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序言

1.1 数字化的核心目的

制造业企业的数字化已经谈了很多年，可提到制造业企业的数字化您会想到什么呢p>

可能有的看法会是：“数字化就是 CAD,您看我做的 3D 模型，这些炫酷的“爆炸式“装配图，这就是数字化！”

有的观点则是：“您看，我的车间全是看板，而且都是很大的电子屏幕，所有的数据都可视化了，这就是数字化！”

而有的思路则会认为：“数字化可是很复杂的事情，您看google, amazon ,华为做的云计算，人工智能，贝叶斯神经 络，这才是数字化应该具有的形态！”

大家说的都对，可实话实说，这些其实都是数字化当中的一部分。因为大家在工厂从事的工作不同，担负的职责不同，一言以蔽之—所处的“价值链”不同，对数字化的理解也就不尽相同。因此我们需要探讨一下数字化这个问题对于工厂而言到底涉及的“价值链”有哪些p>

对于一家工厂而言，其价值链主要会涉及以下方面的话题：

1. 产品的生命周期管理（PLM=product life cycle management）

2. 生产的供应链管理(SCM=supply chain management )

3. 客户关系管理(CRM=customer relationship management )

4. 厂房的基础设施建设及工厂的精益规划

5. 生产资料的使用与维保

因此：工厂数字化的核心是在明确上述经营流程的基础上，为了继续不断的提高和创新，引入全新的科技和工具以加速求取最优解的过程。

图1：数字化这个话题的谈话对象首先是工厂，通过对其经营过程要素的梳理，我们才有了右图所示的，集成了产品、生产和性能的全面的数字化双胞胎示意图

我们下面就按照“产品”和“生产”的两个维度，依照“设计”、“实现”、“优化”的顺序，分解成6个模块逐一进行说明。

1.2 产品的设计 （PLM 流程）

PLM 即产品的生命周期管理，其主要描述的是产品从市场信息获取开始，通过需求成型，确立实施方案，完成产品原型机并通过测试，再到后来推向市场，日常营销，直到退市的全过程。 在这里会简单介绍需求文档管理以及产品研发活动中相关数字化工具和技术的使用。

1.2.1 需求文档管理：收集，提出，审批流 (C)

需求文档的管理相当于建立一个内部的CMS（Contents Management System）系统，例如 IBM 公司的需求管理平台 DOORs，对于离线工具而言，更类似于思维导图软件，例如MindManager 也可以完成需求的管理与收集。但对于后续的权限管理（例如审批流）,修改过程的追踪而言，在线工具更方便。

根据笔者使用 DOORs 的感受，产品部门可以在这个平台上完成产品需求的定义，同时研发人员可以基于同一个平台看到已经释放出的产品需求，并据此完成研发方案的制定。这里主要完成的是信息协同（Collaboration） 的工作。这也是数字化带给我们的第一个便利。

1.2.2 研发过程：图纸绘制 (V)

在工业产品的研发过程中，必然会涉及到各种技术资料，而图纸是其中非常重要的一种。早期的机械零件图、装配图、电气原理图均使用 2D文件进行描述，而今天则逐渐开始使用 3D 格式的图形文件，西门子有自己的解决方案,就是 NX for Design （NX 的 CAD 设计软件）

图2：使用 NX CAD 构建产品的 3D 模型

其实在做产品设计时构建 3D 模型图已经是很常见的技术，这里着重强调这一方面的主要考虑如下：

• 3D图纸可以快速转换成各种 2D 格式的图纸，便于和没有 3D 软件的外协单位沟通。
• 便于衔接后续的仿真过程(CAE)，运动机构干涉检查过程(NX MCD-机电一体化概念设计)，试制和批量生产过程(CAM+金属切削机床/增材加工设备)，工艺文件标准化过程（例如：生产部门根据E BOM开发后续的M BOM）等。这需要提到了数字化的第二个便利，就是虚拟化(Virtualization)。也就是通过计算机辅助的手段，在零件实体开发出来之前即可判断可能出现的问题，然后在软件环境中不断改进和迭代 (如敏捷开发模式中的“Scrum”)，最终确保试制的实体样机是尽可能正确的。

1.2.3 研发过程：基于设计图进行模拟分析 (V)

这部分就是之前提到的 CAE（Computer Aided Engineering）, 对机械零件设计中的物理特性，如因为受力，受迫振动引发的形变量；由于发热产生的散热量；由于电路中金属导线的空间位置产生的信 失真性；由于不同的绕组设计对感生磁场的强度带来的影响等等，原先这些都需要通过复杂且多次的物理计算才可以完成结果的校核，影响开发时间。

西门子有各种针对不同工况开发的 CAE 软件，在这里仅仅试举几例：

• NX Simcenter 中的Amesim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）套件，主要针对机电液一体系统化中的相关工况提供模拟解决方案。

