數(shù)字化制造技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用研究

鄭嬡 于梅

（中國第一汽車股份有限公司 工程與生產(chǎn)物流部，長春 130011）

主題詞：汽車PLM 數(shù)字化制造 智能制造

縮略語

MBD Model Based Definition(基于模型的定義)

CAD Computer Aided Design(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))

CAE Computer Aided Engineering(計(jì)算機(jī)輔助工程)

CAM Computer Aided Manufacturing（計(jì)算機(jī)輔助制造）

CAPPComputer Aided Production Planning

（計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)規(guī)劃）

PDM Product Data Management(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)

BOM Bill Of Material(物料清單)

MBE Model Based Engineering（基于模型的工程）

PLC Programmable Logic Controller(可編程控制器)

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）

HMI Human Machine Interface（人機(jī)界面）

PLM Product Lifecycle Management

(產(chǎn)品生命周期管理)

AR Augmented Reality（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）

VR Virtual Reality(虛擬現(xiàn)實(shí))

MR Mix Reality(混合現(xiàn)實(shí)),

1 前言

制造業(yè)作為國家重要的支柱產(chǎn)業(yè)，受到了全球各國的關(guān)注，并認(rèn)為是振興實(shí)體經(jīng)濟(jì)和新興產(chǎn)業(yè)的核心，是提升國家核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。在此大背景下，各國制定了適合本國國情的發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃，包括德國提出的代表第四次工業(yè)革命的工業(yè)4.0（INDUSTRIE 4.0）[1]。我國2015年正式推出“中國制造2025”宏大計(jì)劃，而智能制造是“中國制造2025”的主攻方向[2]。

智能制造是一個(gè)相對(duì)較為宏觀的大概念，它貫穿于產(chǎn)品、制造和服務(wù)全生命周期，通過先進(jìn)的信息技術(shù)與制造技術(shù)結(jié)合，智能制造將各領(lǐng)域系統(tǒng)的優(yōu)化集成，實(shí)現(xiàn)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，從而逐步提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、效率和服務(wù)水平[3]。

智能制造在其發(fā)展進(jìn)程中被業(yè)內(nèi)專家總結(jié)、歸納為三個(gè)階段，并得到了普遍認(rèn)可。第一階段為數(shù)字化制造，大量應(yīng)用數(shù)字化裝備、數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化建模與仿真等技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化能力構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)從自動(dòng)化、信息化向數(shù)字化、智能化的邁進(jìn)。第二階段為數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化制造，通過IT技術(shù)和制造業(yè)技術(shù)深度融合，將孤立的數(shù)據(jù)、流程等信息集成串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間的高度協(xié)同，從而為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。第三階段為數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造，即應(yīng)用數(shù)字化雙胞胎、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、人工智能等新一代智能制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)戰(zhàn)略性突破[4]。

數(shù)字化制造是智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)智能制造的必由之路，強(qiáng)調(diào)使用先進(jìn)信息通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)[5]。隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)已進(jìn)入數(shù)字時(shí)代。在數(shù)字化背景下，面臨數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展，制造業(yè)迎來了極大的挑戰(zhàn)。汽車行業(yè)作為制造業(yè)核心產(chǎn)業(yè)也不例外，面臨供應(yīng)鏈全球化、客戶個(gè)性化定制、嚴(yán)苛的環(huán)境法規(guī)等挑戰(zhàn)，必須進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新與數(shù)字化轉(zhuǎn)型。The Boston Consulting Group[6]咨詢公司發(fā)表文章指出，采用數(shù)字化制造技術(shù)的汽車制造業(yè)，產(chǎn)品研發(fā)效率可以提升3%～5%，縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間3～6個(gè)月，降低物料成本2%～3%，降低產(chǎn)品保證期成本3%～5%，因此采用數(shù)字化制造技術(shù)可以促進(jìn)企業(yè)收益顯著增長。

本文從汽車制造業(yè)角度出發(fā)，結(jié)合企業(yè)數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程的經(jīng)驗(yàn)，從數(shù)字化制造的體系框架、關(guān)鍵技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)啟示進(jìn)行簡(jiǎn)明闡述。

