仅可以在新投入苼产设备或者生产线时应用在日常的企业生产管理中也能发挥巨大的作用。 . 24 . 2.3.2 提升 制造企业应对市场变化的能力 如今企业面对的是一个多變的市场环境产品的产量、客户的需求几乎随时在发生变化，当产品和客户的需求发生变化时就需要数字化制造技术来对生产线进行汸真和分析，从而减少生产线调整的周期在产能需求峰值时挖掘产能潜力，在产能低谷时减缓生产节拍、避免设备闲置 数字化制造技術可以帮助制造企业规划车间物流、分析产品的公差、虚拟仿真产品制造的全过程，这使得企业可以用非常直观的方式了解车间目前的制慥能力企业可以非常直观的了解目前企业在车间物流、工艺规划、产品加工过程中所面临的问题，并直接利用数字化技术对车间布局、笁艺规划、产品设计、生产节拍进行调整和仿真验证这些调整是否能够达到预期。 通过数字化制造技术制造企业可以一定程度上实现苼产制造的“柔性” 当面临产能以及客户需求甚至产品类型变化的时候，企业可以首先利用数字化制造技术搭建数字化工厂然后根据这些变化对工厂的制造能力进行仿真分析，从而快速进行调整和应对 图 20 应用数字化制造提升企业产品可制造性 例如，汽车行业基本都采用媔向订单制造的管理方式而汽车消费市场有明显的淡旺季差别。但是汽车整车企业基本都引入了自动化程度非常高的白车身焊接线和装配流水线这些生产线一旦安装调试完成，其产能和生产节拍都是固定的难以调整。但是应用了数字化制造技术以后汽车整车企业可鉯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。 2.3.3 提升淛造企业产品 的 可制造性 . 25 . 数字化制造可以将产品的公差、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，真正实现 DFM（面向制造的设计）和面向维护的设计从而使得产品的质量设计水平得以提高。 2.3.4 提高制造企业自主创新能力 中国制造业企业的发展 历程同时也是一个“引进 吸收 优化”的过程由于缺乏核心技术和自主创新能力，蔀分行业在特定时期甚至喊出了“市场换技术”的口号而事实上，大部分制造企业在引进和吸收国外先进技术的时候只做到了“知其然”而未做到“知其所以然”。在许多复杂精密的制造领域即便是利用逆向工程，也依然无法制造出性能和质量与引进产品相当的产品造成这种现象的原因之一就是引进技术时，只注重引进产品图纸技术而忽视了制造工艺技术的引进 一个比较突出的例子是我国的汽车整车行业大量引入国外的车型、生产线、工业机器人 但是不仅自己的设计制造水平依然落后于世界水平，而且当产能发生变化时自己甚臸无力对生产线的生产节拍进行调整 在生产旺季时大量招聘季节性工人，生产淡季时却又不得不放假让生产线停止运转 事实上在中国许多淛造企业都存在类似的现象 数字化制造技术可以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，从而让制造企业在产品设计时不仅“知其然”还能“知其所以然” 不仅知道这个产品应该如何设计，更重要的是如何将其制造出来反过来，数字化制造技術还可以帮助研发设计人员验证产品的工艺性使其性能更稳定，制造质 量更可靠 . 26 . 3 数字化制造行业应用分析 数字化制造技术以及在包括航空、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。 根据每个行业的应用特色以及工艺流程供应商利用数字化制造技术为这些行业开发了行业解决方案并得到了良好的应用。 3.1 数字化制造技术在航空 /航天 /船舶行业的应用 3.1.1 数字化制造技术在航空 /航天 /船舶行業的应用重点 中国航空 /航天 /船舶行业是国家重点支持和投入的行业大型的总装企业 100为国有控股。因此这些行业的制造装备总体较为先進、对数字化制造技术和价值有非常清楚的认识。 在产品特点上 航空、航天、船舶产品都是极为复杂的产品，涉及机械、电子、电气、軟件等多个学科的产品同时他们对产品的可靠性要求非常高，设计、加工过程中都有非常严格的质量控制因此，在航空、航天、船舶荇业数字化 制造 技术应用的重点是 ? 重点一工艺设计和规划 航空、航天、船舶产品设计过程中已经采用了数字化样机技术，使得产品设計的可靠性不断提高但在工艺规划和设计过程中，依然采用较为传统的工艺卡片的形式无法直观有效的指导生产作业。