數(shù)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(xiàn)狀，論述了西門子數(shù)字化企業(yè)集成解決方案，并提出了數(shù)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(shù)字化企業(yè)的發(fā)展提供借鑒與參考。

關鍵詞：企業(yè)數(shù)字化發(fā)展

1時代背景

在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)字化已成為企業(yè)的寶貴資產(chǎn)。從國家政策層面上看，我國已經(jīng)有多個文件涉及企業(yè)數(shù)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(shù)字化進程的相關計劃。領先一步的企業(yè)，在數(shù)字化問題上已經(jīng)成為傳統(tǒng)企業(yè)轉變?yōu)閿?shù)字化企業(yè)的先鋒。企業(yè)應該從四個方面重點推進數(shù)字化進程：①自上而下推行企業(yè)數(shù)字文化；②分階段向數(shù)字化轉型；③創(chuàng)新基于企業(yè)數(shù)據(jù)基礎的商業(yè)模式；④構建以客戶為中心的敏捷數(shù)字化供應鏈體系。

2我國制造型企業(yè)現(xiàn)狀

我國制造型企業(yè)采用傳統(tǒng)研發(fā)模式，普遍存在以下問題：（1）設計和工藝部門沒有統(tǒng)一的三維設計工具，導致設計數(shù)據(jù)類型繁多，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互非常困難；（2）缺乏統(tǒng)一的三維設計規(guī)范與標準，不利于數(shù)據(jù)的管理和交流，工作效率較低；（3）沒有規(guī)范的產(chǎn)品生命周期管理，缺乏有效的知識和信息管理平臺，產(chǎn)品開發(fā)流程不完善，數(shù)據(jù)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(shù)字化企業(yè)集成解決方案

所謂數(shù)字化企業(yè)，是指那些由于使用數(shù)字技術，改變并極大拓寬自身戰(zhàn)略選擇的企業(yè)。數(shù)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(shù)字化企業(yè)應當具有獨特性。我國工業(yè)全面數(shù)字化轉型已成必然趨勢,借鑒西門子數(shù)字化企業(yè)集成解決方案，為數(shù)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(shù)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(jīng)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(shù)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(jù)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(tǒng)，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(shù)字化頂級供應商，其數(shù)字創(chuàng)新平臺能為數(shù)字化企業(yè)在軟件方面奠定基礎。這一平臺可以在產(chǎn)品性能、產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)運營等方面培養(yǎng)持續(xù)的創(chuàng)造力。西門子數(shù)字化企業(yè)集成解決方案支持企業(yè)從產(chǎn)品設計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實施直至服務的各個環(huán)節(jié)打造一致、無縫的數(shù)據(jù)平臺，形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術的現(xiàn)實企業(yè)鏡像。西門子形象地稱之為數(shù)字化雙胞胎，完整真實地再現(xiàn)整個企業(yè)，從而幫助企業(yè)在實際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，在生產(chǎn)過程中也可以同步優(yōu)化整個流程，最終實現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)，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(shù)字化企業(yè)軟件套件中，幫助企業(yè)為產(chǎn)品和生產(chǎn)線創(chuàng)造全面、精確的數(shù)字化雙胞胎，占據(jù)行業(yè)優(yōu)勢。

