基于智能設計的智能制造探討

王春成 王磊 吳孫陽 趙書寶

【摘 要】智能制造是制造業(yè)發(fā)展轉型的重要舉措，包含智能化的設計、生產(chǎn)、服務、管理、物流和系統(tǒng)集成6個方面，其中智能設計是智能制造的核心，是決定整個智能制造轉型的關鍵點。文章通過對智能制造設計相關概念的提煉，從工藝設計和產(chǎn)品設計進行維度分析，并提出智能設計的成熟度評價指標，為企業(yè)后期進行智能制造升級和智能車間評價提供參考，同時為后期進行智能車間標準化評定提供相關技術支持。

【關鍵詞】智能制造;工藝設計;成熟度評價;公差仿真

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

0 引言

制造業(yè)是整個國家經(jīng)濟體系的命脈，是實現(xiàn)科學技術理論向實踐轉變的最重要載體，是國家建立的根本，是國家發(fā)展的重要手段，是實現(xiàn)強國夢想的基礎?！吨袊圃?025》的發(fā)布標志著我國戰(zhàn)略部署強國政策從理論向實踐邁出了關鍵一步[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技術創(chuàng)新，是我國實現(xiàn)強國戰(zhàn)略的重要舉措[2]。智能制造是一個長期的發(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)進行評價分析，評估和指導地方產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展，為企業(yè)實施智能制造提供技術支撐[3-4]?！吨袊圃?025》對中國智能制造包含智能設計、智能生產(chǎn)、智能服務、智能管理、智能物流及智能系統(tǒng)集成6個方面提出了明確要求及指導方針，各個產(chǎn)業(yè)、不同行業(yè)、各地政府對智能制造業(yè)進行整體規(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。但在前期的智能設計階段明顯短缺，本文將通過智能制造設計標準與相關行業(yè)專家對智能制造設計的看法，對智能制造設計相關內容進行研究。

1 智能設計

智能設計是利用現(xiàn)代先進的科學信息技術，把人的行為活動和思維想法用計算機進行模擬仿真，通過仿真模擬，提升計算機自我深度學習的能力，完善計算機自我感知和自我升級的能力，確保計算機在制造設計階段能協(xié)助專業(yè)人士進行多樣化、龐大的工作任務，成為專業(yè)人士可靠的工作伙伴。計算機對專業(yè)人士來說，它具有以下特點：？譹？訛以設計方法論為指導。從設計實質上來說，整個設計的過程就是從設計思路和設計方法兩個角度進行探討，這是計算機智能設計能夠仿真專業(yè)人士進行設計的基本要求。？譺？訛通過計算機實現(xiàn)模擬仿真到實現(xiàn)產(chǎn)品的具體化。設計本身是虛擬的，在未進行生產(chǎn)時它只是存在可能性，通過計算機進行模擬現(xiàn)實，把虛擬的設計想法反映到計算機圖形現(xiàn)實上，實現(xiàn)產(chǎn)品的具體化。？譻？訛使用標準設計軟件（如CAD、CATIA等系列仿真軟件）進行數(shù)據(jù)和圖形處理的手段。？譼？訛實現(xiàn)系統(tǒng)集成的智能化處理方式，計算機不僅能夠實現(xiàn)設計過程的標準化和具體化，還能夠實現(xiàn)與CAM等系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與深度學習。？譽？訛它提供了強大的人機交互功能。能夠幫忙專業(yè)人士進行過程變更，實現(xiàn)人與計算機的區(qū)別與統(tǒng)一。人工技術的要求能夠通過智能設計快速轉化為仿真產(chǎn)品，通過仿真產(chǎn)品的試驗，實現(xiàn)實際產(chǎn)品的快速生產(chǎn)。通過對智能設計定義的分解和歸納，智能設計包括兩個方面：產(chǎn)品設計和工藝設計。下面將分別對智能產(chǎn)品設計和工藝設計進行論述。