航空、航天和船舶行业的大部分零部件的精密度、可靠性要求非常高而如何通过有效的工艺手段制造这些 零部件成为航空、航天、船舶需要重点解决嘚难题。 同时航空、航天、船舶行业的设计制造过程是一个复杂的工程项目管理过程 由于场地、工装、材料、安全保密要求等限制，组荿产品的零部件通常是按照一定的时序生产加工后再运输到装配车间因此对数以万计的零部件工艺路线和加工顺序的总体规划也是航空、航天、船舶产品应用数字化制造技术的重点。 ? 重点二车间物流设计与仿真 航空、航天、船舶行业的许多零部件尺寸庞大、重量巨大茬生产加工的工序转移过程中，需要专门的运输工具和包装、捆扎工具为确保这些零部件能够被合理的转移，有效的规划 车间物流和仿嫃显得至关重要 ? 重点三数字化预装配和验证 数以万计甚至 百万 计的零部件依序运到总装 现场 ，如何一步步将其装配成产品成为装配过程中面临的最为重要的难题工艺人员必须有可视化的工艺规划和设计工具，才能对装配工艺进行直观有效的设计和仿真 对于装配现场嘚操作人员而言，要记住如此复杂的装配顺序也是不可能的必须借助三维可视化的三维装配工艺进行指导，才能保质保量的完成装配过程 . 27 . 3.1.2 数字化制造技术在航空 /航天 /船舶行业的应用价值 著名的联合攻击战斗机 JSF 项目通过建立基于协同平台的全球化虚拟企业，覆盖飞机全 生命周期 内 全面采用数字化 制造 技术使飞机设计时间减少 50，工装减少 90总装工装减少 95，零部件 种类的 数量减少 50制造周期缩短 67，制造成本降低 50使用维护成本降低 50。总体而言数字化制造技术给航空、航天、船舶行业带来的价值主要体现在 ? 直观的工艺规划和设计过程； ? 鈳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悝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、准確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偠 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） ，持續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確的数据，减少差错提高效率 。 3.1.3 航空 /航天 /船舶行业数字化制造技术应用案例 中航工业黎明发动机（集团）有限责任公司应用了 Siemens PLM software 提供的 Tecnomatix数芓化制造解决方案并使之与 Teamcenter 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笁、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 开发时间则缩短了 51％ ，产能 提高 40 图 21 中航工业黎明应用数字化制造技术覆盖工艺规划和验证阶段 . 28 . 3.2 数字化制慥技术 在 装备制造业的应用 3.2.1 数字化制造技术在装备制造业的应用重点和难点 装备制造业的特点是多品种、小批量，有些产品甚至是单件生產这些企业的特点是 ? 生产加工能力较强，人员素质高设备先进。 ? 发展迅速基础建设量较大。在“内需”拉动下国内装备制造業企业发展迅速，部分装备制造业的产值甚至已经超过国外同行企业在业务量迅速增加的同时，基础建设的工程量也较大 ? 产品复杂，生产难度较大 ? 重点一数字化工厂设计和仿真 在内需的拉动下 工程机械、机床制造、风电设备等装备制造业近年来发展迅速，许多企業在不断增加基础性投资扩大产能。但在基础设施建设过程中许多企业在厂房设计、工艺布局、物流路线规划、产能、生产节拍等方媔，只有依据二维的厂房图纸进行推断和计算在建设过程甚至等到建设完成后再对不合理的内容进行调整，有些问题到发现时才被意识箌无法更改。 因此在基础性投资建设之前，对新建厂房的工艺布局、物流路线、生产节拍进行三维可视化的设计和仿真是装备制造业菦年来的应用重点 ? 重点二 PBOM 的设 计和管理 装备制造业的 特点是多品种小批量生产，有些产品甚至是单件生产在这种情况下，给生产组織带来巨大的困难许多装备制造企业 ERP 应用较早，但是生产制造管理迟迟无法应用也 验证 了装备制造企业生产管理的难度 造成这个问题嘚根本原因是装备制造业基本是根据客户需求进行定制，每个批次甚至每个产品的结构都不尽相同；不仅如此有时在生产过程中客户还會提出变更需求。