打造适合中国装备制造的数字化制造集成应用平台.docx
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打造适合中国装备制造的数字化制造集成应用平台.docx
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打造适合中国装备制造的数字化制造集成应用平台
打造适合中国装备制造的数字化制造集成应用平台
发表时间:
2011-8-12曾宇波来源:
天河软件
关键字:
装备制造业数字化制造集成应用平台工艺设计
装备制造业是实现工业化的基础条件,是国家竞争力的集中体现,也是国家和民族复兴的重要保障。
以信息化的手段带动工业化,以工业化促进信息化,走新型工业化道路,是装备制造业大幅度提升自主创新能力,实现从传统工业化向现代产业化转型的关键。
本文就装备制造业的特点、信息化现状与瓶颈、数字化制造集成应用平台的构建,以及平台构建三步曲进行一些探讨。
一、概述:
装备制造业是实现工业化的基础条件,是国家竞争力的集中体现,也是国家和民族复兴的重要保障。
以信息化的手段带动工业化,以工业化促进信息化,走新型工业化道路,是装备制造业大幅度提升自主创新能力,实现从传统工业化向现代产业化转型的关键。
本文就装备制造业的特点、信息化现状与瓶颈、数字化制造集成应用平台的构建,以及平台构建三步曲进行一些探讨。
二、装备制造业的特点
经过改革开放30年的发展,我国装备制造业取得了令人瞩目的成就,形成了门类齐全、具有相当规模和一定水平的装备制造体系,为国民经济发展和国防建设提供了一批重要装备,已成为中国经济发展的重要组成部分。
同时装备制造业是一个有中国特色的名词,在世界上其他国家或国际组织并没有类似的提法,装备制造业与传统意义的大规模制造相比,有着鲜明的特色。
在产品领域方面,装备制造业以满足国家战略安全、国家社会经济发展、各行业企业的个性化需求为目标,因此大多是项目型制造模式。
在先进技术的应用方面,装备制造企业往往把多品种、小批量的大规模定制技术和准时生产模式等先进技术叠加起来使用。
在制造过程管理方面,装备制造业往往具有产品结构复杂,生产技术准备周期长,总生产数量较小,边设计边生产的特点。
在企业组织结构方面,越来越多的装备制造企业采用集团化运作,产品的研发、制造、营销管理既相互关联又独立运作;研发部门成为独立的研究院,专注于产品的创新;生产工厂成为独立制造中心,业务侧重于生产项目的技术准备、关键零部件的制造、外协供应商的协调管理以及产品的装配生产等;集团营销部门从过去单纯的产品销售正在向客户提供整体的解决方案和服务转变。
同时,企业的组织结构也往往根据项目的需要频繁改变,采取事业部制、项目制。
装备制造业的这些特点对企业的协同运作以及信息化能力提出相当高的要求,有人说装备制造业的信息化是中国信息化产业中的珠穆朗玛,正是形象地阐述了装备制造业信息化的难度和标志性意义。
三、装备制造业信息化发展的现状和瓶颈
总体上看,当前中国装备制造业信息化的现状可以概括为:
信息化得到了企业的重视,但需进一步深入;信息化基础建设有所发展,但仍有待加强;管理信息化取得明显进展,但是应用深度不够;在单元应用方面,CAD、CAM技术得到了广泛的应用,在管理方面,PDM/PLM系统应用普遍,但是总体的评价也待提高;ERP领域中人财物的管理基本成熟,但生产和成本管理依然纠结;而象CAE的这样的工程化高端应用在大型企业中得到应用,而中小型企业基本是可望而不可及;MES领域从概念、实施应用效果都刚刚起步,MES的基础、目标范围、评价体系依然不够明确;设计与制造之间依然是存在信息集成的鸿沟。
并且是一个承上启下的关键枢纽环节,从设计出来的产品到如何能制造出来,需要通过怎样的过程去制造,需要哪些制造资源,需要多少材料和工时,需要哪些的配套企业去协作等都是在这个环节决定的。