图3：使用 NX Simcenter Amesim 对液压系统进行测试仿真

• NX Simcenter 中的 Nastran 套件主要针对机构件的热变形，力学的挠曲变形进行有限元分析。

图4：使用 NX Simcenter Nastran

对机械部件的应力情况进行分析

• NX Simcenter 中的 FloTHERM 主要用来进行电子电路中功率板部分散热的仿真模拟。

图5：使用NX Simcenter 的FloTHERM 软件

对电路板的散热情况进行分析

1.2.4 研发过程：制造原型机（V,A）

完成了设计和仿真的工作后，对于机电类产品的开发还是需要进行原型机的制作，以保证在真实世界里完成相关后续的测试和验证。

注意：CAE 软件知识起到了辅助作用, 所以不可把虚拟世界中的结果当成真实物理世界中的事实。所以我们还是需要制作真实的样机完成实际验证。

但也不要因此陷入“不可知论”，认为软件模拟没有用处，毕竟 CAE 软件也是大型公司投入巨资和人力经过各种工况验证的智力成果。

在原型机开发过程中，可能涉及到两种数字化的技术：

• NX MCD + Sizer 完成传动系统的电气选型 (V): 对于机械产品，可根据机电一体化概念设计软件搭配选型工具完成电气传动系统的选型。例如我们在 NX MCD 中完成设备的机械运动机构干涉检查后，利用 Sizer 软件完成该机械系统的伺服驱动和伺服电机选型工作。而这部分属于虚拟化（Virtualization）的范畴。

图6：使用 NX MCD+Sizer 软件，对旋转工作台的工作机制

进行分析，进而选择出合适的伺服电机

• 增材加工(Additive Manufacturing) (A)：
• 对于原型机本身的制作，某些大型的结构件可以采用 3D打印，CNC数控机床直接加工，制作快速模具的方法完成制作。这个过程中需要高效,成本上就要多付出;需要省费用，项目时间就要足够充裕。不过有了之前的 CAE过程，原型机的可靠性得到了很大的提高。对于一些电子类设备使用的结构件，可采用塑料材质的 3D 打印设备完成的壳体。由此可见，3D打印最大的好处在于节省的时间。而且在测试阶段如果发现问题，则可以在调整设计模型后重新“打印”一个新零件即可，省去了修改模具的时间。从而实现快速迭代，敏捷（Agile）开发，这是数字化的第三个便利。

图7：通过增材加工（Additive Manufacturing）

对样机中的结构件进行打印加工，节省原型机的制作周期

1.2.5 研发过程：测试原型机 (V)

在对于一些大功率电子产品的测试中，由于测试环境的电压比较高，拖动的负载比较大，因此完成一个测试案例（Test case）往往需要投入巨资，而且人员还有危险(例如强电压)。

根据这种情况，通过硬件在环技术(Hardware in the loop),也就是把真实的控制单元(Control Unit)加入到通过硬件在环技术模拟出的功率输出（Power Unit）部件上，再将反馈结果(连回电脑屏幕)，观察测试设备的负载变化，进而完成测试工作。

图8:使用硬件在环技术（Hardware in the loop）对功率

器件的输出特性进行仿真，从而完成对控制部件的测试工作

如上图所示，是德国的 dSPACE 公司的一种适用于上述测试场景的硬件在环测试设备。做伺服驱动器设计的工程师在设计控制板时，可以在上述设备（如上图所示的dSPACE components）上使用 Matlab 编程模拟功率部分带入负载后的工作状态，不同的测试案例(Test Case)只需要调整不同的建模程序即可（例如拖动不同的负载，或控制不同的电机）。这样在测试时，只需要通过 PC 机（host PC）给出指令信 ，通过硬件设备（包括待测试的控制板和作为测试硬件的 dSPACE Components）即可在 PC 机上看到功率部分的输出相应模拟。无需去真实搭建每一个测试场景。

同之前采用 CAE 仿真一样，在完成了上述硬件在环测试并通过之后，还是需要在真实的测试场景下（使用真实的负载和功率单元）对硬件进行最终效果的验证，不过测试的一次通过率提高了很多。

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总结

到此为止，涉及产品的开发部分中使用到的数字化技术的介绍就暂时告一段落。

然而在产品开发的同时，生产线的开发工作也在同步展开，这个随后的内容请移步1847工业学习平台。大致了解一些产线设计中会遇到的数字化技术和工具：

• 生产导入阶段必需的三个清单：物料清单BOM(Bill of Material), 资源清单(Bill of Resource),工艺清单(Workflow altenatives ）
• 生产过程中的价值流分析 (Tecnomatix Plant simulation)
• 生产线的虚拟现实仿真（VR +NX Line designer）
• 生产过程的模拟(Tecnomatix Process simulate)

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