數字化企業(yè)發(fā)展研究
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摘要：介紹了我國制造型企業(yè)的現狀，論述了西門子數字化企業(yè)集成解決方案，并提出了數字化企業(yè)的發(fā)展路徑。重點分析了基于MBD的設計工藝一體化解決方案、基于MBD的仿真行業(yè)應用、基于MBD的模具快速設計、基于MBD的質量規(guī)劃解決方案，為數字化企業(yè)的發(fā)展提供借鑒與參考。
關鍵詞：企業(yè)數字化發(fā)展
1時代背景
在大數據時代，數字化已成為企業(yè)的寶貴資產。從國家政策層面上看，我國已經有多個文件涉及企業(yè)數字化的進程。而在美國、歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(qū)，早已提出了加快數字化進程的相關計劃。領先一步的企業(yè)，在數字化問題上已經成為傳統企業(yè)轉變?yōu)閿底只髽I(yè)的先鋒。企業(yè)應該從四個方面重點推進數字化進程：①自上而下推行企業(yè)數字文化；②分階段向數字化轉型；③創(chuàng)新基于企業(yè)數據基礎的商業(yè)模式；④構建以客戶為中心的敏捷數字化供應鏈體系。
2我國制造型企業(yè)現狀
我國制造型企業(yè)采用傳統研發(fā)模式，普遍存在以下問題：（1）設計和工藝部門沒有統一的三維設計工具，導致設計數據類型繁多，實現數據交互非常困難；（2）缺乏統一的三維設計規(guī)范與標準，不利于數據的管理和交流，工作效率較低；（3）沒有規(guī)范的產品生命周期管理，缺乏有效的知識和信息管理平臺，產品開發(fā)流程不完善，數據安全得不到有效保證，缺乏有效的設計任務規(guī)劃、分配和評審環(huán)節(jié)；（4）沒有工藝仿真驗證，工藝的合理性及優(yōu)化裝配路線等只有在實物加工時或加工后才能得到驗證；（5）沒有虛擬仿真環(huán)節(jié)，物理驗證消耗成本大，很多質量問題無法提前預見，嚴重的甚至會導致批量召回。
3西門子數字化企業(yè)集成解決方案
所謂數字化企業(yè)，是指那些由于使用數字技術，改變并極大拓寬自身戰(zhàn)略選擇的企業(yè)。數字化企業(yè)具有自身的戰(zhàn)略特點，建立了一種企業(yè)模式，能夠以新的方式創(chuàng)造并捕捉利潤，建立新的、強大的客戶和員工價值理念。更重要的是，數字化企業(yè)應當具有獨特性。我國工業(yè)全面數字化轉型已成必然趨勢,借鑒西門子數字化企業(yè)集成解決方案，為數字化轉型創(chuàng)造了技術上的先決條件。在離散工業(yè)和過程工業(yè)的各個領域，西門子正攜手客戶推進數字化轉型升級。無論企業(yè)何種規(guī)模，何種行業(yè)，落地工業(yè)4.0的時機已經成熟。西門子是全球領先的技術企業(yè)，170年來不斷致力于卓越的工程技術、創(chuàng)新、品質、可靠和國際化發(fā)展。西門子業(yè)務遍及全球，專注于電氣化、自動化和數字化領域。作為世界最大的高效能源和資源節(jié)約型技術供應商之一，西門子在高效發(fā)電和輸電解決方案、基礎設施解決方案，以及工業(yè)自動化、驅動和軟件解決方案等領域占據領先地位。西門子還是影像診斷設備，如計算機斷層掃描和磁共振成像系統，以及實驗室診斷和臨床信息技術領域領先的供應商。西門子作為全球數字化頂級供應商，其數字創(chuàng)新平臺能為數字化企業(yè)在軟件方面奠定基礎。這一平臺可以在產品性能、產品開發(fā)和生產運營等方面培養(yǎng)持續(xù)的創(chuàng)造力。