4數(shù)字化企業(yè)發(fā)展路徑

總結我國制造企業(yè)在數(shù)字化轉型時的經(jīng)驗，一般會經(jīng)歷設計數(shù)字化、裝配數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化幾個階段，最終實現(xiàn)數(shù)字化智能工廠。鑒于我國制造業(yè)現(xiàn)狀，推薦按以下路徑進行數(shù)字化轉型：（1）逐步引入西門子數(shù)字化企業(yè)軟件套件，應用于產(chǎn)品研發(fā)的各個階段，并制定應用標準和規(guī)范；（2）將產(chǎn)品三維模型打造為傳遞下游生產(chǎn)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(shù)據(jù)通過生產(chǎn)生命周期管理軟件進行管理，確保數(shù)據(jù)的安全性和可靠性，將虛擬仿真過程提前；（4）在數(shù)字化制造技術的幫助下，設計和工藝人員在生產(chǎn)生命周期管理統(tǒng)一的虛擬平臺上進行產(chǎn)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(shù)字化產(chǎn)品套件支持制造企業(yè)產(chǎn)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(shù)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(xié)同開發(fā)，這才是重點。針對企業(yè)數(shù)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(xiàn)狀、基于西門子工業(yè)軟件產(chǎn)品的效率倍增數(shù)字化轉型服務。效率倍增指基于西門子軟件平臺的深度數(shù)字化應用服務，結合用戶企業(yè)產(chǎn)品的特點和需求，幫助用戶實現(xiàn)真正基于三維的研發(fā)，建立真正的虛擬數(shù)字研發(fā)流程體系和數(shù)據(jù)包規(guī)范。效率倍增的核心是根據(jù)企業(yè)業(yè)務流程和產(chǎn)品特點，基于MBD（ModelBasedDefinition）規(guī)范，構建企業(yè)級模型產(chǎn)品知識體系，對市場和客戶需求、生產(chǎn)過程中的信息進行數(shù)據(jù)化處理，成為可統(tǒng)計、可計算、可分析的數(shù)據(jù)。同時對制造環(huán)節(jié)實現(xiàn)知識結構化，與信息數(shù)據(jù)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(xiàn)敏捷、精準的設計制造。最終建立以數(shù)字化模型為基礎、以數(shù)字化流程為效率、以物料清單為核心、以上下游協(xié)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(shù)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(chǎn)品定義信息，詳細規(guī)定三維實體模型中產(chǎn)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(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，改變了傳統(tǒng)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(shù)字化實體模型成為生產(chǎn)過程中的主要依據(jù)，對數(shù)據(jù)管理及設計下游的活動，包括工藝規(guī)劃、車間生產(chǎn)等產(chǎn)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(xiàn)三維數(shù)字化產(chǎn)品定義、三維數(shù)字化工藝開發(fā)和三維數(shù)字化數(shù)據(jù)應用，形成一個完整且基于MBD的三維數(shù)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(xiàn)有總資產(chǎn)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(chǎn)設備2500余臺，其中大、精、稀設備和數(shù)控機床500余臺。經(jīng)過40年的建設發(fā)展，該公司現(xiàn)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(chǎn)的綜合實力。自建立以來，公司已累計生產(chǎn)各種類型機組660余臺，國內市場占有率超過25%，產(chǎn)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(chǎn)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(shù)字化制造方面起步較早，已經(jīng)在部分車間成功實現(xiàn)了數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)的工作。盡管如此，在數(shù)字化制造方面還存在很多問題，目前比較突出的問題表現(xiàn)如下：（1）設計平臺不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)交換困難，很難實現(xiàn)協(xié)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(shù)據(jù)傳遞到工藝、采購、生產(chǎn)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(shù)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(shù)化要素庫，實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)一了軟件平臺，使數(shù)據(jù)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(xiàn)葉片全三維設計和工藝設計，完全實現(xiàn)數(shù)據(jù)重用；（4）利用葉片結構化知識模板技術，實現(xiàn)葉片三維模型自動創(chuàng)建；（5）基于產(chǎn)品知識體系，實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)一平臺，協(xié)助梳理葉片需求數(shù)據(jù)化，建立基于葉片三維模型的結構化知識體系，從而實現(xiàn)基于MBD的葉片敏捷精準化制造。由此，該汽輪機公司向數(shù)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(chǎn)和經(jīng)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(xiàn)國家的綜合科技實力，而且維系著國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和國家經(jīng)濟安全，是高新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、推進新型工業(yè)化、實施智能制造、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，以及促進節(jié)能減排、環(huán)境保護、轉變經(jīng)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(chǎn)業(yè)。該公司在數(shù)字化轉型的道路上十分坎坷，目前比較突出的問題表現(xiàn)如下：（1）缺少三維產(chǎn)品設計，產(chǎn)品可靠性低；（2）手工搭建物料清單，與模型、圖紙沒有關聯(lián)，錯誤率及返工率高；（3）訂單選配參數(shù)不統(tǒng)一，產(chǎn)品系列多，導致設計冗余度高，產(chǎn)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(xiàn)場生產(chǎn)。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(xiàn)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(shù)化模板，實現(xiàn)產(chǎn)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(jù)工程物料清單實現(xiàn)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(jù)產(chǎn)品模型實現(xiàn)快速搭建和重用產(chǎn)品零件工藝。具體實施效果如下：（1）采用規(guī)范標準和統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)了知識驅動、經(jīng)驗積累，以及沒有障礙的數(shù)據(jù)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(chǎn)品的設計流程；（3）開發(fā)基于球閥產(chǎn)品的工程設計、工藝一體化平臺，實現(xiàn)球閥全三維設計和快速工藝，完全實現(xiàn)數(shù)據(jù)重用；（4）基于客戶訂單及產(chǎn)品參數(shù)信息進行判斷，快速搭建產(chǎn)品物料清單數(shù)據(jù)結構，利用產(chǎn)品工程物料清單及產(chǎn)品結構化知識模板技術，實現(xiàn)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(shù)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(xié)同設計平臺，梳理客戶標準產(chǎn)品參數(shù)信息，快速搭建產(chǎn)品物料清單，并實現(xiàn)基于球閥產(chǎn)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(xiàn)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(shù)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(tǒng)的設計方法和手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電機設計的要求，必須借助于現(xiàn)代仿真技術才能解決設計中的各種問題。通過數(shù)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(tǒng)，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(tǒng)等。數(shù)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(shù)據(jù)設計，部門之間流通的數(shù)據(jù)格式根據(jù)企業(yè)信息化水平的不同，部分基于三維數(shù)據(jù)，但更多的是基于二維數(shù)據(jù)，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(chǎn)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(chǎn)業(yè)務，其產(chǎn)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(jīng)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(xiàn)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?jīng)]有優(yōu)勢。針對該企業(yè)的現(xiàn)狀，定制了系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)，只需要幾個小時時間的檢查和修改；而若在試生產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)，則要花費10萬~25萬美元的成本；如果在量產(chǎn)階段發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(chǎn)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(shù)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(lián)宏創(chuàng)能信息科技有限公司