數(shù)字樣機(jī)在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用

江 峰，梁小鷗

1.江達(dá)發(fā)索科技（上海）有限公司，廣東 廣州 510630

2.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510520

在傳統(tǒng)企業(yè)的生產(chǎn)制造中，制作實(shí)物樣機(jī)是必不可少的環(huán)節(jié)。在產(chǎn)品經(jīng)歷企劃、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)評(píng)審、工程評(píng)審等環(huán)節(jié)后，為了產(chǎn)品的順利量產(chǎn)，通常需要制作實(shí)物樣機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性、可裝配型、壽命疲勞等性能或功能進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)品，例如汽車、工程機(jī)械、大型設(shè)備等產(chǎn)品，實(shí)物樣機(jī)的驗(yàn)證過(guò)程通常都在3次或以上。企業(yè)通過(guò)引入數(shù)字樣機(jī)，能顯著減少實(shí)物樣機(jī)的驗(yàn)證次數(shù)，既節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，又縮減了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期，加快了產(chǎn)品的推出速度。

1 數(shù)字樣機(jī)概述

數(shù)字樣機(jī)是伴隨CAD、CAE、CAM等計(jì)算機(jī)輔助軟件的應(yīng)用，在21世紀(jì)初期被提出，并在近年來(lái)被廣泛運(yùn)用的一種虛擬數(shù)據(jù)概念。另外，數(shù)字樣機(jī)是通過(guò)CAD軟件在計(jì)算機(jī)環(huán)境中創(chuàng)建的實(shí)體，其結(jié)構(gòu)、功能等特征與物理樣機(jī)一致。

CAD、CAE、CAM軟件廣泛運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)部門、仿真分析部門、品質(zhì)保證部門、工程技術(shù)部門等與生產(chǎn)直接相關(guān)的部門。軟件中流通的數(shù)據(jù)主要包括三維模型、二維工程圖紙、物料表等。在大多數(shù)企業(yè)中，三維模型基本只包括產(chǎn)品的外形尺寸數(shù)據(jù)，著重于產(chǎn)品幾何屬性的表達(dá)，其他材料、密度、尺寸公差、零件與組件結(jié)構(gòu)關(guān)系等信息則在二維工程圖紙和物料表中體現(xiàn)。

《機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)通用要求》（GB/T 26100—2010）中將數(shù)字樣機(jī)的定義為對(duì)機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或具有獨(dú)立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對(duì)象的幾何屬性，還至少在某一領(lǐng)域反映了產(chǎn)品對(duì)象的功能和性能。產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)形成于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，并將應(yīng)用于產(chǎn)品的全生命周期。根據(jù)上述概念，數(shù)字樣機(jī)源于CAD軟件的三維模型數(shù)據(jù)，又將其功能進(jìn)行了極大的拓展，使之可以適用于產(chǎn)品的全生命周期，數(shù)字樣機(jī)的運(yùn)用可以統(tǒng)一企業(yè)中的流通數(shù)據(jù)，為企業(yè)的設(shè)計(jì)評(píng)審提供可靠數(shù)據(jù)的同時(shí)，使企業(yè)中所有員工都能通過(guò)數(shù)字樣機(jī)直觀地感受到數(shù)字化產(chǎn)品的外觀構(gòu)造，并在工作中運(yùn)用產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)，可多方面提高工作效率，是一種先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)。

2 數(shù)字樣機(jī)的運(yùn)用現(xiàn)狀

在很多企業(yè)中，雖然還沒(méi)有明確出現(xiàn)數(shù)字樣機(jī)的概念，但是已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)字樣機(jī)的相關(guān)初步運(yùn)用，例如針對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行簡(jiǎn)單的強(qiáng)度分析，以達(dá)到關(guān)鍵零部件或組件結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的；又如針對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)進(jìn)行裝配干涉分析，以便提前確認(rèn)產(chǎn)品的干涉問(wèn)題等。通過(guò)上述應(yīng)用，可以使企業(yè)在制作實(shí)物樣機(jī)前就檢查出相關(guān)問(wèn)題并加以改善。

汽車行業(yè)中的重點(diǎn)龍頭企業(yè)——寶馬、戴姆勒-克萊斯勒、本田、豐田、三菱等老牌主機(jī)廠商，結(jié)合企業(yè)多年來(lái)在行業(yè)綜合技術(shù)力的累積，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)軟件的深度定制和二次開發(fā)，已經(jīng)開始系統(tǒng)化地推廣數(shù)字樣機(jī)技術(shù)。這些軟件就包括達(dá)索公司的CATIA、SolidWorks、ABAQUS；PTC公司的ProE；Ansys公司的ANSYS等。

汽車整車的開發(fā)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用，小到后視鏡運(yùn)動(dòng)模擬、雨刮器運(yùn)動(dòng)校正、車門線束運(yùn)動(dòng)干涉檢查等，大到發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱震動(dòng)模擬、汽車底盤震動(dòng)模擬、整車裝配性驗(yàn)證、行駛穩(wěn)定性驗(yàn)證、噪聲驗(yàn)證、電器系統(tǒng)驗(yàn)證等，都可以在對(duì)應(yīng)軟件的仿真分析中得到相對(duì)可靠的評(píng)估數(shù)據(jù)。工程師根據(jù)這些評(píng)估數(shù)據(jù)再去修正原始的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，使得最終產(chǎn)品的可靠性更上一個(gè)臺(tái)階，避免在后期實(shí)物樣機(jī)驗(yàn)證環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題。