西門子數字化企業(yè)集成解決方案支持企業(yè)從產品設計、生產規(guī)劃、生產工程、生產實施直至服務的各個環(huán)節(jié)打造一致、無縫的數據平臺，形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術的現實企業(yè)鏡像。西門子形象地稱之為數字化雙胞胎，完整真實地再現整個企業(yè)，從而幫助企業(yè)在實際投入生產之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，在生產過程中也可以同步優(yōu)化整個流程，最終實現高效的柔性生產，并快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)的持久競爭力。西門子持續(xù)將新組織和新技術高效地融入其行業(yè)領先的數字化企業(yè)軟件套件中，幫助企業(yè)為產品和生產線創(chuàng)造全面、精確的數字化雙胞胎，占據行業(yè)優(yōu)勢。
4數字化企業(yè)發(fā)展路徑
總結我國制造企業(yè)在數字化轉型時的經驗，一般會經歷設計數字化、裝配數字化、生產過程數字化、管理數字化幾個階段，最終實現數字化智能工廠。鑒于我國制造業(yè)現狀，推薦按以下路徑進行數字化轉型：（1）逐步引入西門子數字化企業(yè)軟件套件，應用于產品研發(fā)的各個階段，并制定應用標準和規(guī)范；（2）將產品三維模型打造為傳遞下游生產活動所需詳細信息的恰當載體，企業(yè)所有部門和團隊都使用三維模型作為信息傳遞途徑；（3）將所有流程數據通過生產生命周期管理軟件進行管理，確保數據的安全性和可靠性，將虛擬仿真過程提前；（4）在數字化制造技術的幫助下，設計和工藝人員在生產生命周期管理統一的虛擬平臺上進行產品設計、工藝設計、仿真與模擬驗證；（5）引入本地化技術支持，貼合企業(yè)實際需求，進行知識庫定制、模板制作、工藝流程定制及二次開發(fā)等。西門子數字化產品套件支持制造企業(yè)產品開發(fā)全過程，但是企業(yè)的需求遠不止于此，如何更好地將數字化軟件與企業(yè)當前的需求結合起來，進行流程化、標準化、信息化的協同開發(fā)，這才是重點。針對企業(yè)數字化轉型過程中所面臨的難題和痛點，進行深入剖析，提出立足企業(yè)現狀、基于西門子工業(yè)軟件產品的效率倍增數字化轉型服務。效率倍增指基于西門子軟件平臺的深度數字化應用服務，結合用戶企業(yè)產品的特點和需求，幫助用戶實現真正基于三維的研發(fā)，建立真正的虛擬數字研發(fā)流程體系和數據包規(guī)范。效率倍增的核心是根據企業(yè)業(yè)務流程和產品特點，基于MBD（ModelBasedDefinition）規(guī)范，構建企業(yè)級模型產品知識體系，對市場和客戶需求、生產過程中的信息進行數據化處理，成為可統計、可計算、可分析的數據。同時對制造環(huán)節(jié)實現知識結構化，與信息數據對稱，逐步取代人在制造過程中的重復性工作，幫助企業(yè)實現敏捷、精準的設計制造。最終建立以數字化模型為基礎、以數字化流程為效率、以物料清單為核心、以上下游協同為關鍵的制造全過程。按企業(yè)的業(yè)務場景，具體分為以下版塊：基于MBD的快速研發(fā)設計、基于MBD知識工程的工程設計、基于MBD的仿真行業(yè)應用、基于MBD的工裝仿真設計、基于MBD的模具快速設計、基于MBD的結構化工藝設計、基于MBD的工藝仿真優(yōu)化、基于MBD的制造規(guī)劃設計、基于MBD的質量規(guī)劃工程、面向企業(yè)的增材制造應用、面向企業(yè)的數字化服務。
