基于智能設計的智能制造探討

王春成 王磊 吳孫陽 趙書寶

【摘 要】智能制造是制造業發展轉型的重要舉措，包含智能化的設計、生產、服務、管理、物流和系統集成6個方面，其中智能設計是智能制造的核心，是決定整個智能制造轉型的關鍵點。文章通過對智能制造設計相關概念的提煉，從工藝設計和產品設計進行維度分析，并提出智能設計的成熟度評價指標，為企業后期進行智能制造升級和智能車間評價提供參考，同時為后期進行智能車間標準化評定提供相關技術支持。

【關鍵詞】智能制造;工藝設計;成熟度評價;公差仿真

【中圖分類號】TP278 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）12-0100-03

0 引言

制造業是整個國家經濟體系的命脈，是實現科學技術理論向實踐轉變的最重要載體，是國家建立的根本，是國家發展的重要手段，是實現強國夢想的基礎。《中國制造2025》的發布標志著我國戰略部署強國政策從理論向實踐邁出了關鍵一步[1]。“智能制造”是《中國制造2025》戰略方針中最為重要的一項技術創新，是我國實現強國戰略的重要舉措[2]。智能制造是一個長期的發展和推廣過程，目的是解決目前制造業發展過程中出現的各種資源匹配失衡，同時制定制造業生產規劃和發展戰略，政府、行業等也需要通過智能制造給制造業企業進行評價分析，評估和指導地方產業智能化發展，為企業實施智能制造提供技術支撐[3-4]。《中國制造2025》對中國智能制造包含智能設計、智能生產、智能服務、智能管理、智能物流及智能系統集成6個方面提出了明確要求及指導方針，各個產業、不同行業、各地政府對智能制造業進行整體規劃與方案論證，特別是在生產系統、企業管理等環節取得了一定成果。但在前期的智能設計階段明顯短缺，本文將通過智能制造設計標準與相關行業專家對智能制造設計的看法，對智能制造設計相關內容進行研究。

1 智能設計

智能設計是利用現代先進的科學信息技術，把人的行為活動和思維想法用計算機進行模擬仿真，通過仿真模擬，提升計算機自我深度學習的能力，完善計算機自我感知和自我升級的能力，確保計算機在制造設計階段能協助專業人士進行多樣化、龐大的工作任務，成為專業人士可靠的工作伙伴。計算機對專業人士來說，它具有以下特點：？譹？訛以設計方法論為指導。從設計實質上來說，整個設計的過程就是從設計思路和設計方法兩個角度進行探討，這是計算機智能設計能夠仿真專業人士進行設計的基本要求。？譺？訛通過計算機實現模擬仿真到實現產品的具體化。設計本身是虛擬的，在未進行生產時它只是存在可能性，通過計算機進行模擬現實，把虛擬的設計想法反映到計算機圖形現實上，實現產品的具體化。？譻？訛使用標準設計軟件（如CAD、CATIA等系列仿真軟件）進行數據和圖形處理的手段。？譼？訛實現系統集成的智能化處理方式，計算機不僅能夠實現設計過程的標準化和具體化，還能夠實現與CAM等系統的對接，實現數據交換與深度學習。？譽？訛它提供了強大的人機交互功能。能夠幫忙專業人士進行過程變更，實現人與計算機的區別與統一。人工技術的要求能夠通過智能設計快速轉化為仿真產品，通過仿真產品的試驗，實現實際產品的快速生產。通過對智能設計定義的分解和歸納，智能設計包括兩個方面：產品設計和工藝設計。下面將分別對智能產品設計和工藝設計進行論述。

1.1 產品設計

在進行產品設計的整個過程中，必須明確產品的銷售方式、產品的外觀樣式、產品的組裝方式和產品要實現的功能，這樣能夠在后期進行生產方式和設備布局的確定，所以產品設計意義非凡，對整個產品具有根本性意義。智能產品設計包含數字化與模塊化設計仿真模擬、產品設計試驗仿真、產品虛擬產線與生產模擬仿真、產品設計公差仿真、產品物流仿真、產品并行/協同設計等。