从严格意义上将ERP和MES中的大部分业务数据都应该从这个业务环节中获取,才能实现对制造过程中“工期、成本、质量”的严格管控;而且PLM中的数据只有通过这个业务环节的处理后才能真正为企业的制造和管理服务。
而目前正是这个业务环节的信息化工作尤为薄弱,再加上生产过程的自动化和数字化水平低,企业信息化缺乏统一规范、统一标准,装备制造业的信息化发展受到严重制约。
可喜的是很多装备制造业企业在上一轮ERP/PLM热潮过后,对企业信息化的下一步发展重点有了更清晰的认识,数字化制造(DM)领域中单元技术的实施和应用正成为行业热点。
数字化制造解决了装备制造业信息化最薄弱的环节,就是工艺规划、工艺设计、工艺仿真、工艺执行与工艺管理的信息化问题;数字化制造是对产品(Product)、工艺(Process)、制造资源(Resource)信息的数字化精确定义和真实全面整合,为ERP\MES提供唯一正确和完整的制造数据源;相信随企业对数字化制造平台软件的逐步认识和深入应用,DM一定能进一步带动MES的普及和应用,一定能进一步促进PLM与ERP的深入集成。
而数字化制造(DM)一定能成为装备制造业信息化中一个重要和关键的领域,成为PLM、ERP、MES的集成基础和枢纽。
四、打造适合中国装备业的数字化制造集成应用平台
中国数字化制造产业领域(DM)的发展虽然起步较晚,但与PLM、ERP领域的发展非常类似;中国ERP领域的第一热潮应该是80年代中期的”财务电算化”工程,财务电算软件应用应该说是ERP领域发展的基石;中国PLM领域的第一次热潮应该是90年代初期的”甩图板”工程,该工程大力推动了二维CAD在中国的普及应用.二维CAD的推广应用应该说是PLM领域的开路先锋;而DM领域在中国的开路先锋应该是90年代末期CAPP软件厂商推动的”甩钢笔”工程,经过十多年的发展,机械制造业特别是装备制造业对工艺信息化的作用越来越认可。
如今在数字化制造领域各种各样的软件和解决方案如雨后春笋般在市场上出现,例如各种工艺设计软件(CAPP)、各种数控编程和数控联网软件(CAM,DNC)、各种排料计算软件、各种制造设备资源的管理软件(工装设计与管理,刀具和卡具的管理)、各种工艺仿真软件(加工仿真MPS,装配仿真APS)、各种工艺管理软件(工艺信息管理PIMS,制造过程管理MPM)等;但是企业在这个领域中的信息化建设明显缺乏总体规划和实施路线图。
ERP、PLM领域经过二十多年的发展,已经成功的从单元的财务软件和CAD软件发展成各自领域的集成应用平台,例如金蝶的EAS、K3平台,用友的NC,U8,U9平台;PLM领域的Teamcenter,windchill平台等。
IT行业的发展规律清楚的告诉我们,只有明确的规划DM的发展路线图,同时打造一个适合中国装备制造的数字化制造集成应用平台,才能避免企业DM领域的重复建设,正确引导企业走向信息化建设的成功,同时使行业得到更为清晰的产业化发展路线。
正如ERP、PLM领域的发展路线是从财务软件、CAD软件开始一样,我们认为DM领域的发展路线应该从工艺设计软件开始,该领域的平台软件发展应该经历如下三个重要的阶段。
第一阶段:
工艺设计集成应用平台
该阶段主要解决的是工艺设计的数字化问题,目前很多企业虽然已经甩了钢笔,采用计算机,通过Word、Excel、甚至CAD应用来编制企业的工艺文件。
但是这些通用软件不能用数字化的手段来描述工艺过程,工艺文件依然成为信息孤岛,不能为企业信息化提供足够的帮助,反而会制约企业信息化的高速发展。
所以目前还没有实施专业工艺设计软件的企业应该尽早实施。
专业的工艺软件(CAPP)应该具备如下几点重要的特征:
1.必须全面的所见所得;这主要是为了让工艺软件更容易上手,降低工艺软件的实施难度;但是无论是卡片式的工艺软件,还是基于三维软件的工艺软件,所见所得的是数据的表现形式,最终形成的数据一定要能以数字化定义的形式被后续的信息系统来利用,这才是工艺软件的核心要素。
