前言
　　
隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢的加劇，數(shù)字化制造越來越引起人們的關(guān)注，這和產(chǎn)品制造過程的重要性密不可分，任何創(chuàng)新的產(chǎn)品如果不能被高效率的制造出來都毫無意義，并且制造過程的成本通常占總成本的70%以上，因此通過應(yīng)用數(shù)字化制造技術(shù)來優(yōu)化制造工藝及提高制造效率的意義十分重大，且前景廣闊。據(jù)報(bào)道，運(yùn)營好的企業(yè)約有50%使用數(shù)字化虛擬制造系統(tǒng)支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程、制造流程的并行開發(fā)，使工藝人員在產(chǎn)品開發(fā)前期，就參與產(chǎn)品研發(fā)，提高產(chǎn)品可制造性；約有45%的企業(yè)對制造工藝和過程重用，避免所有設(shè)計(jì)都從頭開始。CIMdata咨詢公司的調(diào)查(2003)顯示，采用了數(shù)字化制造技術(shù)的汽車制造企業(yè)，其產(chǎn)品推向市場的速度增加了30%，重復(fù)設(shè)計(jì)減少了65%，生產(chǎn)規(guī)劃流程精簡了40%，平均產(chǎn)量增長了15%。 中國制造業(yè)正處于由‘中國制造’向‘中國創(chuàng)造’調(diào)整和轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，智能制造已上升為國家戰(zhàn)略。目前，我國的制造業(yè)多停留在低端加工階段，基礎(chǔ)工業(yè)、核心技術(shù)、制造工藝、信息化智能化技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還有較大差距，特別是制造工藝的仿真分析優(yōu)化還處于初級階段，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的同樣產(chǎn)品，由于未能經(jīng)過充分的制造工藝優(yōu)化，造成制造可靠性得不到保證，故障率居高不下，使產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢大打折扣。隨著動(dòng)力換擋、無級變速拖拉機(jī)產(chǎn)品的日趨復(fù)雜，自動(dòng)化、智能化程度越高，建立數(shù)字化制造仿真分析平臺(tái)，通過定量手段，對制造工藝和過程進(jìn)行成本、變更的優(yōu)化分析，保證可制造性前提下，實(shí)現(xiàn)快速、低成本、高質(zhì)量的制造，提高企業(yè)核心競爭力。
 
1 數(shù)字化制造概念
　　
1.1 數(shù)字化制造
數(shù)字化制造是利用數(shù)字化技術(shù)的工具軟件在實(shí)物產(chǎn)品被生產(chǎn)制造出來之前，進(jìn)行工藝規(guī)劃、設(shè)計(jì)、仿真和管理的過程。數(shù)字化制造的內(nèi)涵即數(shù)字化產(chǎn)品 (Product)、數(shù)字化工藝流程規(guī)劃(Process)、數(shù)字化工廠布局規(guī)劃(Plant)、車間生產(chǎn)數(shù)字化管理(Production)和數(shù)字化制造資源(Resource)，這里的資源既包括數(shù)字化設(shè)備(比如數(shù)控加工中心、機(jī)器人等)，也包括工具、工裝和操作工人。數(shù)字化制造技術(shù)彌補(bǔ)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造之間的鴻溝，使得在虛擬環(huán)境中開發(fā)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，在被投入車間正式生產(chǎn)之前，可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行工藝規(guī)劃、設(shè)計(jì)和仿真。產(chǎn)品設(shè)計(jì)保證產(chǎn)品能夠達(dá)到性能上的要求，解決做什么產(chǎn)品問題；數(shù)字化制造保證產(chǎn)品制造能夠達(dá)到設(shè)計(jì)上的技術(shù)參數(shù)和精度要求，又要高效保質(zhì)低成本，解決了如何制造問題。在進(jìn)入產(chǎn)品的制造周期，數(shù)字化制造與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)有著緊密的聯(lián)系。MES系統(tǒng)按照數(shù)字化制造規(guī)定的工藝完成實(shí)際的制造過程。因此MES與數(shù)字化制造系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)雙向的信息集成。在產(chǎn)品實(shí)施過程中，約有40%～60%的時(shí)間要用于工藝規(guī)劃生產(chǎn)準(zhǔn)備。見圖1。