5基于MBD的設計工藝一體化解決方案
MBD指用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息，詳細規(guī)定三維實體模型中產品尺寸、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法。MBD使三維實體模型成為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以二維工程圖紙為主、以三維實體模型為輔的制造方法，使集成化的三維數字化實體模型成為生產過程中的主要依據，對數據管理及設計下游的活動，包括工藝規(guī)劃、車間生產等產生重大影響。應用基于MBD的設計工藝一體化解決方案，企業(yè)逐漸實現三維數字化產品定義、三維數字化工藝開發(fā)和三維數字化數據應用，形成一個完整且基于MBD的三維數字化設計、工藝、制造技術應用體系。
5.1汽輪機公司
某汽輪機公司作為機械工業(yè)100強和全國三大汽輪機制造基地之一，現有總資產逾120億元和7000余名員工，專業(yè)技術人員2500余名，中高級人員占48%，主要生產設備2500余臺，其中大、精、稀設備和數控機床500余臺。經過40年的建設發(fā)展，該公司現已具備了各等級火電汽輪機、核電汽輪機開發(fā)研制和批量生產的綜合實力。自建立以來，公司已累計生產各種類型機組660余臺，國內市場占有率超過25%，產品遍及全國各地，并出口馬來西亞、印度尼西亞、伊朗、孟加拉國、巴基斯坦等國，產品質量、技術水平和使用性能均受到國內外用戶的普遍好評。該公司在數字化制造方面起步較早，已經在部分車間成功實現了數控機床聯網的工作。盡管如此，在數字化制造方面還存在很多問題，目前比較突出的問題表現如下：（1）設計平臺不統一，數據格式不統一，數據交換困難，很難實現協同辦公，重復工作量大；（2）技術準備流程較長，工作流程幾乎為單線條模式，設計數據傳遞到工藝、采購、生產等部門的流程長；（3）零件三維模型重用性差，同一個零件，設計部門要建模，工藝部門要建模，重復勞動量較大。針對該公司在數字化轉型過程中存在的比較突出的問題，對葉片譜系歸納總結，梳理葉片工程設計業(yè)務流程，建立葉片參數化要素庫，實現模塊化驅動，為葉片智能快速設計做好準備。開發(fā)葉片知識設計平臺，實現葉片的自動創(chuàng)建、智能編輯等設計工作，極大地提高了葉片設計的工作效率。具體實施效果如下：（1）統一了軟件平臺，使數據溝通沒有障礙；（2）建立完整的葉片三維設計規(guī)范，規(guī)范了葉片的設計流程；（3）開發(fā)基于知識工程的葉片設計、工藝一體化平臺，實現葉片全三維設計和工藝設計，完全實現數據重用；（4）利用葉片結構化知識模板技術，實現葉片三維模型自動創(chuàng)建；（5）基于產品知識體系，實現葉片尺寸自動標注；（6）自動生成葉片三維結構化工藝；（7）幫助企業(yè)建立了基于葉片三維模型的設計、工藝知識體系。通過效率倍增數字化技術服務，該公司葉片分廠建立了快速設計、快速工藝一體化平臺，葉片設計、工藝編制效率提升了80%，交貨期縮短了20%。該公司研發(fā)了統一平臺，協助梳理葉片需求數據化，建立基于葉片三維模型的結構化知識體系，從而實現基于MBD的葉片敏捷精準化制造。由此，該汽輪機公司向數字化轉型邁出了堅實的一步。
5.2儀器儀表公司