2.必须完全基于网络关系数据库;工艺设计完成的不仅是工艺的数据,还包括数据与数据之间的关系。
采取基于网络的关系数据库,构建了工艺数字化模型。
工艺数据才能被下游系统利用,工艺知识更容易积累和重用。
目前有些PDM/CAPP系统,结合PDM的功能将CAPP形成的文件完全类同CAD文件一样扔到数据库中管理,这不仅仅失去了工艺软件要基于网络数据库的初衷,反而形成了更大的孤岛和集成壁垒。
3.必须提供动态的工艺资源支持;工艺资源是工艺编制过程中重要的辅助手段,工艺资源本身应该是随着企业产品的发展,工艺的改进,工艺装备的改进不断动态变化。
目前有些CAPP系统虽然有工艺资源的利用,但是工艺资源是静态的,只能由实施人员来定制,不能随着企业应用CAPP过程自动补充资源数据,自动优化。
另外直接基于三维设计模型来进行工艺设计也是工艺软件CAPP的发展方向之一,这样CAPP能直接继承三维设计定义的各种加工和装配特征,通过基于特征的工艺知识库和工艺资源库的支撑,来辅助生成结构化的工艺数据。
但是无论是基于二维还是三维的设计,专业工艺软件最重要的最基本特征是要基于数据库平台。
第二阶段:
生产技术准备协同平台
该阶段主要解决的是生产技术准备过程的全面信息化,装备制造中生产技术准备是一个周期长,跨部门多,各种数据来源多的过程,虽然制造工艺部门是技术准备中的主力,但是技术准备几乎与企业的所有业务部门有关。
该平台必须从工艺协同上升到技术准备的企业协同高度。
企业生产技术准备的工作内容很多,主要有:
1.制造工程图的准备与管理:
无论是二维还是三维设计,制造工程图的生成、审签、发放、变更都是生产技术准备的重要内容;特别是在设计院与制造中心独立运作的集团企业,设计院可逐步采用三维CAD来做产品研发,但是指导制造中心进行具体产品生产的依然是二维工程图,二维工程图还将在相当长的时间在制造中心发挥重要作用。
2.制造清单的准备与管理:
制造清单的完善涉及设计、工艺、质量等多个部门,包含的内容有制造物料数据、产品结构数据、工艺路线、材料定额、工时定额、质量检查点等;最后清单的使用部门包括工艺,制造,采购,质检等各种部门,需要有一系列的发放和变更管理;
3.技术文件的准备与管理:
各种专业的工艺文件(铸造、锻压、下料、机加、钣金、焊接、装配、喷涂等)生成、审签、发放、变更;包装和运输操作规范、数控程序准备的准备和管理。
其中每种专业的工艺都可有更加专业的软件支撑,例如三维环境下机械加工工艺或者装配工艺的自动生成软件,下料可能有专业排料算法,焊接有专业的焊接专业程序,数控编程有各种专业的CAM软件等;
4.工艺资源的准备与管理:
包括各种设备的安装调试规范;设备的使用管理、工装工具的设计、制造和使用管理;更重要的是要将工艺资源与产品、加工过程通过结构化数据关联起来。
5.工厂布局的准备和管理,合理地安排企业、物料运输路线、人员工作空间等;
6.产品质量保证的技术准备和管理、如程序文件、作业指导书、工作表单等;
7.对制造过程的合规管理。
例如:
焊工的管理等。
生产技术准备协同平台必须有如下的几个重要特征:
1.面向生产技术准备的全部内容;不仅仅包含工艺部门的工作内容;还要让生产技术准备过程中的各种内容,包括产品(Product)、工艺(Process)、制造资源(Resource)数据;它们在唯一的数据源中存储,企业在制造过程中需要检索和查阅的数据都能在这个平台中获取。
2.面向产品的全生命周期;不仅仅面向产品的设计和工艺,还要包含产品的运输、使用维护和报废或者回收利用中所有与过程与资源有关的管理。
3.面向绿色制造;系统必须为企业在生产技术准备阶段搭建一个对生产过程中健康、环境、安全进行合规管理的平台。
4.面向与PDM、ERP、MES的集成应用;制造集成应用平台必须能与这些系统进行集成,充分发挥制造数据源和集成枢纽的作用。
5.采用开放体系架构;该系统一方面是应用集成平台,能集成各种不同类型的制造专业软件;另一方面也是应用开发平台,平台必须提供丰富的快速开发接口,以方便各种专业在该平台上的二次开发。