1.1 產(chǎn)品設計

在進行產(chǎn)品設計的整個過程中，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)品要實現(xiàn)的功能，這樣能夠在后期進行生產(chǎn)方式和設備布局的確定，所以產(chǎn)品設計意義非凡，對整個產(chǎn)品具有根本性意義。智能產(chǎn)品設計包含數(shù)字化與模塊化設計仿真模擬、產(chǎn)品設計試驗仿真、產(chǎn)品虛擬產(chǎn)線與生產(chǎn)模擬仿真、產(chǎn)品設計公差仿真、產(chǎn)品物流仿真、產(chǎn)品并行/協(xié)同設計等。

數(shù)字化與模塊化設計仿真模擬：通過計算機仿真模型設計，改善產(chǎn)品性能結構，實現(xiàn)產(chǎn)品整個生命周期最佳。同步使用模塊化設計理念，保證模塊設計在相關的功能方面和結構設計方面具有一定的完整性和相對獨立性，考慮模塊系列未來的擴展和向專用、變形產(chǎn)品的輻射，滿足不同需求和產(chǎn)品的升級。數(shù)字化與模塊化設計仿真簡化了產(chǎn)品設計的要求，充分利用已有設計基礎及設計模塊，同時預留擴展窗口，為后期進行產(chǎn)品變更、技術升級提供空間。

產(chǎn)品設計試驗仿真：通過計算機仿真技術對產(chǎn)品功能、安全、經(jīng)濟性等方面模擬作業(yè)，同時對整個生產(chǎn)過程、工藝管理、品質檢驗、效率分析等進行仿真分析。產(chǎn)品設計試驗仿真圍繞產(chǎn)品質量和功能進行仿真模擬試驗，可以在前端提出現(xiàn)有產(chǎn)品與客戶需求之間的差異，以及通過試驗仿真能夠彌補生產(chǎn)過程中個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、虛擬現(xiàn)實技術、計算機技術等對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行全面模擬，找出生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，杜絕并降低在實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況，實現(xiàn)產(chǎn)品快速量產(chǎn)，降低前期設計成本和設計時間，提高企業(yè)競爭力。

產(chǎn)品設計公差仿真：采用計算機輔助公差仿真技術（CAT）在產(chǎn)品的設計階段、檢測分析階段等全過程中，使用計算機對產(chǎn)品的尺寸和公差數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控管理和參數(shù)優(yōu)化，確保實現(xiàn)產(chǎn)品單位成本最低，滿足客戶的技術需求和功能需求的整個過程。

產(chǎn)品物流仿真：對物流系統(tǒng)進行建模，并在計算機上編譯相應的應用程序，對物流系統(tǒng)的實際運行進行仿真，并對仿真結果進行計數(shù)和分析，指導實際的計劃、設計和運營管理。產(chǎn)品物流仿真能夠反映實際物流運行的效率，可以確認區(qū)域物流周轉效率、人員物流運行效率和物流存儲量，便于進行物流管理和生產(chǎn)運營。

產(chǎn)品并行/協(xié)同設計：在產(chǎn)品設計階段，應考慮產(chǎn)品生命周期的各個方面，并應在產(chǎn)品設計階段全面計劃和優(yōu)化所有相關因素。產(chǎn)品設計要考慮客戶需求，涉及產(chǎn)品功能、性能和結構，以及產(chǎn)品計劃、設計、零件制造、組裝、銷售、操作、使用、維護和維修周期過程，直至回收和處置。

智能化產(chǎn)品設計實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)前期的模擬化作業(yè)，模擬了整個產(chǎn)品的生命周期，能夠為企業(yè)管理者及生產(chǎn)者提供產(chǎn)品的模擬方式，減少產(chǎn)品前期的試驗費用，提高產(chǎn)品生產(chǎn)能力和企業(yè)效益。

1.2 工藝設計

工藝設計是指通過長期生產(chǎn)和科學實驗及特定的生產(chǎn)條件，通過生產(chǎn)實踐不斷改進的過程。工藝設計的合理性有助于促進產(chǎn)品質量的提升，協(xié)助現(xiàn)場生產(chǎn)管理，能夠優(yōu)先幫助計劃和組織，并充分利用設備。智能工藝設計包含制造工藝清單（BOP）模擬、虛擬生產(chǎn)工藝規(guī)格書、制造工藝基礎庫、工藝基礎文件管理、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實現(xiàn)產(chǎn)品工藝與工序的前期設計，確保產(chǎn)品生產(chǎn)過程的完整性。在進行模擬BOP時，可以根據(jù)客戶的不同需求進行定制化模擬，通過模擬確認產(chǎn)品清單需求，減少制定工藝清單的時間。

