隨著汽車行業的迅速發展，新產品不斷涌現，產品的市場壽命日益縮短， 更新換代加速，諸多因素威脅著汽車主機廠的生存環境。因而汽車企業根據市 場需求做出快速反應和決策，推出新的 產品，有效地縮短產品的生命周期是提 高企業競爭力的必要手段。

　　那么如何才能做到有效地縮短產品 的生命周期呢?本文主要針對汽車總裝 工藝規劃方面，說明了如何使用數字化 制造技術提高工藝規劃水平、縮短新產品開發周期，新工廠布局、工藝驗證及 設備選型與驗證的時間。

　　在2000年之前，國內的汽車主機廠 很少獨立完成整個汽車開發流程，尤其 是轎車的產品設計、生產轉化等一系列 技術工作，大部分主要依靠進口國外品 牌成型車進行生產。但在近些年，隨著國內自主品牌的崛起，國內制造水平的 提升，許多主機廠都已經轉換為自主研 發、自主生產的公司策略，一定程度上 得到了市場的認可。但產品的開發成本 以及質量都面臨著巨大的問題。原因是傳統的制造模式已經不符合的先進生產 技術的要求。

　　傳統的制造模式是將設計與制造 分開，設計實現的是功能的描述，而制造現實現的是設計的物化，兩者之間缺 乏集成。為了完成設計的意圖，往往對 生產制造要求很高或者生產無法滿足設 計要求。與此同時，隨著計算機和網絡 技術的發展，使得基于多媒體計算機系統和通信網絡的數字制造技術為現代制

　　造系統的并行作業、分布式運行、虛擬 寫作、遠程操作與監視等提供了可能。 基于這樣的原因和條件，數字化工廠(Digital Factory，DF)技術在信息時 代的制造業中應運而生。

　　數字化工廠技術是數字制造中關 鍵環節之一，數字化工廠技術主要解決產品設計和產品制造之間的“鴻溝”， 從而實現工廠、車間和生產線以及產品 從設計到制造實現的轉化工程，使設計 到生產制造之間的不確定性降低，在數字空間中將生產制造過程進行壓縮和提 前，使生產制造過程在數字空間中得 以檢驗，從而提高系統的成功率和可靠性，縮短從設計到生產地轉化時間。為 此，數字化工廠可定義為：以產品全生命周期的相關數據為基礎，根據虛擬制造的原理，在計算機虛擬環境中，對整 個生產過程中進行仿真、評估和優化，進一步可以擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。

　　那么究竟數字化工廠是如何運行的呢?

　　數字化工廠主要是將整個生產的 信息總結為三類對象。這三類對象分別為：產品、工藝及資源。詳細地講，產 品主要是指汽車的零件信息，其中包含 車身件、裝配件及標準件。工藝是指描 述如何安裝零件的方法，以及零件安裝的后質量特性，一般汽車廠都會以工藝卡的形式體現整個裝配的工藝。資源是指為生產提供的全部的設備以及人員，就拿一個普通的工位舉例，可能包含擰 緊槍、輸送設備、物料箱、工裝夾具以及操作者等。那么數字化工廠技術的主 旨實際上就是將產品、工藝及資源三者 有機地結合起來，在3D技術、模擬技術 的渲染條件下，直觀地觀察每個工位所 包含的全部信息。這樣可以使工藝規劃 人員很容易地發現設計的問題所在，可 以及時地反饋到設計部門，然后再做相 應的調整，將制造成本降低到最小。

　　下面筆者就按步驟分析數字化工廠 的工作內容。數字化工廠技術在裝配工 藝的運用實際上包含以下幾個階段：(1) 產品的輸入及管理;(2)工藝的建立;(3) 資源的建立;(4)產品、工藝、資源的關 系搭建。

　　一、產品的輸入及管理

　　在設計第一次與工藝在新產品的交流中，實際上有如下幾種交付資料：一 是產品零件的明細表，我們稱之為BOM(Bill of Materials)表，主要的內容是 汽車零件的清單;二是產品的3D數據， 這些數據都是以車身坐標系下體現的， 而且BOM表上的零件清單與產品的3D數據 應該是一一對應的;三是整車的產品質量特性，主要描述產品在安裝完成后的 質量標準。在從研發部門接收到這三方 面資料后，就可以將產品數據導入到數 字化工廠的軟件中，導入軟件后，將獲 得一個產品庫和一個產品樹，產品庫包含了汽車上所有的零件(包括車身)，它的表現形式是零件的I D與零件的3D數 據相關聯，并且自動生成零件的預覽 圖，方便查找。產品樹來源于產品庫，它反映著產品設計的最新狀態，并且保 持著BOM中產品的結構關系，也就是層次關系。