第三阶段:
数字化制造集成应用平台
该阶段主要在生产技术准备过程的信息化的基础上,对制造过程进行虚拟现实的数字化定义和仿真,以此为基础来不断优化企业的制造过程,并真正实现制造过程的自动化控制。
这个阶段主要实现的目标有:
1.企业产品、资源、过程数字化,虚拟世界的数据和现实世界的数据紧密关联,相互转化、实现企业现实世界在信息系统中的精确描述。
制造过程的建模、定义、模拟、微观上能仿真设备加工过程中的工步,宏观上能仿真整个工厂。
2.在企业承建新的项目、产品时,可以利用原有的信息化模型,正确接受、快速转化、高效输出,可以模拟、预测工艺过程,分析项目、产品的质量、成本、时间,采取多方案比较的方式,优化工艺过程,从而达到提高质量、降低成本、缩短时间的目的。
而在项目、产品结束时,分析与计划之间的差异,持续改进信息化模型,促进数字化制造集成应用平台的持续改进。
3.在企业的知识管理方面,形成企业的制造模型库、案例库、方法库、知识库,如工艺术语、典型工艺、典型工序、创成式工艺模型等,促进企业自主创新能力。
4.在企业的信息系统集成方面,实现各信息系统之间的无缝集成,从数据集成、中间件集成发展到应用集成,彼此之间在权限、流程、规范的基础上实现互操作、互应用,从而把企业的组织结构、作业流程、单元作业、处理对象形成为一个系统化的统一整体。
5.通过对产品、资源、过程数字化的信息共享,实现上下游企业之间更紧密的协同,结合云计算技术和物联网技术,真正实现云制造模式的产业链协作。
数字化制造集成应用平台的三个阶段是结合中国国情的信息化提出的比较务实的原则性的路线图,这三个阶段是相互联系的螺旋上升的过程。
第一阶段的工艺信息化是基础和起点,非常重要;第二阶段的生产技术准备信息化是从部门到企业范围的数字化制造应用过程;也是真正与PLM、ERP、MES等系统进行集成应用的过程;第三个阶段是以企业级应用为基础,以大量的真实数据为基础,通过数字化手段对制造过程的优化,该阶段同时将数字化制造从企业内部的协同扩展到企业间的协同。
随着第三阶段内容的企业应用,势必对第一阶段的工艺信息化的形式和方法提出更高的要求,同时推动整个数字化制造的应用走向更高的层次,从而实现了企业数字化制造的螺旋上升。
五、总结:
由于历史原因,中国的装备制造业的运转体系和众多行业标准都模仿和起源于苏联体系,而信息化的概念基本上来源于欧美,两套体系的出发点是有根本区别的;同时中国装备制造业也不完全遵从市场经济,重大装备制造已经上升到国家战略和安全的高度,这一切对装备制造业企业的信息化要求提出了更多中国特色的要求;同时这些也正好为中国数字化制造领域的自主创新提供了空间和机遇;按照不同发展阶段发展适合中国装备制造的数字化制造集成应用平台系统,不论对我国装备制造业本身发展,还是发展我国自主并领先的工业软件都具有重大意义。
高亮:
智能制造是数字化制造技术发展的必然趋势
发表时间:
2011-6-4来源:
e-works
关键字:
数字化制造技术智能制造高亮数字化设计
中国正处于“中国制造”向“中国创造”发展转型的关键时期。
要实现“中国创造”,除了能够研发先进的产品,更重要的是要能够高效率地制造出高性能、高质量、高可靠性的产品。
目前,CAD、CAE、PDM、ERP、SCM等信息技术在产品研发部门和生产制造部门得到了有效应用,装备技术水平也在大大的提高,而连接设计与制造桥梁的工艺环节则相对比较薄弱,数字化制造技术逐渐被企业应用。
数字化制造的内涵是什么?
包含哪些技术?
数字化制造技术应用的现状及价值?
数字化制造技术未来的发展前景?
带着这些问题,e-works采访了数字化制造领域的一批专家。
本文为华中科技大学高亮教授接受e-works采访内容实录。
e-works:
作为数字化设计与制造领域的专家,您是如何来看待数字化制造这一概念的?
它包含哪些技术?