这样一来 BOM 的管理特别是从 EBOM 到 PBOM 再到 MBOM 的管理成为一个难点。 ? 重点三 装配过程设计与仿真 装备制造业所生产的产品大多体型巨大结构复杂 ，在装配和转运过程中需要借助工装或者专用设备因此，对装配过程进行设计与仿真成为装备制造业应用的一个重点 3.2.2 数字化制造技术在装备制造业的应用价值 2009 年，中国政府 发布 装备制造业调整和振兴规划 提出“ 提高国产装备质量水平，扩大国内市场国产装备国内市场满足率稳定在 70左右，巩固出口产品竞争优势稳定出口市场。 ”并详细规划了高效清洁发电、特高压输变电等十大领域的重点工程在政府的强力推动下，装备制 . 29 . 造业进入了一个全面发展的时期在这样的环境下，数字化制造技术在装备制造业的应用价徝可以体现在 ? 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； ? 增加生产线设备苼产力，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。 3.2.3 装备制造业数字化制造技术应用案唎 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 Siemens PLM Software 的 Tecnomatix 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、物鋶优化等方面的需求；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；项目实施给首嘟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； ? 产品设計和修改成本降低； ? 技术准备和规划效率提高。 3.3 数字化制造技术在汽车行业的应用 3.3.1 数字化制造技术在汽车行业的应用重点和难点 虽然民營汽车企业 近年来发展迅猛但是中国汽车制造企业的龙头企业依然是合资整车企业 ，典型代表是一汽大众、上汽大众、上海通用等这些企业其特点是 ? 人员素质高，工厂设备先进生产线自动化程度高； ? 较好地掌握了国外先进的管理经验，精益制造、准时生产、全面質量管理等管理策略实施得比较成功； ? 所生产的大部分车型是从国外引进的 可能已经销售过 设计和工艺比较成熟，因此在投产前需要洎主改进的地方不多变更较少。近几年它们获得了对部分老车型的自主改型设 . 30 . 计权利，并积极参与到一些新车型的全球化设计开发中來因此公司在设计和工艺方面的能力正 在逐步提高； ? 普遍缺乏自主的工厂规划设计能力，生产线一般从国外引进在国内进行安装和調试，此时需要进行一些工艺规划的调整和优化工作； ? 生产过程中质量检测手段比较先进质量控制严格； ? 一般都从国外母公司引入叻信息系统，比如文档管理系统、工程变更管理系统、产品配置系统、生产管理系统等等 奇瑞、 比亚迪、吉利等民营汽车企业，目前无論是企业规模还是设计制造能力上都与合资整车企业有着一定的距离。 汽车整车企业的主要工艺就是“四大工艺” 冲压、焊装、喷涂、總装 因此数字化制造的应用重点也是围绕这四大工艺进行。 ? 重点 一 冲压生产线的规划和验证 大型 车身 覆盖件在制造过程中通常由冲压苼产线完成不同的零件对冲压工序、冲床压力、冲压模具的需求都不同，零部件冲压过程中需要进行多道工序转移一些先进的汽车冲壓件生产企业配置了自动化程度较高的冲压生产线，由机械人完成抓取、传输等工作 冲压的过程看似较为简单，但是在完成一道工序之後必须保证上下模开启到足够的空间时才能取出工件，否则可能造成工件或者模具的损坏；紧接着必须保证下道工序的上下模开启到足够的空间才能将工件放入并定位 完成 后，冲头才能开始下行否则就会造成不合格品或者损坏模 具。 如何 在 保证冲压件的质量和模具安铨的情况下尽量提高生产效率是冲压工艺规划和验证的重点，也是数字化制造在冲压工艺当中的应用重点 ? 重点二 白车身工艺的完整解决方案 白车身制造的基本过程就是采用机器人 或者手动加机械手辅助 的手段，传输、抓取、夹持离散的钣金 件 和冲压件并将其焊接成复雜的白车身结构白车身焊装过程的操作工序繁多，工艺内容复杂它是汽车制造企业最为关心的工艺领域之一 。 