數字化與模塊化設計仿真模擬：通過計算機仿真模型設計，改善產品性能結構，實現產品整個生命周期最佳。同步使用模塊化設計理念，保證模塊設計在相關的功能方面和結構設計方面具有一定的完整性和相對獨立性，考慮模塊系列未來的擴展和向專用、變形產品的輻射，滿足不同需求和產品的升級。數字化與模塊化設計仿真簡化了產品設計的要求，充分利用已有設計基礎及設計模塊，同時預留擴展窗口，為后期進行產品變更、技術升級提供空間。

產品設計試驗仿真：通過計算機仿真技術對產品功能、安全、經濟性等方面模擬作業，同時對整個生產過程、工藝管理、品質檢驗、效率分析等進行仿真分析。產品設計試驗仿真圍繞產品質量和功能進行仿真模擬試驗，可以在前端提出現有產品與客戶需求之間的差異，以及通過試驗仿真能夠彌補生產過程中個別性能差異帶來的成本損失。

產品虛擬產線與生產模擬仿真：使用信息技術、虛擬現實技術、計算機技術等對產品生產過程進行全面模擬，找出生產中可能出現的問題，杜絕并降低在實際生產過程中出現的異常情況，實現產品快速量產，降低前期設計成本和設計時間，提高企業競爭力。

產品設計公差仿真：采用計算機輔助公差仿真技術（CAT）在產品的設計階段、檢測分析階段等全過程中，使用計算機對產品的尺寸和公差數據進行實時監控管理和參數優化，確保實現產品單位成本最低，滿足客戶的技術需求和功能需求的整個過程。

產品物流仿真：對物流系統進行建模，并在計算機上編譯相應的應用程序，對物流系統的實際運行進行仿真，并對仿真結果進行計數和分析，指導實際的計劃、設計和運營管理。產品物流仿真能夠反映實際物流運行的效率，可以確認區域物流周轉效率、人員物流運行效率和物流存儲量，便于進行物流管理和生產運營。

產品并行/協同設計：在產品設計階段，應考慮產品生命周期的各個方面，并應在產品設計階段全面計劃和優化所有相關因素。產品設計要考慮客戶需求，涉及產品功能、性能和結構，以及產品計劃、設計、零件制造、組裝、銷售、操作、使用、維護和維修周期過程，直至回收和處置。

智能化產品設計實現了產品生產前期的模擬化作業，模擬了整個產品的生命周期，能夠為企業管理者及生產者提供產品的模擬方式，減少產品前期的試驗費用，提高產品生產能力和企業效益。

1.2 工藝設計

工藝設計是指通過長期生產和科學實驗及特定的生產條件，通過生產實踐不斷改進的過程。工藝設計的合理性有助于促進產品質量的提升，協助現場生產管理，能夠優先幫助計劃和組織，并充分利用設備。智能工藝設計包含制造工藝清單（BOP）模擬、虛擬生產工藝規格書、制造工藝基礎庫、工藝基礎文件管理、人因仿真、虛擬裝配仿真、虛擬產線與生產模擬仿真等。

制造工藝清單（BOP）模擬：通過模擬BOP實現產品工藝與工序的前期設計，確保產品生產過程的完整性。在進行模擬BOP時，可以根據客戶的不同需求進行定制化模擬，通過模擬確認產品清單需求，減少制定工藝清單的時間。

虛擬生產工藝規格書：通過計算機仿真模擬工藝生產，實現產品數據及指標的搜集，提前準確預知產品參數及技術指標，避免不斷重復的產品工藝試驗及報廢品產生，減少制程管理人員的需求，同時減少生產期間因為調整產品參數和技術指標導致的不良產品損失，還可以提高產品生產過程的連續性和穩定性，提高客戶滿意度。