2 數(shù)字化制造概述

對(duì)于數(shù)字化制造的定義，國內(nèi)外不同行業(yè)持不同的觀點(diǎn)。

美國數(shù)字設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新研究院（DMDII）認(rèn)為，數(shù)字化制造將產(chǎn)品全生命周期的所有數(shù)據(jù)（如產(chǎn)品、流程等）進(jìn)行了采集、匯聚、分析與應(yīng)用[7]。麥肯錫的Aaron Aboagye認(rèn)為，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期，數(shù)字化制造技術(shù)通過三維建模、MBD和全生命周期管理方式，協(xié)助企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，打通業(yè)務(wù)流程，縮短生產(chǎn)制造周期，降低產(chǎn)品成本[8]。中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)認(rèn)為，數(shù)字化制造是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與制造技術(shù)的融合，隨技術(shù)的更新，不斷發(fā)展，最終被廣泛應(yīng)用。以數(shù)字化定量表述、存儲(chǔ)、處理和控制為主要手段，支撐企業(yè)完成產(chǎn)品全生命周期的全局優(yōu)化[9]。

3 數(shù)字化制造經(jīng)歷了以下發(fā)展。

第一階段，利用設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)零件、組建和部件級(jí)的三維模型，形成初級(jí)的以幾何為中心的部件及數(shù)字模型。

第二階段，通過CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM等集成，實(shí)現(xiàn)企業(yè)面向新品整機(jī)研發(fā)創(chuàng)新的全數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造[10]。

第三階段，基于MBD（基于模型定義），實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的打通，取消了紙質(zhì)的技術(shù)文件。通過三維模型即可表達(dá)產(chǎn)品的全部屬性，包括工藝數(shù)據(jù)、材料應(yīng)用和形狀。

MBD技術(shù)不是簡(jiǎn)單的在三維模型上進(jìn)行信息標(biāo)注，不僅定義了三維產(chǎn)品制造信息和非幾何信息（如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，BOM），而且將制造信息和設(shè)計(jì)信息共同制定到三維模型中，工作流程中只需要MBD模型就可以獲取全部信息，從而保證設(shè)計(jì)和制造流程中數(shù)據(jù)的唯一性[11]。

4 數(shù)字化制造的體系框架

要實(shí)現(xiàn)智能制造的最終目標(biāo)，汽車企業(yè)應(yīng)首先夯實(shí)數(shù)字化制造技術(shù)的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，王瑞縣提出應(yīng)用基于模型的工程技術(shù)（Model Based Engineering,MBE），形成基于模型的企業(yè)（Model Based Enterprise），以滿足工業(yè)4.0時(shí)代個(gè)性化、多樣化需求[12]。通過系統(tǒng)平臺(tái)將企業(yè)及上下游供應(yīng)商集成于同一協(xié)作環(huán)境，針對(duì)三維產(chǎn)品模型開展相關(guān)工作，加快了產(chǎn)品研發(fā)與制造周期，提升了產(chǎn)品驗(yàn)證及工藝驗(yàn)證效率。

如圖1數(shù)字化制造框架所示，自下而上由設(shè)備層、控制層、操作層、生產(chǎn)層與企業(yè)層5個(gè)部分組成，通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橫與縱的連接集成。企業(yè)層通過企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)、數(shù)字化工藝平臺(tái)、采購系統(tǒng)、高級(jí)排產(chǎn)系統(tǒng)、質(zhì)量管里系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品制造的全流程進(jìn)行統(tǒng)一管控；生產(chǎn)層通過生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)和倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)執(zhí)行所需的人、機(jī)、料、法、環(huán)要素進(jìn)行管理與跟蹤；操作層、控制層與設(shè)備層構(gòu)成底層的全集成自動(dòng)化系統(tǒng)，通過PLC及工控軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備的控制與可視化展示。

圖1 數(shù)字化制造框架

無論是自上而下的生產(chǎn)訂單、工藝參數(shù)

等信息的下達(dá)，還是自下而上對(duì)設(shè)備層裝備的數(shù)據(jù)采集、分析與決策，關(guān)鍵應(yīng)保證數(shù)據(jù)流和信息流的準(zhǔn)確性、一致性。

企業(yè)建立數(shù)字化制造的完整體系不是僅搭建系統(tǒng)、使用軟件、引進(jìn)先進(jìn)裝備就可以實(shí)現(xiàn)，這是狹義的數(shù)字化制造。系統(tǒng)、軟件、裝備、網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)成數(shù)字化制造體系的關(guān)鍵要素，但如何將它們打通，實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)、信息、模型的整合，橫向與縱向的互聯(lián)互通，是企業(yè)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的。

5 數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化制造是信息技術(shù)與制造技術(shù)的融合產(chǎn)物。在汽車領(lǐng)域，數(shù)字化制造關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）數(shù)字化工藝