高亮:
首先,我个人认为“数字化制造”中的“制造”是一个大制造的概念,即包括了从设计到工艺,再从加工到装配,直到产品报废和回收全过程。
其次,“数字化制造”中的“数字化”是手段,即充分利用计算机技术和网络技术,实现传统设计与制造的变革。
最后,广义上讲,我认为“数字化制造”技术包括:
数字化设计、数字化工艺、数字化加工、数字化成形、数字化装配、数字化管理、数字化检验、数字化试验等技术。
e-works:
一直以来,中国制造企业在工艺与制造环节相对薄弱,您认为关键技术壁垒在哪儿?
高亮:
我认为关键技术壁垒在于缺乏基础研究,导致“知其然不知其所以然”。
虽然可以借助反求等技术,完成设计甚至设计变型,但常常出现“形似而神不似”的尴尬。
e-works:
您认为现阶段中国制造企业对于数字化制造有哪些方面的应用需求?
高亮:
现阶段中国制造企业首先应该加强数字化管理技术的应用,在不增加设备、不增加人员、不改变工艺的情况下,通过数字化管理技术的应用,向管理要效益,提高效率,保证质量,降低成本。
其次,中国制造企业应该大力加强数字化设计技术。
在概念设计阶段,就引入数字化设计技术进行创新设计,实现产品的创新。
在详细设计阶段,进行设计优化,实现性能驱动的设计,即在设计阶段,就保证了产品的性能以及可制造性。
第三,中国制造企业应重点解决数字化加工中的问题。
这些年我们花钱引进了不少设备,包括很多高端装备。
但是,不敢用(高速仅用低速)、不会用(五轴当三轴使)等问题普遍存在。
应重点攻克数字化加工路线规划、数字化加工参数优化以及数字化检测规划等瓶颈。
e-works:
就您所知,目前国内外数字化制造技术的研究现状如何?
中国与发达国家的差距在哪儿?
高亮:
目前,国内数字化制造技术得到了长足的发展。
但是与发达国家相比,无论是在数字化制造技术的研究上,还是在数字化制造技术的应用上,我们都有很大的差距。
差距产生的一个重要原因是:
在数字化制造技术的研究上,国内始终停留在理论方法层面上,没有变成具体的系统或工具,导致国外的数字化制造软件几乎一统天下。
在数字化制造技术的应用上,国内重视买设备、买软件,但忽视了相应的人才培养,缺乏与之匹配的技术力量,影响了数字化制造技术的应用效果。
e-works:
请您谈谈数字化制造技术在装配制造业及电子、汽车等行业应用的现状及价值?
高亮:
数字化制造技术目前在汽车行业的应用比较成熟,走在前面;在装备制造业也到了比较全面系统的应用;在电子行业的主要环节得到了应用,但全面性还不够。
未来无论哪个行业,都离不开数字化制造技术。
我个人相信这一点。
e-works:
请您谈谈数字化制造技术未来的发展前景?
高亮:
未来数字化制造技术将向着智能化的方向发展。
数字化是手段,更是基础;智能化也是手段,但更高一级。
智能制造技术将是数字化制造技术发展的必然,即采用智能方法,实现智能设计、智能工艺、智能加工、智能成形、智能装配、智能管理等等,进一步提高设计制造管理全过程的效率。
当然,绿色也是未来的方向发展之一,无论是数字化,还是智能化,都要实现环保,实现低碳制造。
肖田元:
数字化制造是工业信息化的代名词
发表时间:
2011-7-11e-works黄菊锋来源:
e-works
关键字:
数字化制造工业信息化肖田元中国创造
中国正处于“中国制造”向“中国创造”发展转型的关键时期。
近年来,数字化制造技术逐渐被企业应用。
相比国外,我国的数字化制造技术还处于起步阶段,一方面大部分制造企业的重视程度不够,另一方面对数字化制造技术也有不同的认识。
数字化制造的内涵是什么?
包含哪些技术?
数字化制造技术应用的现状及价值?
数字化制造技术未来的发展前景?
带着这些问题,e-works电话采访了清华大学肖田元教授。
e-works:
作为系统仿真与虚拟制造领域的专家,您是如何来看待数字化制造这个概念的?
和您所研究的虚拟制造所涵盖的技术是否有所不同呢?