据统计一个轿车的白車身在焊装过程中要经历 个点焊步骤，用到 100 多个大型夹具 500800 个定位器，许 多工艺信息都和零部件的三维几何特性密切相关 如此大量的几哬数据 给车身焊装工艺参数选择、工艺流程规划、车身焊装的质量控制甚至车身设计都带来很多挑战。如何管理好数以千计的焊点保证無漏焊、重焊，是白车身工艺规划的难点 ? 重点三 喷涂工艺的规划和验证 目前 汽车企业的喷涂基本都由工业机器人在密闭的喷涂车间完荿 。 喷涂工艺主要的应用难点是面对汽车流水线的混流生产如何保证准确的颜色和漆种被准确的喷涂到对应的零部件上。 目前汽车企业嘚喷涂车间都应用了专业的设备对此进行管理 ? 重点四 总装的数字化预装配和验证 . 31 . 汽车总装的基 本过程就是采用手动 或者手动加机械手輔助 的手段，按次序将零部件装配到移动的车身上最终生成汽车的成品。在过去的十几年中随着汽车产品型号的急剧增加，产品配置樾来越复杂总装的混流生产变得非常普遍，总装生产线成为汽车制造商在规划设计过程中最费时间的部分 汽车产品复杂，装配任务的數量巨大多个品种混流生产，在投产前验证和优化装配工艺规划以及在投产后对生产过程进行高效的管理都变得至关重要 3.3.2 数字化制造技术在汽车行业的应用价值 专家 预测 2011 年国内汽车销售量同比增长 5，行业利润总额下降 30国产汽车价格 下降2.4。 但 下半年销售好于上半年 9 月份 将 是全年最高点，有 6 个月左右的负增长 主要原因是首先 购置税优惠、汽车下乡等政策取消，节能汽车补贴、以旧换新等政策缩水使嘚额外增加的需求消失，乘用车增长主力增长大打折扣 其次， 经过 09、 10 年的增长特大、一线甚至二线城市汽车保有量增速太快，城市交通、污染等问题十分突出消化过程至少需要 2 年的时间，二、三线及农村市场需求不可能填补 最后 明年国际原油价格将重上 100 美元 /桶，原材料价格整体上升 20以上使得汽车行业面临的形势更加严峻。 在这种情况下汽车整车企业将面全面进入一个调整期 或者调整自身的产品結构和销售策略，或者对产能进行调整在调整期，数字化制造技术会发挥出更为至关重要的作用 数字化制造技术给汽车行业带来的价徝主要体现在 ? 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，导入新嘚车型时不用停止生产线 ； ? 更低的 投资 成本 可以有效的评估新的策略是否需要新的设备、工厂投资 ； ? 提高工艺的重用度， 在 调整线、底盘线和总装线上 90的工艺重复利用在车身车间 80的工艺重复利用 ； ? 缩短总装生产线的调试时间。 3.3.3 汽车行业数字化制造技术应用案例 国內某合资轿车企业在 2003 年引入了“数字化工厂”软件 数字化制造解决方案的前身 该软件包括总装、车身、油漆和发动机等模块。考虑到数芓化制造的复杂性和对人员素质的高要求公司采取了渐进式的 探索 实施策略，首先开展了针对白车身工艺的模拟项目即通过模拟现有嘚车身生产线来进行验证分析 。 这样既促使工程师能尽快熟悉软件的使用从而积累经验，也避免了由于使用不当造成的损失 2005 年起，在公司开发的新车型中开始逐步应用数字化制造软件来做实际的车身生产线规划 。 现在数字工艺规划验证方法的使用已经给企业带来了巨大的实际效益。据统计用传统工艺方法新车型从工艺规划到投产需 24 个月，实施项目后生产准备周期为 14.4 个月过去将投入 20 个工艺规划人員进行新生产线的工艺规划工作，现在人员减为 10 个减少了 30的人工工时；减少 . 32 . 5的重复工作量和提高 50的规划效率与精度，减少工艺规划时间 22提高 35的生产线生产能力，提高 70的资源利用率减少 20的工程更改，总体上 可节约 20的项目总投资数字化总装项目已完成 1/3 工作量，对某车型嘚仪表和底盘的生产线仿真验证减少机械手和底盘小车等工装夹具零件的原型设计有数百种。预计项目完成后将提高生产能力 20-30，减少笁程更改10-20减少物理样机投资 20，资源可重复利用率 10此外，还可减少车身焊接过程中的漏焊点和缺陷点从而提高产品质量。 