運(yùn)用數(shù)字樣機(jī)可以幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。例如車企開發(fā)一款全新的車型，一般需要3～5年的時(shí)間，其中反復(fù)多次的實(shí)物樣機(jī)制作驗(yàn)證過(guò)程通常會(huì)占一半以上的時(shí)間。使用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，可以有效減少實(shí)物樣機(jī)的驗(yàn)證次數(shù)，產(chǎn)品的開發(fā)周期可縮減到2～3年的時(shí)間。這樣不僅節(jié)約了產(chǎn)品的研發(fā)成本，降低了因開發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的外觀設(shè)計(jì)過(guò)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)以及車型外觀泄密的風(fēng)險(xiǎn)，還能給企業(yè)帶來(lái)了十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3 數(shù)字樣機(jī)在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用難點(diǎn)

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，但是該技術(shù)的應(yīng)用目前還存在以下幾個(gè)難點(diǎn)。

3.1 建立標(biāo)準(zhǔn)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)于數(shù)字樣機(jī)的運(yùn)用，目前主要還是集中在設(shè)計(jì)過(guò)程中的仿真分析環(huán)節(jié)。在仿真分析前期，工程師需要定義各個(gè)零部件的材料、密度、重量等相關(guān)物理參數(shù)，這些參數(shù)一般都是來(lái)自軟件自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等公開的數(shù)據(jù)。使用這些數(shù)據(jù)得到的分析結(jié)果可滿足定性的參考需求，例如可以計(jì)算出單個(gè)零部件受力后的應(yīng)力分布情況、變形量最大的部位等。但如果需要進(jìn)行定量的參考，僅靠這些對(duì)外公開的一般標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，是無(wú)法得到理想結(jié)果的。例如同是鈑金原材料的一般普通級(jí)冷軋鋼板，該材料在我國(guó)的牌號(hào)為Q195～Q215A，在日本的牌號(hào)為SPCC，在德國(guó)的牌號(hào)為ST12，不同國(guó)家的材料其公開的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)并不統(tǒng)一，在性能上也會(huì)有所差異，同一國(guó)家不同企業(yè)生產(chǎn)出來(lái)的材料也會(huì)有些許區(qū)別。

如果企業(yè)想使用某一材料在復(fù)雜系統(tǒng)中得到可供定量分析的可靠數(shù)據(jù)，就必須長(zhǎng)期對(duì)不同批次、不同廠家的材料進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)定、匯總和管理，最終建立起符合企業(yè)現(xiàn)狀的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，在之后的仿真分析中，將實(shí)物樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)照比較，不斷優(yōu)化這些參數(shù)，最終達(dá)到數(shù)字樣機(jī)的仿真分析在一定程度上替代實(shí)物樣機(jī)分析結(jié)果的目的。

3.2 面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中的技術(shù)儲(chǔ)備

在仿真分析中，有諸多可變參數(shù)，包括受力情況、約束情況、表面摩擦、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速率等，需要工程師根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行判斷設(shè)定，不同的設(shè)定會(huì)給分析結(jié)果帶來(lái)一定的影響。在復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境中，此類需要設(shè)定的參數(shù)更是不計(jì)其數(shù)。因此，除了建立標(biāo)準(zhǔn)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，企業(yè)還需要將一些常見(jiàn)場(chǎng)景的參數(shù)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，或者與軟件廠商共同進(jìn)行深度定制和二次開發(fā)，將這些定義操作直接集成在軟件中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理。

對(duì)于無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化的場(chǎng)景，企業(yè)進(jìn)行相關(guān)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)積累并將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)資料的同時(shí)，還要重視相應(yīng)人才的儲(chǔ)備、培養(yǎng)。最終使企業(yè)的技術(shù)資料的儲(chǔ)備日趨完善，其技術(shù)人員也能在大量的實(shí)踐工作中，儲(chǔ)備豐富的經(jīng)驗(yàn)，為數(shù)字樣機(jī)的運(yùn)用提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 時(shí)間、成本問(wèn)題

企業(yè)為了導(dǎo)入數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，需要以下幾個(gè)方面的成本投入：一是CAD、CAE、CAM軟件、硬件的購(gòu)入和維護(hù)成本；二是建立數(shù)據(jù)庫(kù)所需要的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)以及場(chǎng)地的費(fèi)用；三是針對(duì)CAD、CAE、CAM軟件進(jìn)行深入整合、二次開發(fā)的費(fèi)用；四是相關(guān)人才錄用、培養(yǎng)的費(fèi)用。上述費(fèi)用對(duì)于企業(yè)而言是一筆不少的支出，尤其是建立數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件的二次開發(fā)，這兩方面都需要持續(xù)地投入成本，同時(shí)又無(wú)法在短期內(nèi)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益，因此企業(yè)需要結(jié)合自身的長(zhǎng)期發(fā)展方針，提前做好規(guī)劃布局。