某儀器儀表公司成立于1999年，其前身是1965年從上海、江蘇、遼寧等地內遷的熱工儀表總廠，是20世紀60年代國家重點布局的三大儀器儀表制造基地之一，主要生產和經營工業(yè)自動化儀表及控制裝置。工業(yè)自動控制裝置制造業(yè)跨裝備制造和電子信息兩大領域，其整體發(fā)展水平不僅體現國家的綜合科技實力，而且維系著國民經濟可持續(xù)發(fā)展和國家經濟安全，是高新技術改造傳統產業(yè)、推進新型工業(yè)化、實施智能制造、實現產業(yè)升級，以及促進節(jié)能減排、環(huán)境保護、轉變經濟發(fā)展方式的重要支撐，是21世紀大國競爭的基礎性、戰(zhàn)略性產業(yè)。該公司在數字化轉型的道路上十分坎坷，目前比較突出的問題表現如下：（1）缺少三維產品設計，產品可靠性低；（2）手工搭建物料清單，與模型、圖紙沒有關聯，錯誤率及返工率高；（3）訂單選配參數不統一，產品系列多，導致設計冗余度高，產品零部件通用性低；（4）二維工藝編制較粗糙，且僅有零件通用工藝，無法指導現場生產。采用基于MBD的設計工藝一體化解決方案，幫助該公司解決了上述問題，具體表現在對球閥閥體部件類別歸納總結，梳理球閥選型設計業(yè)務流程，建立閥體部件及各個零部件的參數化模板，實現產品級模塊化驅動，為閥體部件智能裝配做好準備。開發(fā)知識設計平臺，根據工程物料清單實現閥體部件和管道附件的智能裝配、智能工程圖等設計工作，極大地提高了搭建物料清單和球閥設計的工作效率，降低返工率。開發(fā)工藝平臺，根據產品模型實現快速搭建和重用產品零件工藝。具體實施效果如下：（1）采用規(guī)范標準和統一平臺，實現了知識驅動、經驗積累，以及沒有障礙的數據溝通；（2）建立完整的球閥三維設計規(guī)范、二維制圖規(guī)范、檢查規(guī)范，規(guī)范了產品的設計流程；（3）開發(fā)基于球閥產品的工程設計、工藝一體化平臺，實現球閥全三維設計和快速工藝，完全實現數據重用；（4）基于客戶訂單及產品參數信息進行判斷，快速搭建產品物料清單數據結構，利用產品工程物料清單及產品結構化知識模板技術，實現閥體部件和管道附件的三維模型智能裝配；（5）快速生成球閥零件的三維結構化工藝；（6）幫助該公司建立了基于球閥三維模型的工程設計、工藝知識體系。通過效率倍增數字化技術服務，該公司建立了球閥自動搭建物料清單、快速設計和快速工藝一體化平臺，球閥物料清單搭建、設計，以及工藝編制效率提升了80%，交貨期縮短了20%。該公司建立了協同設計平臺，梳理客戶標準產品參數信息，快速搭建產品物料清單，并實現基于球閥產品級的三維模型庫快速設計，建立三維結構化工藝，進而實現基于MBD的球閥敏捷精準化制造。由此，公司走上了更可靠、更高效的數字化轉型之道。
6基于MBD的仿真行業(yè)應用
6.1電機
電機設計是一個復雜的多物理場問題，涉及的領域包括電磁、結構、控制、流體和溫度等。隨著新材料、新工藝及各種電機新技術的發(fā)展，電機設計的要求越來越苛刻，同時精度要求越來越高，傳統的設計方法和手段已經不能滿足現代電機設計的要求，必須借助于現代仿真技術才能解決設計中的各種問題。通過數字化仿真軟件，可以分析電機組件的靜態(tài)剛度和強度、沖擊剛度和強度，以仿真來驗證客戶設計方案的合理性。
6.2汽車零部件
從智能電子、信息娛樂、電信到高級軟件等領域，車輛制造商正在為今天的消費者不斷推出突破性的創(chuàng)新科技。同時，面對日益增長的燃料費用和嚴峻的環(huán)境問題，汽車制造商需要重新設計汽車系統，包括空氣動力學、發(fā)動機、傳動裝置、車身、乘客舒適性及電氣電子系統等。數字化仿真軟件針對汽車零部件進行靜態(tài)剛度和強度分析、動態(tài)剛度和強度分析、模態(tài)分析、多體動力學分析及疲勞分析，通過仿真驗證客戶設計方案，確認零部件失效的原因，并驗證改進方案。