1.2 數(shù)字化工廠
數(shù)字化工廠布局規(guī)劃是數(shù)字化制造的一部分，通過利用三維方式快速設(shè)計(jì)高效工廠的布局；利用物流軟件分析優(yōu)化發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和瓶頸，提高規(guī)劃的準(zhǔn)確性和效率；一次建?？梢栽诋a(chǎn)品全生命周期過程中需要提高產(chǎn)能或增加產(chǎn)品種類時(shí)，進(jìn)行產(chǎn)量仿真；并能最大限度地減少資本投資和提高生產(chǎn)效率。
 
2 數(shù)字化工廠軟件選型的經(jīng)驗(yàn)
　　
2.1 需求分析
目前拖拉機(jī)企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)層和企業(yè)管理層的數(shù)字化具備了一定基礎(chǔ)，產(chǎn)品研發(fā)基本實(shí)現(xiàn)了3D設(shè)計(jì)與仿真分析；但生產(chǎn)工藝規(guī)劃部分設(shè)計(jì)手段嚴(yán)重滯后，尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。對于產(chǎn)品而言，一個(gè)完整的生命周期應(yīng)該包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、制造、維護(hù)等諸多階段，這其中，制造環(huán)節(jié)往往比設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)更為重要，一個(gè)好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)只有能夠被高效率的制造出來，才能為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。
 
隨著動(dòng)力換擋拖拉機(jī)等產(chǎn)品技術(shù)含量越來越高，對車間的自動(dòng)化智能化程度要求也越高，制造工藝日趨復(fù)雜，目前采用的2D設(shè)計(jì)方式，很難進(jìn)行各專業(yè)協(xié)同交流和工藝評審，導(dǎo)致工廠建成后發(fā)現(xiàn)干涉和瓶頸時(shí)而難以糾正。
 
工藝材料研究所承擔(dān)著一拖集團(tuán)公司制造技術(shù)進(jìn)步的技術(shù)支撐職能，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析工具和技術(shù)，為公司新建、擴(kuò)建技術(shù)改造項(xiàng)目的重組和運(yùn)行進(jìn)行仿真分析其可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等，使生產(chǎn)線在投入運(yùn)行前就了解系統(tǒng)的使用性能，為生產(chǎn)過程優(yōu)化提供支持和依據(jù)。
 
2.2 品牌選擇
2.2.1 調(diào)研
目前數(shù)字化工廠技術(shù)在全球范圍內(nèi)的汽車、航空航天機(jī)器人等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用并創(chuàng)造了可觀效益，如BMW、Ford、大眾等公司普遍采用數(shù)字化工廠技術(shù)，德國大眾汽車公司從2002年就開始使用西門子Tecnomatix解決方案，將其用于支持產(chǎn)品分析、工廠建模和工藝規(guī)劃等領(lǐng)域。一汽大眾采用Tecnomatix數(shù)字化工廠技術(shù)成功完成了其AUDI A6L白車身生產(chǎn)線的建模和優(yōu)化仿真解決方案。三一集團(tuán)運(yùn)用達(dá)索、交大江衡數(shù)字化工廠系統(tǒng)在14個(gè)事業(yè)部/公司先后進(jìn)行了23項(xiàng)數(shù)字化工廠技術(shù)應(yīng)用探索。
 
截至2010年底，三一集團(tuán)運(yùn)用數(shù)字化工廠系統(tǒng)在14個(gè)事業(yè)部/公司先后進(jìn)行了23項(xiàng)數(shù)字化工廠技術(shù)應(yīng)用探索，通過數(shù)字化工廠的成功應(yīng)用，起重機(jī)二期基建周期相對于一期縮短了50%、降低設(shè)備投資4000余萬元、降低基建成本100多萬元、廠房設(shè)備空間占用率提升了14%、物料庫存占用率降低了11%、大件物流軟件路線縮短了15%、倉庫日配送減少570多次。
 
德國大眾汽車公司的工程師們在認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)規(guī)劃軟件的使用可以幫助提高效率之后，開始研究和比較各類生產(chǎn)規(guī)劃軟件。“在車身制造、物流軟件及機(jī)器設(shè)備規(guī)劃方面，Siemens的Tecnomatix解決方案力克群雄”。他們通過應(yīng)用認(rèn)識(shí)到，“在項(xiàng)目初期的虛擬規(guī)劃做得越詳細(xì)、越精確，開始實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的出現(xiàn)的問題就會(huì)越少，成本會(huì)越低“。
 
