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智能制造之路：数字化工厂 [:1704014160]
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智能制造之路：数字化工厂 2.2 智能工厂解决方案要素
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2.2.1 产品数字化建模与开发系统
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产品的研发、设计、制造、质检等组成了产品生产过程，而过程是一系列相关活动组成的有机序列，通过过程才能形成产品并产生效益。为提高制造的成功率和可靠性，在数字化制造中应格外重视工艺过程，即产品加工过程、装配过程及生产系统规划、重组和仿真等技术的研究，以实现生产资源和加工过程的优化及从传统制造向可预测制造转变的目的。出于工艺过程的复杂性，很难用一个模型来描述，所以在工艺过程建模中往往采用多视图和复合过程模型描述。所谓多视图，即从产品信息、开发活动、企业资源和组织结构等多方面分别进行描述，然后通过集成化方法产生模型间的映射机制；复合过程模型是指对过程、产品数据及资源数据的复合描述，也包括复合各种模型的特点，如功能模型中的结构分析，动态模型中的状态转移及对象模型中的封装、继承等特点。按照加工过程的特点，加工过程中的建模和仿真指的是对刀具轨迹进行运动模拟，并判断在刀具与原材料的相对运动过程中是否存在干涉。同时在智能工厂装配环节，通过虚拟装配环境可以有效地提高装配车间现场的现代化管理水平。在车间现场，所提供的三维可视化装配工艺文档（包括装配工艺过程动画、三维模型、装配工装和工具、辅助材料清单等）使装配人员可以更清晰、更快速地理解装配意图，从而减少或部分替代实物试装，提高生产效率，降低生产成本。
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可以说，产品数字化模型不仅是产品性能仿真的基础，而且是生产系统建立、工艺路线确定和工艺过程建模的基础。产品数字化建模技术主要研究的是在计算机内部采用什么样的数字化模型来描述、存储和表达现实世界中的产品，包括产品的几何形状、结构、性能与行为状态等信息。对机械产品而言，由于产品的几何形状和结构是最基本的信息，因此自三维CAD系统（如NX）出现以后，数字化建模技术首先成功应用在产品的数字化定义和数字化预装配方面。
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下面以西门子产品数字化建模与开发解决方案NX为例进行详细阐述。NX支持产品开发中从概念设计到工程和制造的各个方面，为客户提供了一套集成的工具集，用于协调不同学科、保持数据完整性和设计意图以及简化整个流程。应用领域最广泛、功能最强大的最佳集成式应用程序套件NX可大幅提升生产效率，帮助客户制定更明智的决策并更快、更高效地提供更好的产品。除了用于计算机辅助设计、工程和制造（CAD/CAM/CAE）的工具集以外，NX还支持在设计师、工程师和更广泛的组织之间进行协同，为此，它提供了集成式数据管理、流程自动化、决策支持以及其他有助于优化开发流程的工具，主要有：
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·面向概念设计、三维建模和文档的高级解决方案。
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·面向结构、运动、热学、流体、多物理场和优化等应用领域的多学科仿真。
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·面向工装、加工和质量检测的完整零部件制造解决方案。
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NX将面向各种开发任务的工具集成到一个统一的解决方案中，所有技术领域均可同步使用相同的产品模型数据。借助无缝集成，客户可以在所有开发部门之间快速地传播信息和进行流程变更。NX利用Teamcenter软件（Siemens PLM Software推出的一款协同产品开发管理（cPDM）解决方案）来建立单一的产品和流程知识源，以协调开发工作的各个阶段，实现流程标准化，加快决策过程。实践表明，NX帮助客户推出了更多新产品，减少了30%以上的开发时间，将设计-分析迭代周期缩短了70%以上，减少了多达90%的计算机数控（CNC）编程时间。
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如图2-6所示，借助全面的三维产品设计，NX可以帮助客户以更低的成本实现更出色的创新和更高的质量。NX还可让设计团队自由地使用最高效的方法来处理手头的任务，设计师可以借助无缝交换功能来选择线框、曲面、实体参数或直接建模技术。NX包含强大的装配体设计工具，其卓越的性能和能力能够在完整的装配体环境中进行交互式操作，即使是对于最复杂的模型也能胜任。装配体导航、多CAD样机、干涉分析、路径规划和其他工程工具可加快装配体设计并改善质量。对于专业化的设计任务，NX提供了针对特定流程的建模工具，在钣金设计、焊接设计以及电气和机械布线方面优于通用CAD。NX还提供了设计模板，可加快设计速度，实现工程流程标准化。客户可以基于现有模型创建模板，进而在新设计中轻松地重用它们，模板中还可以纳入仿真、制图、验证和其他工程领域的最佳实践。
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图2-6 基于NX的设计
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借助高级自由曲面建模、形状分析、渲染和可视化工具，NX能够交付专用工业设计系统的全部功能，还可提供与NX设计、仿真和制造功能的完整集成。通用的集成工具箱将二维、三维、曲线、曲面、实体、参数和同步建模结合在一起，有助于轻松快速地创建和编辑形状，可在基本形状的基础上轻松地进行构造，或通过逆向工程来参照实物对象，进而创建概念模型。NX的形状分析和验证工具有助于确保设计的完整性、质量和可制造性。同时，NX将机械、电子和电气设计与流程集成到统一的机电产品设计解决方案中。从印制电路板设计到机械封装、电气配线和线缆设计，NX提供了各种工具来支持不同部门之间的协同。机械、电子和控制系统设计师可以使用并行流程来提供高质量产品。
