数字化制造概念及应用

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1、制造业信息化门户网 研究院 Research 数字化制造概念与应用 2011/8/5 e-works研究院 分析师 汪伟 关于我 丰富经验的实战项目经理 制造业信息化媒体人 服务过制造企业的工程师 曾为陕汽集团、大禹电气、东风仪表、东风制动、黄石纺机、宝鸡石油、宁夏 力成电气、正泰电器、正泰仪表、成航仪表、陕重汽、金杯车辆、柳州五菱、 桂林大宇等60余家企业提供售前售后PLM项目咨询实施服务。 塑性成形（材料成形与控制）专业毕业，先后就职于哈尔滨东安发动机（集团） 有限公司、东风汽车有限公司，从事铸造、冲压模具设计工作。 e-works PLM领域咨询经理，在CAD/CAM与制造业信息化、e制

2、造开辟专 栏，在各种媒体上发表PLM领域专业文章90余篇。 此次要交流的内容 数字化制造技术在中国的应用前景 数字化制造应用路线 数字化制造的内涵及关键技术 中国制造业面临的制造之“惑” 数字化制造行业应用分析 此次要交流的内容 数字化制造技术在中国的应用前景 数字化制造应用路线 数字化制造的内涵及关键技术 中国制造业面临的制造之“惑” 数字化制造行业应用分析 数字化制造的应用背景 根据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， 工业增加值累计增长15.8%，其中轻工业增长13.6、重工业 增长16.7%。 数字化制造的应用背

3、景 数字化制造的应用背景 “傻子”年广久 1937 亨利 福特 18631947 流水线的发明者 大野耐一 19121990 “丰田模式”的发明者 手工作业模式的代表大量生产模式的代表定制生产模式的代表 数字化制造的应用背景 手工作业模式手工作业模式 从设计到制造均由个人完成 高度灵活 效率低下 对人技能依赖强 大量生产模式大量生产模式 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 定制生产模式定制生产模式 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 我国制造业整体依旧处于“大量生产模式”，所谓“中国制造”

4、，更 大程度上是生产总量大，而非制造水平高！ 中国制造业面临的制造瓶颈问题（1） 产品质量难以实现精细化管控 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、使用者体验不佳。 中国制造业面临的制造瓶颈问题（2） 产品试制周期长，制造工艺不稳定 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 再验证 新产品工艺 再修改 新产品工艺定 型 批量生产 中国制造业面临的制造瓶颈问题（3） 产品的可制造性难以评估, 工艺设计和验证手段落后 大部分制造

5、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设备的情况； 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工艺卡片上，难以传播和重用； 中国制造业面临的制造瓶颈问题（4） 缺乏对工艺知识进行有效管理 CAPP解决的主要是工艺文件的编制和工艺汇总等问题 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 中国制造业提升制造能力的关键途径 随着三维造型技术的发展，一系列基于三维模型的信

6、息化应用迅速发展 起来，包括快速成型、基于三维的交互式文档发布系统，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决，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： 利用数字化制造技术提升工艺规划、设计和管理能力利用数字化制造技术提升工艺规划、设计和管理能力 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 利用数字化制造技术提升质量设计水平利用数字化制造技术提升质量设计水平 此次要交流的内容 数字化制造技术在中国的

7、应用前景 数字化制造应用路线 数字化制造的内涵及关键技术 中国制造业面临的制造之“惑” 数字化制造行业应用分析 数字化制造的含义 CIMdata 将“数字化制造”定义为：一套支持设计和制造工程团队之间进行 协同工艺规划的解决方案，它采用最切实可行的流程，允许访问包括工具和 制造流程设计在内的完整的数字化产品定义，它由一系列支持工具设计、 制造流程设计、可视化、仿真和其它优化制造过程所必须的 分析活动的工具集组成。 更广义的“数字化制造”概念是指将数字技术应用于产品的工艺规划和实际 的制造过程中，通过信息建模、仿真分析和信息处理来改进制造工艺，提高制造 效率和产品质量，降低制造成本所涉及的一系列

8、活动的总称。 数字化制造的内涵可理解为DP4R，即数字化产品定义(Product)、数字化工艺 流程规划(Process)、数字化工厂布局规划(Plant)、车间生产数字化管理 (Production)和数字化制造资源(Resource)，这里的资源既包括数字化设备(比如 数控加工中心、机器人等)，也包括工具、工装和操作工人。 数字化制造的含义 e-works Research将“数字化制造”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 之前用可视化的方式规划和优化产品的制造工艺方案。 数字化制造的内容 工艺规划：工艺规划：描述

9、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：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工过程以及所需的设 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：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：工艺管理：管理工艺规划、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。 数字化制造与其他信息的关系 数字化制造关键技术 CAM及数控仿真技术及数控仿真技术

10、CAM: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 识别的NC代码。 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。 数字化制造关键技术 装配过程与仿真技术装配过程与仿真技术 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。 数字化制造关键技术 工厂工厂3D设计技术设计技术 数字化制造技术提供了非常方便快捷的工厂3D设计工具， 可以非常简便快 速的进行二维三维的车间布局设计。 一个近似于现实工厂的二维

11、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。 数字化制造关键技术 物流设计与仿真技术物流设计与仿真技术 物料在流动过程中，需要占用场地、行车、推车、输送带等设备设施。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。 数字化制造技术可以在工厂 3D布局设计的基础之上，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。 数字化制造关键技术 公差分析公差分析 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

12、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。 数字化制造关键技术 机器人离线编程及仿真技术机器人离线编程及仿真技术 由于客户的需求的变化，生产线上生产的产品可能每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。数字 化制造技术中的机器人离线编程及仿真可以帮助企业快速应对。 数字化制造关键技术 人机作业模拟与仿真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，在许多复杂装配 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

13、 个关键因素。因此需要对此进行模拟和仿真。 数字化制造关键技术 工艺管理工艺管理 数字化制造关键技术 PBOM管理管理 PBOM的设计依据是设计部门产生的工程BOM（Engineering BOM， EBOM）。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。 数字化制造关键技术 工艺设计管理工艺设计管理 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。数字 化制造系统用结构化的工序树和甘特图很好的解决了管理工序间和工步间的内 在逻辑和时序的问题。 数字化制造关键技术 工艺资源管理工

14、艺资源管理 数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员在一个环境 中随时调取相关的工艺资源。 数字化制造关键技术 工艺报表工艺报表 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，所产生的各种工艺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。 数字化制造的价值 提升企业基础性投资分析的准确性合理性提升企业基础性投资分析的准确性合理性 数字化制

15、造的价值 提升制造企业应对市场变化的能力提升制造企业应对市场变化的能力 数字化制造的价值 提升制造企业的产品可制造性提升制造企业的产品可制造性 此次要交流的内容 数字化制造技术在中国的应用前景 数字化制造应用路线 数字化制造的内涵及关键技术 中国制造业面临的制造之“惑” 数字化制造行业应用分析 数字化制造技术在航空/航天/船舶行业的应用 直观的工艺规划和设计过程； 可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理，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

16、获取实时、准确工艺数据，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，不需要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），持续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确的数据，减少差错，提高效率。 数字化制造技术在航空/航天/船舶行业的应用 中航工业黎明发动机（集团）有限责任公司应用了数字化制造解决方案并 使之与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工、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；夹具发时间则缩短了51， 产能提高40%。 数字化制造技术在装备制造业的应用 缩短工艺规划、工装设计、变更处