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智能制造的核心:数字化制造

供稿:中国工控网 2016/7/20 9:02:45

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说到智能制造,其核心关键就是数字化、网络化和智能化,而数字化又是智能制造的基础和关键,因此,数字化制造在智能制造中起着举足轻重的作用。

 

    首先,我们来看一下现代制造业发展的趋势。智能制造是新一代信息技术与制造业的深度融合,随着像大数据、云计算、物联网、3D打印等新兴IT技术的出现和交叉使用,我们的制造业正在发生巨大的变化,可以这么说,现代的制造业正在发展成为某种意义上的信息产业。对于智能制造,同时还强调了一大主题,那就是智能服务,我们的制造业企业正在从传统的生产型制造向服务型制造转变,从卖产品卖制造向卖服务转变,始终保持以客户为中心,因此,现代的制造业正在发展成为某种意义上的服务业。过去,企业强调规模,强调大而全的生产组织模式,什么事情都想自己搞,现在,随着市场和客户的需求变化越来越快,越来越多样化,企业的分工越来越细,专业化程度越来越高,传统的组织模式已经跟不上节奏,整合全球化制造资源、建立全球化企业联盟成为一种趋势,这就好比天下为我所用,由此可见,传统大而全的企业组织模式正在向全球化企业联盟模式发展。


下面,我们引用国际数据公司IDC2016全球制造趋势预测中的两组数据来看看未来几年制造业的动态和发展方向。其中一组数据是关于“用数字化手段进行制造工艺过程规划”,这里面提到:到2017年,40%的大型制造商将会使用虚拟仿真对他们的产品、制造工艺过程和服务交付进行建模,以优化产品和服务创新。另一组数据是关于“生产车间创新”,这里面提到:到2017年,50%的制造商将利用云计算、移动和高级分析的协同效应促进生产车间创新的、集成的工作方式。

 

    数字化将对中国制造业带来哪些挑战呢?首先,来自产品质量。客观讲,我国产品整体合格率不高,质量也不太稳定,对于装配类产品,零部件之间间隙比较大,外观也相对粗糙,产品的使用寿命相对较短,特别是在使用环境较为严酷的情况下,容易失效,使用者的体验感不是太好。其次,来自试制周期。我国制造企业通常是通过试生产的方式来验证生产工艺,很多时候都是凭借工艺及作业人员的个人能力来进行工艺规划和设计,因此对于那些复杂的零部件,其工艺稳定周期很长,这样就严重影响产品的上市周期。再次,来自产品的可制造性。我国大部分制造企业依然采用以文字描述为主的二维工艺卡片进行工艺设计,工艺信息采用非结构化的方式表达,难以传播重用和数据统计分析,在进行工艺设计时难以直观了解现有机器设备的情况,工艺设计结果难以进行仿真分析,只有在实际加工时才能进行工艺合理性验证。最后,来自制造工艺知识管理。我国部分制造企业,其制造工艺知识主要存在于个人脑海中,由于人员的流动而产生流失,缺乏对制造工艺知识的有效积累和传承,工艺的规范性和标准化程度较低。


    那么,针对以上提出的中国制造业所面临的制造瓶颈挑战,对于中国制造企业来说又能够通过什么样的方式或途径来提升制造能力呢?我们认为,数字化制造是中国制造业提升制造能力的关键途径之一。数字化制造技术可以帮助企业用结构化、虚拟化、可视化的方式进行工艺规划、设计、验证和管理。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,结合工艺规划、设计、仿真功能,可以模拟物料在车间的流转路线,帮助工艺人员优化工厂布局和工艺路线,使得工厂的生产线效率更高。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,让设计人员在产品生产之前就可以对产品的可制造性进行调整,真正实现面向制造的设计,这样可以使得设计质量水平得以提升。数字化制造技术可以将存在于个人脑海中的工艺知识抽取并积累到知识库中,实现工艺的规范化和标准化,并且可以通过对标准工艺、工序、工步的总结,形成典型的工艺模板,实现工艺知识的重用,提高工艺设计效率。

 

    那到底什么是数字化制造?我们来看一下CIMdata对数字化制造的定义:数字化制造是用来支持工程学科之间(如设计和制造)有效的、协同的制造工艺过程规划。数字化制造是产品生命周期管理中一个关键的组成部分。可能大家还是有点不清楚,我们再来看另外一条对数字化制造的定义:数字化制造是连接数字化设计和实际制造的桥梁,通过一系列工艺、工厂的数字化设计和管理工具,在实物产品被制造出来前,用数字化、虚拟化、结构化、可视化的方式进行制造工艺规划、设计、仿真和管理,以优化产品的制造工艺方案与过程。


    我们解释了什么是数字化制造,那么为什么需要数字化制造?从一个调查数据显示,在产品的研制周期中,约有40%-60%的时间是消耗在生产准备阶段,而该阶段最主要的工作又是制造工艺的规划和设计,从目前中国制造企业来看,大多数企业在产品的研发部门都实现了产品CAD设计,同时,很多企业在生产现场也大量的采用了自动化设备,但是,普遍存在的现象就是对于工程工艺部门,其工艺规划和设计的手段却相对最为落后,多数企业往往会忽视这一块,这一点是我们在长期的实践中体会较深的。而数字化制造系统正是为了提升工程工艺部门的核心能力,连接数字化设计和实际制造之间的桥梁. 

 

    我们在前面引用IDC2016全球制造趋势预测中第一组数据时,涉及到了一个概念,那就是Digtal Twin,我们称之为数字双胞胎或者数字孪生或者数字镜像。对于Digtal Twin我们可以理解成利用虚拟制造和数字样机等技术,在虚拟的数字世界里按照真实的物理产品或者工厂产线建立的一套对应的数字化表达,在虚拟空间中完成对真实物理产品或工厂产线的映射,就好像镜子中的影像。通过传感器等手段收集真实物理产品的数据,并反馈到虚拟空间中的数字化镜像,对其进行仿真模拟,通过仿真模拟得到的真实参数又反馈给实际的产品。这样我们就能及时分析评估产品是否需要维修,做到预测性维护,并且能够不断的对产品和服务进行优化。同时,我们也可以在实际厂房没有建造之前,建立对应的数字化模型,在虚拟空间中对工厂进行仿真和模拟,并将真实参数传递给实际的工厂建设,实现两者之间的信息交互。所有的这些都是一种从虚拟到现实的演进过程,数字化制造正是打通虚拟与现实、数字与物理世界的桥梁。


    我们提到数字化制造是连接数字化设计和实际制造的桥梁,从产品生命周期以及业务的关联性角度,对于制造企业而言,我们应该打造的是一体化的设计制造管理平台,如图1所示。在这个平台中还应加入对于维护服务的支持,实现从产品研发设计到工艺规划到生产制造再到维护服务,贯穿产品的生命周期价值链。在该平台中,企业级BOM作为核心,贯穿整个生命周期,从设计BOM到工艺BOM到制造BOM到试验BOM最后到维护BOM,建立了一条以BOM为中心的主干。在这个一体化的平台中把虚拟世界同物理世界有机的融合在了一起。


    一体化设计制造强调设计与制造的协同和并行,如图2所示,在产品设计的早期阶段就要考虑产品的工艺性,及早发现问题,而不是等到实际产品生产出来后再发现问题。同时,利用数字化手段,建立Digital Twin,实现实际产品同数字化镜像之间的信息交互,从而不断的优化产品和服务。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一的虚拟平台上对自己设计的产品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。


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审核编辑(郑益文)
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