　　目前在產品導入的階段中，導入零件主要有兩種形式，這主要取決于研發部門的管理方法。

　　第一種就是類似于Teamcenter的管理形式，在T e a m c e n t e r中，產品的I D已 經與3D結構相互關聯，數字化工廠軟件 擁有直接讀取T e a m c e n t e r信息的接口， 通過這種方式直接將產品數據導入。這種方法在數據的版本管理以及與研發設 計進度同步方面都相當地容易和方便。 應該說這樣方法是比較科學也是比較方 便的。但是，由于一些公司還沒有搭建 這樣設計信息平臺。那么只能按照第二種方法，對軟件進行二次開發，使得產 品的BOM與3D數據進行關聯，然后再將其 導入。這種方法只能夠導入設計階段中的一個版本。對于產品數據后續的版本 維護只能靠人為完成，那樣在操作中難 免會產生錯誤，影響項目的工作質量。 實際上，目前很少公司能夠達到 協同的設計及制造環境。所謂協同的開 發環境應該是，整個產品開發團隊在同一個平臺內完成設計的各個階段，每個 零件在完成一個階段的設計后分別建立 新的版本號，這樣會使得項目組所有的 人都能夠觀察到每個人的工作進度，以 及對自己設計范圍的影響。同樣，生產部門也可以將這個平臺與自己的數字化 工廠做出接口，實時地觀察及跟進項目 的進度，對與生產制造成本關系較大的 設計問題給予及時的反饋，縮短產品 實體驗證的時間，做到真正意義上研發部門與工藝部門的同步工程(SE，Simultaneous Engineering)。

　　另外，數字化工廠中所需要的產品數據都還要進行轉換。由于設計部門完成的3D文件包含信息過多，導致在打開多個文件時，對計算機的要求很高，而生產工程師實際上更多關心的是產品的安裝結構及在整車中的位置。所以為了更好更輕便地瀏覽3D圖樣，對產品的數據都要進行輕量化處理。目前，國際上數字化工廠軟件應用得較為廣泛的是西門子公司的Tecnomitix及達索公司Delmia，Tecnomitix公司是將數據轉化為JT文件，而Delmia轉化的格式為CGR。 轉化后的數據減少了很多沉贅的數據信息，對計算機的內存及顯卡的要求都大大的降低。

　　二、工藝的建立

　　在工藝規劃的工作中，主要有三個任務，(1)根據質量特性文件，分析每個零件的安裝方法;(2)工時分析，計算安裝零件時，每個工步的安裝工時;(3)工藝流程規劃，對每個單步操作進行安裝順序分析，并分配到每個工位。

　　1.分析安裝方法

　　在分析零件的安裝方法時，數字化工廠可對零件的安裝進行仿真，方法是給出零件的安裝路徑，然后根據路徑進行仿真，仿真過程中使用干涉驗證的方法檢查裝配方法是否合理，最后會給出檢測的報告。圖1為對儀表板合裝工位的仿真案例。一般來講，零件的安裝方法都會以工藝卡片的文件形式來體現。在數字化工廠軟件中，并沒有對工藝卡片等進行集成，原因是考慮到每個主機廠的工藝卡片的內容和排版形式都不同。 所以如果要完成與工藝文件的集成，一般來講都需要對軟件進行二次開發，也就是對軟件進行客戶化處理。要使軟件更好地應用到實際工作中，一些客戶化的定制是十分必要的。同時，數字化工廠支持e-Bop的功能，也就是以工藝部門為服務器，以生產車間、質量等相關 部門為客戶端，工藝部門直接在軟件中發布新產品或者新版本的工藝文件，車間直接通過訪問服務器了解文件的更改情況。使用這種方式代替原有的工藝文件打印后下發的模式，可以節約成本，而且更便于的管理。