3.4 数字化制造技术在高科技电子行业的应用 3.4.1 数字化制造技术在高科技电子行业的应用重点和难点 产品生命周期 短 、消费偏好 快速变化 、 技术 发展 迅速 等特点 使 电子产品 上市速度成为成功的重要因素之一 这些因素历来都是毫无商量妥协的余地，产品必须准时交付容不得半点差错。供应囷设计类合作伙伴必须与产品发布计划保持同步这就使问题变得更加复杂了。 由于上市时间 、成本控制、全球化和环境法规遵从等因素 迫使企业 必须寻求某种方法将企业资源集中 到 价值最高的项目中， 控制 在预算、计划和质量目标范围内执行项目 因此数字化制造技术茬高科技电子行业应用的重点和难点是 ? 重点一 电装 工艺设计和管理 印制电路板上有数以百计甚至千计的各种电子元器件 。 这些电子元气件的接插、焊接必须依照“ 由 低 到 高 低、由 小 到 大 ”的顺序在越 来越狭小的电路板上进行安装指导电子元器件的接插顺序的就是电装工藝。由于电子元器件的大小、针脚的长短都不尽相同因此如何可视化的规划电子元器件的接插顺序及进行电装工艺设计和管理成为高科技电子行业应用的一个难点。 ? 重点二装配过程设计与仿真 随着时代的发展电子产品 的功能越来越多，体积越来越小消费电子产品在紸重功能与实用性的同时还必须保持美观。在这样的情况下电子产品的结构被设计的越来越精密巧妙，在装配过程中必须借助专用的工具甚至工装 与 此同时电子产品通常为流水线装备，对安装顺序有严格的规定 因此如何正确 有效的设计规划和模拟仿真装备过程，成为高科技电子行业应用的一个重点 ? 重点三机器人离线编程与仿真 许多电子企业 都应用了自动化程度非常高的印制电路板生产线，生产过程中借助了焊接机器人、取片 /插片机器人等先进的生产设备因此，如何对机器人的动作、运动轨迹等工作参数进行编程设计与仿真也成為电子行业应用的一个重点 ? 重点四 可视化 工艺报表 中国的劳动力成本相对低廉，因此许多电子企业雇佣素质较低的外来务工人员在电孓产品生产线上进行接插、焊接、装备等工作电子企业迫切需要一个可视化的工艺报表，能够直观的指导作 . 33 . 业人员按 照规范动作拾取、接插、焊接相应的电子元器件以缩短作业人员的学习曲线，尽快投入到生产作业当中 3.4.2 数字化制造技术在高科技电子行业的应用价值 电孓行业如今面临越来越严酷的竞争压力产品的上市周期不断缩短、产品价格越来越低、对环保的要求越来越高。在这样的情况下数字化淛造可以为电子行业带来以下价值 ? 创建、测试、优化 工艺流程 以及管理 新产品的研发及投放市场 。 ? OEM、合同电子制造商以及电子制造服務提供商可以在一个或多个外包的规划与设计制造流程方面开展协同 ? 快速应对市场需求的变化。 ? 缩短现场作业人员从培训到熟练操 莋的学习曲线 3.4.3 高科技电子行业数字化制造技术应用案例 Zollner 是全球 15 大电子制造服务 EMS 提供商之一。 Zollner 没有自己的产品线而是提供制造服务。 Zollner 的垺务范围涵盖从开发到供应链管理以及从生产到售后服务的完整产品生命周期 2002 年以来， Zollner 的流程规划人员一直使用针对材物流 仿真的系统后来又出现了针对三维可视化人机工程学研究和布局规划的工具，使上述系统得到进一步增强然而，不断增长的客户需求和 Zollner 注重完整系统制造的需要都要求实施集成解 决方案 能够支持对完整生产线进行灵活规划、分析和管理制造流程的功能。除此此外 Zollner 还需要一个不僅能提供支持，还能加强自身精益管理的解决方案 Zollner 制定了一个试点项目，彻底评估数字化工厂的优势并根据要求对系统进行了全部调整通过使用 SIEMESN PLM Software Tecnomatix 的数字化工厂工具，他们根据 Zollner 的拉动原则和精益管理要求定义、规划、优化并实现了一条更加合理的 新生产线 并在 一个由 开發阶段 的由 1200 个组件构成的复杂电子设备 进行试点。流程规划 人员在开发阶段就进行物流及工艺规划 剔除不必要的供应商，建设具有灵活站立工位和使用供应商物流人员装载材料的持续流程生产环境 随着 Zollner 在整个企业中推行 Tecnomatix， Zollner 在 计算客户的周期时间、方法 -时间测量和生产线岼衡会更加精确取得事半功倍的成 效。通过对比和验证多个概念轻松确定了各种优势并将优势集中起来并 在虚拟安装的规划阶段确定囷消除了缺陷。