虛擬生產(chǎn)工藝規(guī)格書：通過計算機仿真模擬工藝生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)及指標的搜集，提前準確預知產(chǎn)品參數(shù)及技術指標，避免不斷重復的產(chǎn)品工藝試驗及報廢品產(chǎn)生，減少制程管理人員的需求，同時減少生產(chǎn)期間因為調整產(chǎn)品參數(shù)和技術指標導致的不良產(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。

制造工藝基礎庫：工藝基礎數(shù)據(jù)庫由工藝基礎數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中各類工藝基礎數(shù)據(jù)的錄入、更改、維護、用戶設置、安全保密等功能。工藝基礎數(shù)據(jù)庫為計算機輔助工藝過程設計（CAPP）系統(tǒng)提供支持，并與CAD/CAPP/CAM/CAQ結合，進而為整個數(shù)字化生產(chǎn)線提供支撐，實現(xiàn)制造工藝的數(shù)字化。

工藝基礎文件管理：工藝技術基礎文檔管理是公司進行流程管理的基本要素，也是控制整個生產(chǎn)過程的有效手段。工藝和技術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文件都接近實際生產(chǎn)，滿足實際需求，使過程和技術文件保持權威性、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。無論是人機交互還是機械自動化及集成管理系統(tǒng)等，均明確了人的主觀作用。在人機交互系統(tǒng)日益發(fā)展的今天，人的影響因素顯得更為重要。通過計算機進行人為作業(yè)仿真設計與分析，能夠最大限度地模擬出人機交互過程中人的行為影響。通過仿真，不僅能夠實現(xiàn)生產(chǎn)過程的效率管理、良率管理等指標實時顯示，還能夠對人的作業(yè)行為及功能需求進行明確。通過仿真，模擬生產(chǎn)環(huán)境，對作業(yè)人員進行技術培訓與仿真環(huán)境實際操作，實現(xiàn)人機的完美配合。

虛擬裝配仿真：基于虛擬拆裝技術在交互式虛擬裝配環(huán)境中，用戶可以使用各種交互式設備在實際環(huán)境中對產(chǎn)品零件進行各種裝配操作。在整個實踐中，虛擬裝配仿真軟件能夠實現(xiàn)所有階段數(shù)據(jù)的檢驗與保存，管理整個裝配作業(yè)，便于使用人分析產(chǎn)品的可裝配性、裝配順序驗證、產(chǎn)品零件計劃、裝配操作員培訓等。整個作業(yè)完成以后，計算機會詳細記錄整個裝配作業(yè)，并轉化為審閱分析材料、視頻記錄等內容，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)人員思維處于計算機仿真環(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過程中進行“實踐”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的費用和實際生產(chǎn)過程中員工熟練操作導致的產(chǎn)能損失。

智能工藝設計通過仿真實現(xiàn)了產(chǎn)品在生產(chǎn)前的技術困擾，通過仿真模擬，為實踐生產(chǎn)提供了技術支持，降低了生產(chǎn)過程中因技術參數(shù)調整導致的不良品及產(chǎn)能損失風險，幫助技術人員有效進行參數(shù)調整。同時，通過智能設計，可以快速響應客戶需求進行模擬生產(chǎn)，形成量化的生產(chǎn)標準，便于快速報價和快速量產(chǎn)。

2 智能設計成熟度評價

根據(jù)智能設計定義與指標含義，制定其成熟度評價體系（見表1），同時需結合產(chǎn)品制造、產(chǎn)品管理、物流管理、系統(tǒng)集成等方面進行整體評價，成熟度等級越高，智能設計能力越強。

3 結語

未來必將是一個高度集成和智能的自動制造系統(tǒng)，其研究目標是部分系統(tǒng)替代制造業(yè)中人腦的工作。即在整個制造過程中，人類智能活動與智能機器的結合可以有效地提高人的知識水平和認知能力，實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化、智能化和自動化。對智能制造的研究不僅可以提高產(chǎn)品質量、生產(chǎn)效率和降低成本，而且可以提高整個制造業(yè)應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

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