對(duì)于經(jīng)費(fèi)有限的中小型企業(yè)，建議先就經(jīng)濟(jì)效益更明顯的軟件硬件設(shè)施和人才方面進(jìn)行規(guī)劃投入，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和軟件的二次開發(fā)方面，可等到市場(chǎng)上成熟的龍頭企業(yè)有解決方案后再加以引進(jìn)，這樣既可節(jié)省從零開發(fā)的時(shí)間、成本，又可實(shí)現(xiàn)與龍頭企業(yè)數(shù)據(jù)信息的無(wú)縫對(duì)接。

4 數(shù)字樣機(jī)前景展望

數(shù)字樣機(jī)的本質(zhì)是在現(xiàn)有圖紙數(shù)據(jù)中，追加各種功能或性能的參數(shù)，使其在后續(xù)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮應(yīng)有的作用。隨著科技的發(fā)展，企業(yè)數(shù)字化、智能化的程度也將越來(lái)越高，數(shù)字樣機(jī)中包含的參數(shù)信息也必將得到進(jìn)一步拓展。除了產(chǎn)品的物理參數(shù)或工程參數(shù)，今后還會(huì)增加產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的從屬關(guān)系、產(chǎn)品組裝工藝、產(chǎn)品成本、產(chǎn)品供應(yīng)商、功能相似產(chǎn)品的歸類等信息。實(shí)際上，由達(dá)索公司開發(fā)的最新的3DEXPERIENCE V6平臺(tái)，已經(jīng)開始引入這些概念并逐步向汽車、船舶、飛機(jī)等行業(yè)推廣。

數(shù)字樣機(jī)信息的整合使得原本在企業(yè)中相對(duì)獨(dú)立的生產(chǎn)部門與非生產(chǎn)部門的信息流被整合。數(shù)字樣機(jī)不僅可以在設(shè)計(jì)、評(píng)審、工程工藝、制造、品質(zhì)、倉(cāng)儲(chǔ)等與生產(chǎn)直接相關(guān)環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，在非生產(chǎn)直接相關(guān)的部門，如采購(gòu)、銷售、項(xiàng)目管理、產(chǎn)品企劃、售后等，也可以通過(guò)運(yùn)用數(shù)字樣機(jī)提高工作效率。采購(gòu)部門可通過(guò)數(shù)字樣機(jī)中產(chǎn)品成本的相關(guān)信息，更加精準(zhǔn)地判斷供應(yīng)商的報(bào)價(jià)是否合理；銷售部門可通過(guò)產(chǎn)品的成本信息，更快、更準(zhǔn)地為客戶提供產(chǎn)品報(bào)價(jià)；產(chǎn)品企劃部門在產(chǎn)品企劃初步階段就可以得到大量的功能相似產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品企劃提供更多的方案。

當(dāng)然，面對(duì)日趨龐大的數(shù)字樣機(jī)信息數(shù)據(jù)，當(dāng)前主要通過(guò)個(gè)人電腦或工作站進(jìn)行處理的方式存在很大的局限性。隨著我國(guó)云計(jì)算、5G等信息數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字樣機(jī)信息數(shù)據(jù)的云端處理將成為主流。大型跨國(guó)企業(yè)可以通過(guò)搭建屬于自己的私有云來(lái)進(jìn)行信息的全球布局和統(tǒng)一管理。中小型企業(yè)可以選擇租用公有云的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，這樣既可避免前期投入過(guò)大的成本，又可降低企業(yè)的運(yùn)行維護(hù)成本，其信息數(shù)據(jù)也可更好地實(shí)現(xiàn)和上下游企業(yè)的無(wú)縫對(duì)接。

5 結(jié)束語(yǔ)

2021年4月15日為加快推動(dòng)智能制造發(fā)展，工業(yè)和信息化部會(huì)同有關(guān)部門起草了《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》（征求意見(jiàn)稿），從發(fā)展路徑、具體目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)等方面做出具體規(guī)劃。征求意見(jiàn)稿提出，到2025年，規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)基本普及數(shù)字化，重點(diǎn)行業(yè)骨干企業(yè)初步實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型；到2035年，規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)全面普及數(shù)字化，骨干企業(yè)基本實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型。相信隨著該規(guī)劃的正式公布，中國(guó)制造業(yè)企業(yè)的數(shù)字化、智能化進(jìn)度將進(jìn)一步加快。隨著企業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、各類軟件功能的完善、計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升、云計(jì)算、5G技術(shù)的普及，數(shù)字樣機(jī)的運(yùn)用也將更上一個(gè)臺(tái)階。數(shù)據(jù)樣機(jī)技術(shù)將涵蓋從單一結(jié)構(gòu)到整體系統(tǒng)全過(guò)程的分析驗(yàn)證，將打通企業(yè)全生命周期的所有環(huán)節(jié)，為我國(guó)企業(yè)數(shù)字化的普及、智能化的轉(zhuǎn)型提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和支持。