數(shù)字化工藝經(jīng)歷了獨(dú)立的CAPP系統(tǒng)、與PDM系統(tǒng)集成、與PLM系統(tǒng)集成的不同發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從孤立到集成，業(yè)務(wù)從二維到三維的轉(zhuǎn)變[13]。本文所談到的數(shù)字化工藝是基于PLM的三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與管理。它幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)工藝從手工到數(shù)字化的提升，打通產(chǎn)品、工藝和生產(chǎn)的信息數(shù)據(jù)流，保證工藝數(shù)據(jù)的一致性，從而實(shí)現(xiàn)從工藝環(huán)節(jié)縮短產(chǎn)品周期，提高效率，降低成本。

數(shù)字化工藝可提供包括數(shù)字化的工藝設(shè)計(jì)、工藝文件、工藝驗(yàn)證、資源管理、知識(shí)管理和工時(shí)管理功能。同時(shí)，通過建立產(chǎn)品的工藝流程和標(biāo)準(zhǔn)以及工藝數(shù)據(jù)庫、資源庫，提升知識(shí)積累水平和工藝重用水平。

數(shù)字化工藝以結(jié)構(gòu)化的形式，將產(chǎn)品信息、工藝方法、工廠布局、生產(chǎn)資源之間的關(guān)系相關(guān)聯(lián)，把工藝實(shí)現(xiàn)的方法和關(guān)聯(lián)對(duì)象之間的相互關(guān)系存放在同一數(shù)據(jù)庫中。結(jié)構(gòu)化的管理方式有助于工藝規(guī)劃、數(shù)據(jù)整理與表單輸出，同時(shí)利于與系統(tǒng)之間、與仿真軟件之間的信息交互。

（2）虛擬仿真與分析

數(shù)字化工藝是針對(duì)工藝管理的數(shù)據(jù)平臺(tái)，通常是工藝技術(shù)人員開展工藝規(guī)劃的首要工作。在此基礎(chǔ)上，需通過仿真軟件建模分析工藝規(guī)劃過程中的關(guān)鍵方法是否可以滿足生產(chǎn)制造要求。

目前汽車行業(yè)主流的仿真包括機(jī)器人運(yùn)行軌跡仿真、人機(jī)工程仿真、物流仿真、工廠布局仿真、工藝特性仿真、虛擬調(diào)試。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，可對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行充分的驗(yàn)證，達(dá)到減少變更、縮短調(diào)試周期、優(yōu)化投資的目的。

以總裝工藝裝配為例，工藝人員通過數(shù)字化工藝系統(tǒng)率先對(duì)零件裝配過程所需的對(duì)象及工藝方法進(jìn)行定義，然后利用人機(jī)仿真（如圖2）方式對(duì)作業(yè)可裝配性、裝配順序、工時(shí)分配、人機(jī)協(xié)作進(jìn)行驗(yàn)證。如果工藝方法合理，則開展后續(xù)工作；如果不合理，則對(duì)其進(jìn)行修改。如此，通過規(guī)劃-驗(yàn)證的閉環(huán)方式，實(shí)現(xiàn)制造工藝的分析與優(yōu)化。根據(jù)裝配工藝進(jìn)行仿真結(jié)果，基于價(jià)值流分析理論，分析不增值工時(shí)所產(chǎn)生的活動(dòng)是否有優(yōu)化空間。根據(jù)分析結(jié)果可對(duì)車間工位布局進(jìn)行優(yōu)化，從而減少車間流轉(zhuǎn)，降低裝配周期，提高裝配效率。

圖2 人機(jī)裝配仿真

此外，隨著AR、VR和MR技術(shù)發(fā)展的成熟，三維虛擬仿真為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用提供了便利環(huán)境。未來，主機(jī)廠和供應(yīng)商相關(guān)技術(shù)人員可通過這種方式組織技術(shù)研討與評(píng)審，為協(xié)同辦公提供了可能。

（3）數(shù)字化生產(chǎn)

生產(chǎn)制造是工廠與企業(yè)管理者之間接口，強(qiáng)調(diào)通過信息及系統(tǒng)集成方式來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)層與上下游之間的信息傳遞及優(yōu)化生產(chǎn)流程。