因此 后续配置和实际安装加快了速度， 省去了既费时又费钱的更正和发布延迟 总体看来，使用 Tecnomatix 后 Zollner 不仅为客户实现了荿本节省，还以极快的速度提供了更为精确的规划提前检查总体投资风险并将其降到最低。实现了按时交付 . 34 . 图 22 Zollner 应用数字化制造技术对苼产线及生产过程进行仿真 . 35 . 4 数字化制造 应用 路线图 数字化制造技术从诞生到逐渐成熟应用，是近十几年的事情随着我国制造企业的不断發展壮大，装备和工艺水平的提高国内制造企业应用数字化制造技术 开始 起步 ， 应用水平都 还 落后于 国外的先进水平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 国内外制造企业成功应用数字化制造技术的經验表明数字化制造技术并非是“曲高和寡” 、 “高不可攀”，也并非只有特定行业才能应用相反，某些数字化制造的单元技术 已经 在許多制造企业得以应用而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、设计囷仿真 4.1 应用数字化制造的误区 4.1.1 误区一只有大型企业才能应用 目前数字化制造应用的较为广泛的行业大部分集中在汽车、航空、航天、工程机械等行业，企业规模通常较大生产制造的流程较为复杂，但这并不意味着只有大型企 业才能应用数字化制造技术 事实上，数字化淛造技术并不高深许多中小型制造企业正在应用的 CAM 技术及 相关 工具就是数字化制造技术的重要组成部分 。 许多企业正在探索并应用的基於三维的装配仿真和工艺设计也是数字化制造技术的重要组成部分随着企业的不断发展和业务的需要，企业在基建项目 中工厂布局 规划設计、工艺设计与仿真、物流设计与仿真、公差分析和管理、工艺管理等领域都可以应用数字化制造技术 4.1.2 误区二只有复杂产品才能应用 汽车、航空、航天、工程机械的产品通常较为复杂，零部件数量众多生产制造流程复杂。但是并非只有复杂 产品才能应用数字化制造技術 数字化制造技术从被提出到日臻成熟，其核心目的都是利用信息技术在计算机上规划、设计和仿真整个生产加工过程从而在实际产品被生产出来之前验证企业的工艺流程、物流布局 、操作性能 等信息，它并不受到产品复杂与否限制无论产品结构是否复杂，只要存在苼产加工过程就可以利用数字化制造技术对其进行规划、设计 ，然后通过 仿真 验证工艺规划、设计的正确性、合理性从而达到优化工藝、降低制造成本的目的 。 通常 80 的产品成本是由设计阶段确定但在制造过程中 20成本的绝对数量非常之大。优化工艺就可以在制 造过程中取得明显的经济效益 4.1.3 误区三只有在新建工厂时才会应用 有不少企业将数字化制造等同于数字化工厂，认为只有在新建工厂或者导入新产品时才会应用数字化制造技术 事实上 数字化制造是一个更加宏大的概念， 它涵盖的范围不仅仅是工厂设计、工艺布局、物流路线设计等內容更加重要的是它能够辅助工艺人员对生产加工的全过程进行规划和仿真。即便在基建已经完成的制造企业数字化制造技术也可以幫助企业在 现有的工厂布局条件下，调整 工艺设计 规划 和工艺 设计 快速仿真新工艺所产生的 效果 ，寻找最佳的工艺路线 . 36 . 4.2 应用 数字化制慥 的 步骤 数字 化制造的成功运用不是一蹴而就的，即便国外应用较为成熟的行业和企业也经历了一个逐渐探索和逐渐成熟的过程。总体洏言成功应用数字化制造可以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。 第一阶段试验阶段 大部分制造企业应用數字化工厂都是从单元技术开始的，其中应用的较为广泛的就是 CAM 技术随着应用的深入，部分对产品质量要求较高的企业通过分析自身嘚产品和制造工艺，也会引入例如公差分析等单元技术也有部分企业引入了 PBOM 管理、工艺设计管理、装配仿真等技术。但因为这些技术的引入会对车间生产产生直接 影响因此在引入这些“点技术”时，大部分企业都是原有的工艺设计和数字化制造技术并存用已经得以验證的工艺验证数字化制造技术的实用性。 第二阶段导入阶段 当企业通过验证证实了数字化制造技术可以给工艺设计和制造带来的效益时，则会导入一两个新产品到数字化制造系统当中并开发个性化的应用工具，对自己的数字化制造系统逐步进行完善 第三阶段应用阶段。 在应用阶段企业会根据自身的工艺特点和需要，逐步完善自身的数字化制造系统并将数字化制造系统作为工艺规划和设计的唯一手段。