　　2.工時分析

　　工時分析主要是對零件的安裝時間進行仿真計算。汽車的裝配主要是人的操作，所以工時主要是計算操作者對每個零件的工作時間。

　　數字化工廠技術的工時分析是以MTM(Methods of Time Measurement)國際標準工時計算法則為核心基礎進行計算。MTM的計算方法是將工作或工作單元分解成基本動作。分解的動作主要包括：移動、放下、定向、裝配、使用、拆卸和精神準備等動作要素，每個要素有多個值，通過調節因素，以便選擇合適的表格值。調節因素包括：重量、距離、物體尺寸，以及動作的難度等。然后合計動作的標準時間，得出工作的正常時間，最后在正常時間上加上寬放時間，得出標準工作時間。不過由于這種工時的計算方法比較繁瑣，比較不適宜在工作中使用，一般來講，每個汽車主機廠都該應根據自己公司的工作實際情況，制訂一套工時的計算方法，用來簡化計算工時的工作量。同樣，數字 化工廠軟件可以將每個公司自己的工時計算方法與軟件結合起來，這也屬于對軟件的客戶化處理。另外，數字化工廠軟件中會有一個工藝庫的概念，主要是儲存一些比較典型的安裝樣板。如，在現實生產中，安裝一個需要使用四個螺栓緊固的零件，它的工時為20秒。那么把這個工藝過程加入到工藝庫中，待有同樣的案例出現時，可以直接使用這個時間標準。

　　3.工藝流程分析

　　數字化工廠軟件具有自動線平衡的功能，自動線線平衡功能主要是根據之前對安裝零件的分析，利用pert圖搭接安裝的先后關系，將所有的操作平均分配到生產線，對于一些不涉及到裝配順序的零 件，用來平衡時間關系，系統計算完成后，觀察每個工位的裝配工作，然后再將 操作分配到人。

　　三、資源的建立

　　資源的建立是組建數字化工廠過程中工作量最大的部分。由于是使用3D仿真技術，那么對于所有的設備都必須有3D的模型。在完成模型的建立后，就需要將所有的設備按照圖紙進行布局。 規劃員可以將規劃圖紙導入系統，將平面布置圖作為背景，將資源中包含的設備、人員、工具、工裝、夾具、鋼結構和物料箱等相關資源布置到工廠相應的位置。并且數字化工廠技術支持協同工作，每個工程師可以負責完成自己的生產區域的布局，最后再將所有的資源匯總。圖2為資源布局圖。

　　目前在工業技術先進國家，3D技術基本已經成熟，設備供應商基本都有能力提供3D圖樣。國內的大多數設備供應商廠家對這方面的能力還不夠成熟，但有很多公司已經認識到3D圖樣的重要性，隨著工業水平的發展，相信在這方面的能力都會有很大的提升。

　　完成了產品的輸入、工藝的安排和資源的布局，那么下一步就是將工藝、產品與資源整合在一起。以工藝為核心，將產品和資源附在工藝上，做出生產線的裝配樹，從而進行裝配仿真模擬。在這一過程中，主要工作內容包括裝配順序的規劃驗證、裝配運動驗證、干涉檢查和裝配工程仿真。裝配仿真模擬能夠清晰地看到每個工位做什么工作、涉及到什么產品，以及使用什么樣的資源。應該說，能夠直觀地觀察到整個工廠的情況，大大地幫助規劃人員對模擬現場的分析從而做出更好的調整。 當所有的調整都結束后，數字化工廠軟件輸出整個工廠的工藝概況表。概況表的信息以工段和工位為單元，涵蓋了產品、工藝和資源全部信息。

　　四、人機工程

　　人機工程仿真模塊主要仿真人體在特定的工作環境下的一些行為變化，如動作的時間評估、工作姿態好壞的評估和疲勞強度的評估。系統可提供多種人體模型標準，可以詳細仿真工人在特定工作環境下的人機工程問題。系統提供多種人體建模標準，可以根據不同的人體模型輸入不同的參數，如性別、 體重和身高。并且，建立關于人體模型 的數據庫和良好的可視界面，進行人體模型主要屬性的設置，分析人體可觸及范圍。在仿真環境下，系統自動分析人力能夠包羅到的空間，分析人體可以觸 及的范圍和動作時間，系統支持MTM工時定額評估標準，快速分析動作時間。同時，人體動作的控制由宏命令編譯。 在仿真環境下，系統自動分析人雙眼包羅空間，分析人可以看見的范圍，提供多種的人體工程評估標準。系統支持包括：OWAS(工作姿態分析)、Burandt- Scheultets(抓取力分析)和NIOSH81/91(疲勞評估標準)。實際上，數字化工廠的構建如同建立一個實際工廠一樣，在建立初期需要投入大量的人力和物理，需要構建工廠、車間、生產線以及設備的數字模型，一旦建立完成，就可以長期使用進行仿真。尤其對于驗證新車型是否在原有生產線生產的可行性分析，有極大地幫助。數字化工廠系統通過工藝規劃部門、產品研發部門、生產工程部門和生產車間的高度信息共 享，實現各部門間的并行協同作業。同時，可以在產品的設計、規劃階段就預測整個產品的全生命周期的本質行為，把潛在的問題解決在設計階段，從而避免時間和資金的問題。相信不久以后，數字化制造技術會成為提高企業和產品競爭力的重要手段。