數(shù)字化生產(chǎn)通常涉及多個(gè)系統(tǒng)，各企業(yè)對(duì)系統(tǒng)的功能界定雖然略有不同，但涉及模塊和覆蓋的業(yè)務(wù)范圍是相同的。其包含生產(chǎn)執(zhí)行、物料管理、倉儲(chǔ)管理三大業(yè)務(wù)范圍，集成了生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能源管理、廠內(nèi)外物流、配送管理、出入庫管理、庫存管理功能，使這些功能之間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享。這些數(shù)據(jù)的采集、分析與流轉(zhuǎn)，本質(zhì)上是對(duì)數(shù)據(jù)資源類型的規(guī)范及異構(gòu)數(shù)據(jù)的梳理與清洗，從而便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，為其他應(yīng)用系統(tǒng)提供生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

通過信息系統(tǒng)傳遞的實(shí)時(shí)信息，可支撐生產(chǎn)過程的準(zhǔn)確分析，從而將精益思想融入在數(shù)字化制造的各個(gè)場(chǎng)景，支撐企業(yè)在生產(chǎn)制造過程中實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)管理與控制。

（4）自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)

數(shù)字化制造不僅要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建設(shè)與集成，還需有先進(jìn)設(shè)備及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的支撐，其貫穿了設(shè)備層、控制層、操作層的集成與互通。

自動(dòng)化設(shè)備、控制軟件、控制系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)，構(gòu)成了實(shí)體工廠。通過與下游設(shè)備組件連接，實(shí)時(shí)訪問與采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與生產(chǎn)穩(wěn)定性。

以設(shè)備運(yùn)維應(yīng)用場(chǎng)景為例，通過在設(shè)備中加裝溫度、壓力、振動(dòng)傳感器，實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，同步上傳系統(tǒng)記錄，系統(tǒng)通過計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、趨勢(shì)、異常波動(dòng)分析，自動(dòng)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)備發(fā)生故障之前提前維護(hù)，提高設(shè)備可靠性，保障工廠生產(chǎn)的計(jì)劃性，縮短大修工期，延長設(shè)備使用壽命，避免對(duì)設(shè)備的過維修和欠修，降低設(shè)備的維修成本。通過設(shè)備與系統(tǒng)的集成，真正實(shí)現(xiàn)制造過程的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)與透明化管理。

5 結(jié)語及啟示

數(shù)字化制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要手段，對(duì)汽車生產(chǎn)制造尤為重要。通過該技術(shù)不僅可以優(yōu)化整車制造的工藝，提升制造效率，縮短產(chǎn)品上市周期，還能夠有效改善傳統(tǒng)生產(chǎn)模式在工藝、制造方面的限制，滿足用戶對(duì)汽車的個(gè)性化需求。然而在數(shù)字化制造進(jìn)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面，并形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支撐工作的開展。

（1）數(shù)據(jù)采集與分析。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，關(guān)注的數(shù)據(jù)類型可能不同，如產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等等。無論是何種形式的數(shù)據(jù)，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成、數(shù)據(jù)清洗和分析是工作量最大和難度最高的，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造的關(guān)鍵。如果沒有將企業(yè)的整個(gè)業(yè)務(wù)流程打通，實(shí)現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)在產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段、各個(gè)環(huán)節(jié)之間準(zhǔn)確的集成和流轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性無法保證，再好的系統(tǒng)也無法發(fā)揮其作用。

（2）工藝資源數(shù)據(jù)庫的搭建。汽車產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型很大程度依賴三維數(shù)模。目前行業(yè)內(nèi)普遍存在對(duì)產(chǎn)線設(shè)備、制造資源（包括工具、工裝、器具等）三維數(shù)據(jù)缺失的問題，對(duì)供應(yīng)商交付沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，缺少三維工藝資源的積累，使得業(yè)務(wù)需求與數(shù)字化制造需求不能完全契合。此外，數(shù)據(jù)庫的梳理還應(yīng)厘清廠房、產(chǎn)線、工位涉及工藝資源的命名、編碼管理規(guī)則。數(shù)據(jù)庫的建立和管理是基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，才能進(jìn)一步研究如何建立資源重用知識(shí)庫，提高設(shè)備、工裝、器具的柔性化和通用化水平。

（3）對(duì)系統(tǒng)-軟件-硬件的統(tǒng)一規(guī)劃與部署。目前行業(yè)內(nèi)，生產(chǎn)制造的整體自動(dòng)化水平程度較高，但數(shù)字化水平還有待提高。這需要依托于將系統(tǒng)、軟件和硬件、網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一規(guī)劃與部署，規(guī)范接口集成標(biāo)準(zhǔn)、傳遞信息字段命名規(guī)范，避免信息孤島。