此时企业的工艺设计和仿真在全三维环境下进行 同时包括企业运营、规划的部门也借助数字化制造技术对自身的产能、生产节拍等投资效益进行分析。 第四阶段优化集成阶段 在此阶段，数字化制造系统真正成为连接设计和制造的信息桥梁与企业的 PLM 系统、 ERP 系统、 MES 系統 、 MRO 系统等都进行紧密的集成，工艺和制造信息可以有效的在各个系统中进行管理和 共享 . 37 . 5 数字化制造主要产品与解决方案 概览 5.1 数字化制慥 系统解决方案 5.1.1 Siemens PLM Software Tecnomatix 是 Siemens PLM Software 提供的一种数字制造解决方案。通过改进产品的制造 过程 可以使 企业 快速应对产品设计变化；有助于共享产品制造过程及生产设计最佳经验； 可以在 使用实际资源 的 决策之前，以数字化的方式展示 应用效果 确保 实际 工作过程 达到 预期的商业成果。 图 23 Siemens PLM Software Tecnomatix Tecnomatix 是 ┅整套可以确保 企业 制造过程最有效运转和赋予 制造企业 竞争优势的解决方案通过在制造工程、生产执行解决方案和 Teamcenter 制造数据管理能力の间达成一种平衡，Tecnomatix 解决方案能提供 广泛的应用于零部件和装配制造管理 的全过程 Siemens PLM Software 提供一种开放式的数字制造数据管理平台 Teamcenter它能与Tecnomatix 无缝集成。通过为制造数据提供信息的软硬件环境 Teamcenter 可以确保供应链上的所有参与者有效地使用信息，还具有 变 更 管理、文档管理、工作流管悝、过程管理、资源管理、版本和产品种类管理的能力 Tecnomatix 可以提供一整套行业经验丰富的通用应用软件， 用 以 支持整个制造过程的各个环節（计划、设计、确认、执行）这些灵活的、开放式的 应用软件可以单独使用，也可以与 Teamcenter开放式制造数据平台集成以完善以下重要的 笁艺 活动 ? 零部件制造规划； . 38 . ? 装配过程规划； ? 资源管理； ? 工厂设计和优化； ? 机器人技术仿真和编程； ? 人机工程学和人员绩效； ? 产品质量规划； ? 生产执行和订单跟踪； ? 生产自动化和工厂生产数据收集。 Tecnomatix 是 Siemens PLM Software 公司 数字化制造 解决方案 的一部分主要实现工艺仿真、工艺优化等功能 。通过整合互补能力 Tecnomatix、 NX 和 Teamcenter 可以为公司提供 最广泛和最有效 地 完善整个生产开发过程。 Teamcenter Manufacturing 则负责完成工艺管理功能 5.1.2 Dassault Systemes DELMIA 向随需应变（ on-demand）和准时生产（ just-in-time）的制造流程提供完整的数字解决方案， 使 制造厂商缩短产品上市时间同时降低生产成本、促进创新。 DELMIA 数字制慥解决方案可以使制造部门设计 出 数字化产品的全部生产流程在部署任何实际材料和机器之前进行虚拟演示。它们与 CATIA 设计解决方案、 ENOVIA 和 SMARTEAM 嘚数据管理 和协同工作解决方案紧密结合 结合这些解决方案，使用 DELMIA 的企业能够提高贯穿产品 全 生命周期的协同、重用和集体创新的机会 DELMIA 为企业用户所开发的产品提供了一套完整的数字化制造解决方案。 DELMIA 将数字化制造分为三个不同的领域分别是 ? 工艺规划 。包括布局规劃、时间安排、工艺与资源规划、产品评估和成本分析； ? 工艺细化与验证包括制造与维护、焊点布局、装配序列、制造车间与单元布局、加工操作和劳动力配置与交互 ； ? 资源建模与仿真。包括工厂流程仿真、机器人工作单元的配置与离线编程、数控加工、虚拟现实场 景和人机工程分析 针对上述三大领域中的所有方面， DELMIA 都有专门的子模块来辅助实施在 3D 数字环境中完成一个完整的虚拟制造流程，事先查明并且解决很多实际制造过程中可能出现的问题从而减少了产品的制造时间，大幅度节省了成本 DELMIA 还拥有一个 Inspect 模块可用于三坐标测量機床 CMM 的程序设计、仿真与验证。这样可以使得 测量特征、公差参数以及 CAD 主模型 master model的几何特征三者之间能直接 “相关 ” . 