通過以上調(diào)研，大眾等汽車行業(yè)主要使用西門子的Tecnomatix中的工廠快速建模與物流軟件優(yōu)化三個(gè)模塊，航空航天、三一等使用達(dá)索DELMIA中的車間物流軟件仿真與分析模塊。國內(nèi)交大江衡研發(fā)的數(shù)字化工廠軟件主要用于上飛、三一昆三等項(xiàng)目上。

通過以上對比分析，達(dá)索的DELMIA數(shù)字化制造解決方案，廣泛用于航空航天高端客戶，基于CATIA產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件上進(jìn)行工藝并行研發(fā)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)向制造數(shù)字化的延伸；西門子的Teamcenter數(shù)字化制造解決方案，以制造自動(dòng)控制為基礎(chǔ)，集成NX等軟件形成的，是自動(dòng)化制造技術(shù)向產(chǎn)品創(chuàng)新、數(shù)字化制造、MES的延伸，與制造結(jié)合更緊密；江衡自主開發(fā)數(shù)字化制造解決方案，沒有產(chǎn)品與制造的基礎(chǔ)，二次開發(fā)比較靈活，比較適合中國國情。
 
2.2.3 選擇適合的產(chǎn)品
綜合以上的調(diào)研和對比，參考我所目前使用的西門子NX設(shè)計(jì)軟件，以及在一拖廣泛使用的西門子PLC控制系統(tǒng) ，從集成性和自動(dòng)化發(fā)展趨勢以及與MES的接口方面考慮，選擇西門子數(shù)字化工廠設(shè)計(jì)與仿真軟件作為我們數(shù)字化制造的一個(gè)切入點(diǎn)，以便今后在西門子Teamcenter數(shù)字化制造平臺(tái)上擴(kuò)展虛擬加工、裝配、自動(dòng)化仿真、人機(jī)工程等功能。
 
數(shù)字化工廠模擬仿真軟件所需的功能包括四方面：
1、快速建立工廠布局模型功能；2、仿真分析功能，通過仿真分析生產(chǎn)線瓶頸并進(jìn)行優(yōu)化；3、工廠的生產(chǎn)物流軟件可視化； 4、生成數(shù)據(jù)報(bào)表功能。
西門子工廠仿真設(shè)計(jì)和優(yōu)化解決方案的優(yōu)勢：
西門子工廠仿真軟件提供了方便易用的集成化的圖形操作界面，無需編譯即可進(jìn)行操作，可以隨時(shí)進(jìn)行建模、仿真、結(jié)果評估、動(dòng)畫等工作；集成的“SimTalk”語言，能夠讓工程師自由地對物流軟件策略進(jìn)行控制；工廠仿真軟件提供豐富的結(jié)果分析工具，如瓶頸分析、Sankey圖分析、Gantt圖分析等；采用基于遺傳算法的自動(dòng)優(yōu)化工具還能夠?qū)S仿真模型進(jìn)行高效率的優(yōu)化，幫助工廠提高工廠產(chǎn)能、提高設(shè)備利用率和降低成本；廣泛的應(yīng)用程序接口能夠讓用戶的其他應(yīng)用系統(tǒng)和工廠仿真軟件進(jìn)行有效的集成，保護(hù)用戶在已有系統(tǒng)上的投資，擴(kuò)展工廠仿真的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。
 
產(chǎn)品品牌確定后，也便于招標(biāo)時(shí)在一個(gè)平臺(tái)上比價(jià)。
2.2.4 確定招標(biāo)要求
1)商務(wù)方面：著重強(qiáng)調(diào)投標(biāo)人資格中需經(jīng)過西門子公司的授權(quán)，必須有近二年同類型項(xiàng)目的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)以及培訓(xùn)、二次開發(fā)能力。
2)技術(shù)方面：提供的軟硬件產(chǎn)品必須達(dá)到招標(biāo)文件所要求的功能，指導(dǎo)協(xié)助甲方完成二條涂裝線的數(shù)字化建模和仿真分析。采購的軟件清單見表2。
 
2.3 招標(biāo)定標(biāo)
按照一拖公司招標(biāo)流程進(jìn)行招標(biāo)公示，對報(bào)名的投標(biāo)方交由紀(jì)委進(jìn)行資格審查，合格后方可參與投標(biāo)。評標(biāo)由行業(yè)及公司的相關(guān)專家組成，對符合條件的四家投標(biāo)方嚴(yán)格按照公平、公正、公開的原則進(jìn)行議標(biāo)，確定中標(biāo)方。
 
