PLM支持下的数字化制造

数字化制造的发展历程    对制造过程数字化的设想，最早可以追溯到20世纪50年代，美国麻省理工学院的研究人员设想在屏幕上对零件模型进行操作，同时，按照屏幕上的模型，在机床上加工零件。这在当时只不过是一种理想。此后，数控技术和数控机床的出现有力地支持了这个设想，使得用数字量控制零部件的加工过程成为可能。早期的数控机床既庞大又昂贵，应用范围很小。后来的几十年的时间里，计算机技术迅速发展，运算速度加快、存储容量加大，体积不断缩小，这对数控机床控制系统的发展产生了极大的促进。与此同时，CAD、CAM和CAPP技术的发展，直接推动了数字化制造的发展。    20世纪80年代以来，以色列等国家先后开始了系统的数字化制造的研究和应用。首先，在1985年前后开始了机器人运动学仿真研究，并应用于机器人的离线编程。这对于使用机器人的生产线，特别是汽车工业，有重要意义。它大大地缩短了生产线的调试、生产准备周期，提高了新产品面市的速度。    从一些生产系统的仿真优化、生产单元的自动化研究开始，关于“数字化”制造的理念和实践从一些“点工具”逐渐发展起来，一步步地推向了制造工程的各个方面，形成了计算机辅助生产工程(CAPE)的概念。1996年前后，制造过程数字化就开始向构建完整制造过程框架发展，在制造服务器上建立工艺模型，产品和生产数据实现共享，各个“点工具”类型的专业模块无缝地集成在一起，支持整个工艺过程的各个环节，包括：生产计划制订、生产线定义和平衡、工时定额、零件加工和数控编程、装配过程研究、质量控制、人机功效、厂房布局、工作指导、工艺文件生成等等，形成了功能齐全的、运行在计算机上的“数字化工厂(DigitalFactory)"。在这里，仿真作为主要的技术手段被广泛地应用。高性能计算机和网络支持的虚拟制造环境是“数字化工厂”运行的基础。制造过程的关键环节和本质特征都先于物理的实际过程展现出来，生产过程可能出现的问题也可在规划的早期被发现，从而较早地得到解决。    2000年初，以色列Tecnomatix公司在公司年会上提出了MPM的理念，支持制造过程生命周期，即从工艺过程规划、制造工艺技术和设备到成品的过程，将整个制造链的所有成员包括OEM设计师、工艺工程师、设备制造厂和物料供应商联系到一个虚拟的企业里。MPM有助于制造商形成最佳的生产策略以支持商业策略，它的实施结果进一步推动了数字化制造向全方位的解决方案发展。近两年， PLM日渐成为许多制造企业的统一架构的数字化平台，MPM已经成为PLM平台不可分割的一部分。数字化制造与产品研发共享统一环境，在充分发挥工艺技术仿真优势的同时，又全面提升了在制造数据管理、工艺过程管理和资源管理上的能力。
     
数字化制造过程    制造过程，从规划到执行，涉及各种复杂而相互联系的活动—从零件加工和装配工艺规划到工厂设计、工作单元布局、人机工程分析和质量规划。基于PLM的数字化制造解决方案能够支持并简化所有这些活动，缩短工作周期，改善协同并促进在整个制造过程中知识和资源的重用。    制造过程可以抽象为一个由产品、工艺流程和资源三要素组成的流程模型。其中，产品是毛坯、原材料、半成品、零件、部件及最终产品的统称。工艺流程是制造产品的全部工序的集合，包括加工、装配等环节。资源，广义地包括人员、工厂、工具和夹具等工艺装备，是工艺流程得以进行的条件。随着制造过程的进行，经过一道道工序，产品形态逐渐由最初的原材料、毛坯向能满足使用要求的最终产品变化。    一个完整的产品，往往由若干个部件和零件组成，每个部件由若干个子部件或零件组成。在PLM环境下，所有零、部件按逻辑层次配置在产品树上。来自CAD的大量产品信息包括多种形式：描述零部件几何形状的数模和图纸、记载技术条件和标准的文本文件、相关的动画或影视文件等都集成在产品结构树里。实际应用时，还要表示出同样产品的不同版本。    工艺过程包括多道工序。工序信息包括工序名称、操作内容、工时、操作人员、所需设备及刀具工装等。