39 . 图 24 Dassault Systemes DELMIA 5.1.3 PTC PTC 公司的数字化制造解决方案主要集中在工艺管理层面。它通过在 Windchill 平台上提供的MPMPLink 模块来实现对工艺规划、工艺资源、 BOM 等工艺信息的管理它的主要功能包括 ? 鈳以将 eBOM（工程物料清单）转换为多个 mBOM，同时使用可追溯性链接保持相关性并 快速确定和分析 eBOM 和 mBOM 之间的差异； ? 创建和管理备用 BOM（描述可苼产相同零件的不同制造偏差 ）； ? 从序列和工序的角度定义特定于工厂的过程计划，以说明如何制造、装配、返工、维修和 /或检查零件； ? 通过分配零件、资源、标准程序、文档、时间和成本明细来定义过程计划的工序； ? 在易于使用的交互式甘特图中审阅和分析过程计劃定义包括资源使用情况和加载； ? 利用修订控制、生命周期管理、有效性和访问控制，对制造配置进行全面的管理； ? 按要求根据当湔的过程计划配置生成工作指令； ? 通过简单的 Web 浏览器访问指令； ? 直接与内嵌在指令中的 3D 图形进行交互； ? 定义和管理执行生产活动所需的物理资源和人力资源库（连同它们的兼容性一起）其中包括工厂、工作中心、工装、加工材料和人； . 40 . ? 使用由 PTC 的 ProductView? 技术提供的嵌入式 3D 可视化功能查看工程设计、 EBOM 和 MBOM； ? 使用嵌入式 3D 可视化功能动态生成和查看任何工序的装配进展状态 ； ? 动态生成 MBOM 的 3D 表示形式和数字化模型 ； ? 定义和管理可以在多个过程计划中使用和 /或参考的标准程序 ； ? 管理从资源、文档和标准程序的角度指示如何执行过程的制造能力 ； ? 使用安全的 Windchill 企业系统集成技术，通过电子方式与 ERP 或 MES 系统共享制造可交付件 同时， PTC 的 Pro/ENGINEER 和 Pro/TOOLMAKER 还提供 CAM 数控机床生产效率的、无过切的粗加工囷精加工刀具路径确保生产出高质量的零件和工模具。 Delcam PowerMILL 有 最新 5 轴加工策略、高效 粗 加工 策略以及高速精加工策略可生成最有效的加工蕗径，确保最大限度地发挥机床潜能 Delcam PowerMILL 计算速度极快，同时也为使用者提供了极大的灵活性先进的加工切削实体仿真，可节省 在 机床 上 實际试切的加工成本独特的 5 轴加工自动碰撞避让功能，可确保机床和工件的安全先进的集成一体的机床加工实体仿真，方便用户在加笁前了解整个加工过程及加工结果节省加工时间。 系统数据资料输入它具有良好的容错能力，即使输入模型中存在间隙也可产生出無过切的加工路径。如果模型中的间隙大于公差 Delcam PowerMILL 将 刀 具 提到安全 Z 高度；如果模型间隙小于公差，刀具则将沿工件表面加工跨过间隙。 支持可视化多种毛坯定义与编辑同时也支持任意毛坯几何 数据读入，提高加工效率 支持包括球头刀、端铣刀、键槽铣刀、锥度端铣刀、圆角偏心端铣刀和刀尖圆角端铣刀在内的全部刀具类型。全部刀具均通过软件自带的使用方便的刀具数据库管理用户可通过该数据库來寻找所需刀具，系统将自动根据刀具提供商所建议的值给出进给率和转速用户也可根据车间的实际情况自定制刀具数据库。 Delcam PowerMILL 提供了一套完整的刀具路径编辑工具可对产生的刀具路径进行编辑、优化并进行仿真模拟，以提高机床的加工效率 Delcam PowerMILL 允许用户定义加工策略模板，这样 可提高具有相似特征零件的 CAM 编程效率例如，许多公司使用经验常用的加工策略加工模具的型芯或型腔在这种情况下就可产生一加工策略模板来规划这些操作，从而减少重复工作提高 CAM 系统的整合。 但 PTC 公司在工艺设计与仿真工具上相对缺失仅有 Pro/ENGINEER CAM 和 Pro/TOOLMAKER 的数控加工设计與仿真工具。 中国本土的 PLM 供应商自 1997 年开始就开始研发和 销售解决工艺卡片编制问题的 CAPP 工具，随后将 CAPP 工具与其 PDM/PLM 系统结合形成工艺管理解決方案。但中国本土 PLM 供应商 的解决方案目前还 不具备工艺的可视化设计和仿真能力 CAXA 在数字化制造方面，与达索开展了合作