3 實(shí)施效果
　　
項(xiàng)目自合同生效之日起，一個(gè)月內(nèi)供貨并安裝調(diào)試15天培訓(xùn)，100天指導(dǎo)我方完成涂裝線的數(shù)字化工廠物流軟件仿真項(xiàng)目的實(shí)施，截至目前已經(jīng)分別在拖拉機(jī)覆蓋件和底盤涂裝線、工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件涂裝線、消失模鑄造生產(chǎn)線上進(jìn)行了二維物流軟件仿真分析、三維虛擬試運(yùn)行的探索與應(yīng)用。
使用時(shí)，首先在FactoryCAD中構(gòu)建整個(gè)涂裝生產(chǎn)線的三維工廠模型，再通過FactoryCAD和Plant Simulation的專用接口將三維模型導(dǎo)入到Plant Simulation進(jìn)行物流軟件分析仿真，指導(dǎo)工程師找出系統(tǒng)運(yùn)行的瓶頸并且加以優(yōu)化。
 
在拖拉機(jī)底盤涂裝線、消失模生產(chǎn)線上，利用FACTORY CAD軟件快速進(jìn)行了三維布局，并利用工廠仿真軟件實(shí)現(xiàn)涂裝線設(shè)備三維動(dòng)畫，祥見圖3，仿真涂裝線設(shè)備工作情況；并采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，增加了方案的可視化程度，可以使客戶也能身臨其境的進(jìn)行方案評審，增加方案的可讀性和直觀性，容易與用戶交流溝通，方便決策。見圖3。

在拖拉機(jī)覆蓋件涂裝線、消失模生產(chǎn)線上，利用物流軟件仿真軟件檢驗(yàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)布局、資源利用率、生產(chǎn)節(jié)拍、產(chǎn)能和效率、物流軟件和供需鏈、生產(chǎn)線平衡等是否合理，是否存在瓶頸問題，從而更好的優(yōu)化涂裝線，并根據(jù)仿真的結(jié)果，通過專家系統(tǒng)和優(yōu)化方法的輔助，修改設(shè)計(jì)、優(yōu)選了方案；并將優(yōu)選方案用于指導(dǎo)拖拉機(jī)覆蓋件涂裝線的項(xiàng)目上，使涂裝線在投入運(yùn)行前就了解系統(tǒng)的使用性能，分析其可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等，為生產(chǎn)過程優(yōu)化提供支持和依據(jù)。感謝西門子及實(shí)施方案對我們的支持。見圖4。

結(jié)論
　　
本項(xiàng)目根據(jù)數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展趨勢，以及企業(yè)目前的需求，通過調(diào)研分析對比，介紹了本企業(yè)數(shù)字化工廠物流軟件仿真分析軟件的選型過程與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合企業(yè)信息化、自動(dòng)化應(yīng)用現(xiàn)狀，并考慮長遠(yuǎn)數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展及功能的擴(kuò)展應(yīng)用，采用了西門子的三維工廠建模軟件FactoryCAD、生產(chǎn)線物流軟件分析仿真軟件Plant Simulation軟件，提高了一拖的工廠設(shè)計(jì)水平，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
 
目前使用過程中還存在一些不盡如人意之處，西門子在汽車行業(yè)的四大工藝上已經(jīng)有成熟的數(shù)字化工廠解決方案，汽車用戶實(shí)施時(shí)可以借鑒的庫和標(biāo)準(zhǔn)相對較多。而針對拖拉機(jī)行業(yè)品種多、產(chǎn)量不大的制造的特點(diǎn)還未形成成熟的解決方案，加上我們目前主要在涂裝線和消失模線上應(yīng)用，非標(biāo)設(shè)備較多，提供的可供借鑒的工具庫不全，因此在FACTORY CAD上快速建立工廠模型的優(yōu)勢還未充分體現(xiàn)；所以物流軟件分析多以二維方式進(jìn)行；企業(yè)自建參數(shù)化設(shè)備模型庫需要二次開發(fā)，比較麻煩。希望在今后的實(shí)施過程中，西門子軟件能夠針對拖拉機(jī)行業(yè)特點(diǎn)不斷推出完善的解決方案，更易操作，給予農(nóng)機(jī)行業(yè)終端用戶更多的技術(shù)支持，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)數(shù)字化制造技術(shù)的進(jìn)步。