一个工序会分成若干工步来执行。设计和创建工艺流程时，根据具体的零部件的形状，功能、工艺要求，结合工厂结构、车间分工原则，制订工艺路线、选择合理的工序和工步，分派适当的工作单元并指派所需工艺装备，指定所需操作人员技术等级。PLM平台下的工艺流程的设计过程，也是由设计物料清单BOM，创建制造BOM的过程。BOM信息与制造过程清单(BOP)相关联，确保在正确的上下文工作环境中使用正确的产品配置。    资源信息来自工厂设计和工位布局平台、工装夹具设计平台等多条渠道。在PLM环境下，对多种制造资源进行分类管理，根据企业成功的典型工艺和制造经验形成的模版，保证对资源和工厂布局的合理利用。    PLM环境下的使用有效性管理，可以根据销售的不同情况和产品不同批次技术条件的改变，提供正确的信息，进行有效的变更管理，保证产品数字化制造过程的正确性和在产品全生命周期范围内对工程变更的快速反应。    PLM是制造企业信息化战略，也是实施信息化的平台。这种制造过程信息化的机制将保证制造团队更有效的协同，使工作团队在需要的时候，更快地访问关键数据，实现企业典型工艺及制造经验的共享，实现企业的知识工程和知识管理。工艺计划及其仿真验证    产品生命周期管理(PLM)在规划产品的生产时，把实际的产品数据、所需的制造资源、工序操作和制造特征联系起来建立起完整的工艺产品、工艺流程和资源过程信息，就形成了表述清晰的工艺规划，它是数字化制造全过程的基本线索，它使所有工艺信息可以在企业内部和整个企业供应链各环节中所有相关人员实现高度共享。    在数字化的工艺规划界面上，实现了产品三维显示，可进行缩放、旋转操作，计划调度人员可以清晰地的观察产品的状态变化。工序的实施顺序、各工序的名称和实施内容、所需时间和资源以各种表格、图表和文字等形式清楚地表示出来。借助工艺规划可以量化地进行产能分析、定额分配和工位布局设计。Pert图把零件、制造特征和资源与操作联系起来。同时，它可以定义各工序间的物料流，进而制定物料计划。借助Gantt图的功能，在计划人员的介人下调整生产线平衡和识别生产线上的关键路径。同时，工艺规划会警示计划人员注意是否存在潜在的资源利用冲突。    初步制定的工艺规划，还可以借助离散事件仿真功能，进行生产线的性能分析，包括产量、物料流、负荷平衡、瓶颈和缓冲区大小等，实现计划的验证和优化。    对离散事件系统进行仿真分析，一般的要建立系统的仿真模型，根据工作站和操作的类型，选择适当的分布函数和控制策略来描述系统。在PLM环境下建立仿真模型时，工艺规划的许多信息可以来自PLM系统，软件自动完成信息传递，操作方便。对仿真模型进行足够长时间的运行后，系统给出该计划方案在连续运行后表现出来的性能指标值，如生产能力、节拍、效率、在制品、库存等，并用图表、报告等形式表示出来。当生产规模较大、系统比较复杂时，进行仿真分析的模型会采用层次化的结构，分别表示工厂、车间生产线、工段、班组等层次，使得模型的表述很清晰，看上去一目了然。工厂、车间、工段不同级别的生产、计划人员可以就自己职责范围进行更深入的分析研究，掌握全局与局部的关系，必要时进行适当调整。当仿真建模考虑到了内部和外部供应链、生产资源和商务过程时，可以分析生产变更对上下游带来的影响，评估不同的生产线控制策略的优劣，验证生产线和次级生产线的同步情况。    有些生产线运行中可能存在“瓶颈”，它限制了整个系统的运行效率，成为提高产能的关键。对这样的问题，生产部门会提出多种改进的办法，这些办法往往都是对原方案的局部修订。通过对修订方案的仿真运行并进行定量分析，就可以给出最后的改进办法。    有些行业在对生产系统进行设计和优化时，越来越多地把物流考虑在内，对物流的走向、密度、运输方式进行仿真分析，将物流可视化，用Sankey图可以直观地显示当前配置下的物料传输量。    有许多仿真工具把遗传算法应用到生产系统仿真中，可以根据各种约束条件(如产量、库存、资源利用和交付日期等)来优化系统参数，使系统达到总体优化的目标。