肖田元:
数字化制造(DigitalManufacturing)中“制造”有两种理解,一种是狭义的数字化制造,即是指应用CAX、PDM/PLM、DFX等系统,围绕产品,从设计开始(包括概念设计、详细设计)到整个加工制造过程(如工厂布局、生产线平衡安排,工厂生产过程如何与产品设计阶段集成等)。
另一种理解是广义的制造,还包括企业经营管理活动,即是围绕着产品的全生命周期开展的活动。
在这个活动中包括两条主线,一条是围绕产品设计、研发、加工制造等过程,一条是从管理的角度,包括从经营管理、生产计划、生产调度、车间布局、财务等方面。
因此,广义的数字化制造是通过信息技术来改善和提升制造企业的工业信息化水平,所以我认为数字化制造可以说是工业信息化的代名词。
虚拟制造(VirtualManufacturing)与数字化制造涉及的对象相同,主要区别在于侧重点不一样。
虚拟制造以数字化为基础,是在计算机上实现实际制造的本质过程,着眼于认识制造的本质规律。
虚拟制造强调的是对制造活动进行建模,进而通过对模型的仿真以支持和提高制造活动的决策与预测水平。
数字化制造则是强调将制造过程的信息转变成计算机能够识别的信息并进而进行加工和处理,以支持制造过程的各种活动。
相比虚拟制造,数字化制造的内容更广泛。
e-works:
一直以来,中国制造企业在工艺与制造环节相对薄弱,您认为关键技术壁垒在哪儿?
肖田元:
我认为中国制造业最薄弱是自主设计,目前很多企业的研发设计还不是真正意义上的设计。
中国制造企业在工艺与制造环节的薄弱表现在:
第一基础研究不够深入。
工艺编制面对的是不同的产品、不同的材料、不同的要求,但目前国内对工艺的基础研究比较薄弱。
第二工业信息化在工艺方面应用得较浅。
CAPP大多停留在工艺过程文档化,没有充分结合虚拟制造技术,制造过程仿真、加工过程仿真、装配过程仿真等技术来预测工艺的合理性、加工制造过程的正确性,以减少实际的工艺规划、加工过程规划等反复迭代的过程,提高产品质量的稳定性。
在制造方面,虽然加工设备有大幅度改善,但设备的利用率低,主要原因是信息化与工业化在制造过程的融合水平仍有较大差距,同时缺乏高素质的操作人员也是重要的原因。
e-works:
目前,数字化制造技术在我国制造企业典型应用领域有哪些?
应用过程中会遇到哪些困难?
对此您有什么建议?
肖田元:
数字化制造所涉及的领域很广,特别是从工业化与信息化融合的角度来看,任何制造企业都在应用数字化制造技术。
在应用的过程中遇到困难也比较多,从大的方向来讲,一方面来自企业自身的困难,即对数字化制造重要性的认识不够。
从工业化向信息化推进过程中,数字化制造是企业的必由之路,是企业应对激烈市场竞争的武器。
如果制造企业从高层领导到技术人员到操作人员都能够充分认识到这一点,就能以一种积极主动的态度应用数字化制造技术,并将其作为自己必须掌握的一种手段,那么就会大大加速数字化制造的推进。
另一方面数字化制造技术的适应性,企业需要相对成熟的数字化制造解决方案,但信息化尚处在一个不断发展的阶段,且信息化的核心技术和产品大部分是被国外掌握,具有自主知识产权或符合中国国情的信息化产品难以抗衡。
许多企业在发展过程中不得不对信息化重复投资,以适应版本的升级、换型,甚至推倒重来。
在围饶加速“中国创造”的理念下,如何在数字化制造、虚拟制造等领域充分发挥我们的“后发优势”,包括如何提高信息化技术应用的水平,需要大家共同努力。
e-works:
您认为虚拟仿真、虚拟制造、数字化制造等先进制造技术对于提升我国制造企业的制造能力有何意义?
肖田元:
数字化制造可以大大提高我国企业的自主设计、制造的能力,是企业发展壮大的必由之路。
中国是一个制造大国,而非制造强国,虚拟制造是加速我国“创造”的根本手段,即使在目前以引进为主的阶段,也需要借助虚拟制造等技术真正消化和掌握国外先进产品的known-h
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