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工程师们一直都在努力尝试在整个系统的层面更好地了解产品性能。NX CAE（见图2-7）提供了能够更轻松地执行系统仿真的方法。NX CAE是一种现代的多学科环境，其面向的人群包括高级分析师、工作组和设计师。他们需要及时地提供高质量的性能分析以推动做出更明智的产品决策。与无关联的单学科CAE工具不同，NX CAE将一流的分析建模与用于结构分析、热分析、流体分析、运动分析、多物理场分析和优化分析的仿真解决方案集成到一个环境中，它还可以将仿真数据管理无缝集成到分析师工作流程中，因此不会再丢失某些隐蔽的硬盘驱动器中的信息。最后，NX CAE使公司可以将仿真扩展到设计社区，并且加强分析师和设计师之间的协同，从而实现仿真驱动型设计。
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图2-7 NX CAE
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另外，NX CAE可与Teamcenter的仿真过程管理模块无缝集成。仿真数据管理功能是“安装即用”的，因此企业可以建立一个完整的CAE数据、过程和工作流程管理环境，将其作为更广泛的产品开发环境的一部分。这样可以通过促进现有设计和工程知识的重用来减少时间浪费。仿真数据管理还实现了仿真与设计同步，并在数据挖掘、可视化和报告过程中保证仿真结果随时可供存取。NX Open（NX自动化和编程的通用基础）可用于创建和自动执行客制化CAE流程以提高生产效率。
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在制造过程阶段，NX在单个CAM系统中提供一整套数控（NC）编程功能与一系列集成的制造软件应用程序。这些强大的应用程序为零部件建模、工装设计和数控测量编程带来了便利，所有这一切都以可满足未来需求的成熟NX体系架构为基础。NX允许在从零部件设计到生产的整个过程中使用通用三维模型。高级模型编辑、工装和夹具设计以及零部件和数控测量编程都具有关联性，可轻松快速地实现变更。以CAM（见图2-8）等单一的应用程序为基础，NX可以通过扩展来建立完整的零部件制造解决方案，包括与车间系统和设备的连接。
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图2-8 CAM
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2.2.2 产品全生命周期管理系统
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生产一件完美的产品可能会涉及数千甚至数百万项决策。不论是重大决策还是细微决策，都会影响产品质量。庞大的企业中的任何个人在任何时候制定的决策都可能影响产品的成败。除此之外，产品复杂性所带来的影响也不容忽视。随着技术的复杂程度不断增加，电子和软件组件已与机械零部件发挥着同样重要的作用。然而，组件之间的接口却经常被忽略，直到开发环节的后期才引起关注。此时，需要找出最佳实践和方法，并且无论从事哪项业务，在将新产品推向市场时，还必须考虑法规要求、环境影响、成本和质量。并且，在市场竞争日益激烈的今天，越来越多的制造商都意识到，一流产品不仅是成功的源泉，而且是持久成功的基础。因此强调产品创新、加强产品开发的科学管理引起了人们的充分重视，也促进了产品生命周期管理思想的推广应用。PLM是一种应用于单一地点的企业内部、分散在多个地点的企业内部，以及在产品研发领域具有协作关系的企业之间的，支持产品全生命周期的信息创建、管理、分发和应用的一系列应用解决方案，它能够集成与产品相关的人力资源、流程、应用系统和信息。
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PLM的主要管理内容是产品信息，唯拥有具有竞争能力的产品，才能让企业获得更多的用户和更大的市场占有率，所以针对制造业的信息化过程应该以用户的“产品”为中心，把重点放在为用户建立一个既能支持产品开发、生产和维护的全过程，同时又能持续不断地提升创新能力的产品信息管理平台上。PLM解决方案把产品放在一切活动的核心位置，PLM可以从ERP、CRM以及SCM系统中提取相关的信息，从而允许用户在企业的整个网络中共同进行概念设计、产品设计、产品生产以及产品维护。PLM解决方案为产品全生命周期的每一个阶段都提供了数字化工具，同时还提供信息协同平台，将这些数字化工具集成使用。此外，还可以使这些数字化工具与企业的其他系统相配合，把PDM与其他系统集成和整合成一个大系统，以协调产品研发、制造、销售及售后服务的全过程，缩短产品的研发周期、促进产品的柔性制造、全面提升企业产品的市场竞争能力。PLM系统完全支持在整个数字化产品价值链中构思、评估、开发、管理和支持产品，把企业中多个未连通的产品信息孤岛集成为一个数字记录系统。PLM构件可分为三个层次，对象构件、功能构件和应用构件。对象构件单元提供系统的基本服务，如事件管理、数据连接管理等，是与应用相分离的；功能构件则提供特定的PLM功能服务，如数据获取与编辑、数据管理与查询、数据目录管理、模型管理等，是PLM构件开发中的核心；应用构件为特定的应用服务，直接面向PLM用户，响应用户的操作请求，如产品配置、变更控制、文档处理等，是最上层的PLM构件。企业应根据PLM系统的实际需要，选择重用对象并对其进行概括提炼，明确它的算法和数据结构的软件构架，对重用对象匹配进行实例化，最后根据重用技术提供的框架，将已实例化的包含在可重用零部件库中的软件零部件合成一个完整的软件系统。
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