制造工藝基礎庫：工藝基礎數據庫由工藝基礎數據庫管理系統對數據庫進行統一管理，實現數據庫中各類工藝基礎數據的錄入、更改、維護、用戶設置、安全保密等功能。工藝基礎數據庫為計算機輔助工藝過程設計（CAPP）系統提供支持，并與CAD/CAPP/CAM/CAQ結合，進而為整個數字化生產線提供支撐，實現制造工藝的數字化。

工藝基礎文件管理：工藝技術基礎文檔管理是公司進行流程管理的基本要素，也是控制整個生產過程的有效手段。工藝和技術文件的管理旨在使產品在生產和操作過程中的所有流程技術文件都接近實際生產，滿足實際需求，使過程和技術文件保持權威性、監管性。

人因仿真：在制造生產過程中，人在其中扮演重要的角色。無論是人機交互還是機械自動化及集成管理系統等，均明確了人的主觀作用。在人機交互系統日益發展的今天，人的影響因素顯得更為重要。通過計算機進行人為作業仿真設計與分析，能夠最大限度地模擬出人機交互過程中人的行為影響。通過仿真，不僅能夠實現生產過程的效率管理、良率管理等指標實時顯示，還能夠對人的作業行為及功能需求進行明確。通過仿真，模擬生產環境，對作業人員進行技術培訓與仿真環境實際操作，實現人機的完美配合。

虛擬裝配仿真：基于虛擬拆裝技術在交互式虛擬裝配環境中，用戶可以使用各種交互式設備在實際環境中對產品零件進行各種裝配操作。在整個實踐中，虛擬裝配仿真軟件能夠實現所有階段數據的檢驗與保存，管理整個裝配作業，便于使用人分析產品的可裝配性、裝配順序驗證、產品零件計劃、裝配操作員培訓等。整個作業完成以后，計算機會詳細記錄整個裝配作業，并轉化為審閱分析材料、視頻記錄等內容，便于以后使用。

虛擬產線與生產模擬仿真：通過仿真作業環境，讓作業人員思維處于計算機仿真環境中，利于優化環境，改善作業效率。通過虛擬產品與生產模擬仿真，可以讓新員工在仿真試驗過程中進行“實踐”操作，提升作業熟練度，能夠讓員工快速上線熟練作業。虛擬產品與生產模擬仿真降低了員工熟練度培訓的費用和實際生產過程中員工熟練操作導致的產能損失。

智能工藝設計通過仿真實現了產品在生產前的技術困擾，通過仿真模擬，為實踐生產提供了技術支持，降低了生產過程中因技術參數調整導致的不良品及產能損失風險，幫助技術人員有效進行參數調整。同時，通過智能設計，可以快速響應客戶需求進行模擬生產，形成量化的生產標準，便于快速報價和快速量產。

2 智能設計成熟度評價

根據智能設計定義與指標含義，制定其成熟度評價體系（見表1），同時需結合產品制造、產品管理、物流管理、系統集成等方面進行整體評價，成熟度等級越高，智能設計能力越強。

3 結語

未來必將是一個高度集成和智能的自動制造系統，其研究目標是部分系統替代制造業中人腦的工作。即在整個制造過程中，人類智能活動與智能機器的結合可以有效地提高人的知識水平和認知能力，實現制造過程的優化、智能化和自動化。對智能制造的研究不僅可以提高產品質量、生產效率和降低成本，而且可以提高整個制造業應對市場變化的能力和速度，從而在未來的國際競爭中獲取成功。

參 考 文 獻

[1]左世全.我國智能制造發展戰略與對策研究[J].世界制造技術與裝備市場，2014（3）：36-41，59.

[2]張鐵.工業機器人及智能制造發展現狀分析[J].機電工程技術，2014，43（4）：2-3.

[3]王影，冷單.我國智能制造裝備產業的現存問題及發展思路[J].經濟縱橫，2015（1）：72-76.

[4]龍錦中，吳堅，沈平.汽車生產領域智能制造技術應用研究[J].企業科技與發展，2019（11）：92-93，96.