7基于MBD的模具快速設計
注塑模具企業(yè)目前大多采用三維數據設計，部門之間流通的數據格式根據企業(yè)信息化水平的不同，部分基于三維數據，但更多的是基于二維數據，即工程圖傳遞。如質檢部門基于工程圖進行檢測，加工和裝配部門也基本全部基于二維圖紙。這與企業(yè)硬件設備的配置有直接關系，可見二維工程圖在模具企業(yè)中依然具有比較重要的作用，對模具企業(yè)的設計和制造周期有較大影響。某企業(yè)是中國最大的汽車線束生產企業(yè)之一，為國內各大整車制造商供貨。該企業(yè)承接各種線束接插件的模具設計、制造、生產業(yè)務，其產品質量獲得客戶廣泛認可。該企業(yè)是外商在中國的全資子公司，在10年前就已經開始采用三維設計軟件進行模具設計，軟件應用水平在當時處于行業(yè)領先水平。但是隨著我國模具企業(yè)的飛速發(fā)展，國家對企業(yè)信息化建設的重視，越來越多的模具企業(yè)通過對軟件的定制開發(fā)實現軟件深層次的應用，并取得了顯著的成效，使設計效率和質量都有了很大提高，競爭力大大加強。而該企業(yè)仍然延續(xù)著十幾年前的軟件應用方式，水平還一直停留在原始狀態(tài)，相對而言競爭力明顯減弱，導致在利潤方面也越來越沒有優(yōu)勢。針對該企業(yè)的現狀，定制了系統化的專用制圖環(huán)境，以及可靈活使用的工程圖工具，具體包含模具屬性快速填寫工具、零部件屬性快速填寫工具、工程圖批量創(chuàng)建工具、視圖自動擺放工具、外形尺寸自動標注工具、標題欄自動填寫工具、尺寸格式工具、尺寸序號工具、尺寸上色工具、尺寸加粗工具、尺寸版本號標注工具、技術要求快速填寫工具、自動物料清單表輸出工具、批量打印工具等。通過效率倍增數字化技術服務，該企業(yè)的設計制圖效率提升了80%，人力成本大大降低。
8基于MBD的質量規(guī)劃解決方案
質量安全問題一直是制造型企業(yè)最關注的問題之一，即使是世界上著名的大型汽車制造商，也會存在各種各樣的質量問題，嚴重時甚至要進行整車召回。隨著汽車的不斷普及，各種質量問題頻出，小則為車身附件、電器、發(fā)動機、變速器問題，大則為斷軸門事件、剎車門事件，嚴重威脅人民群眾的生命安全。質量成本問題也長期困擾著汽車制造企業(yè)，例如：對于不良的變速器定位設計，在設計階段發(fā)現，只需要幾個小時時間的檢查和修改；而若在試生產階段發(fā)現，則要花費10萬~25萬美元的成本；如果在量產階段發(fā)現，將是百萬美元級別以上的成本，同時還要承擔延期、召回、信譽受損等影響。可見，只有在設計階段發(fā)現問題，才能把質量控制在好的質量成本區(qū)，否則質量成本就會處于壞的區(qū)域，對于企業(yè)而言，損失將是相當嚴重的。制造偏差問題會嚴重影響產品的功能、可裝配性、外觀和舒適性。以汽車裝配舉例，車門關閉力太大、風噪異常、發(fā)動機蓋周邊配合不良、輪胎漂移、牽引異常、前大燈匹配困難等都是由制造偏差所引起的問題。西門子提供了五種基本工具來作為解決方案：可視化平臺上的三維公差分析和變異仿真工具、NX三坐標編程工具、尺寸規(guī)劃和驗證工具、糾正和預防方案管理、特征管理。通過效率倍增數字化技術服務，對三維公差分析和變異仿真工具、三坐標編程工具進行集成研發(fā)，對其它工具的功能進行優(yōu)化，以提高五種工具的使用效率及使用質量，為企業(yè)帶來定制化的質量解決方案，幫助企業(yè)解決質量安全、質量成本和制造偏差問題。
作者：周挺 單位：上海聯宏創(chuàng)能信息科技有限公司
