基于智能設(shè)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(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的重要舉措，包含智能化的設(shè)計、生產(chǎn)、服務(wù)、管理、物流和系統(tǒng)集成6個方面，其中智能設(shè)計是智能制造的核心，是決定整個智能制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵點。文章通過對智能制造設(shè)計相關(guān)概念的提煉，從工藝設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計進行維度分析，并提出智能設(shè)計的成熟度評價指標(biāo)，為企業(yè)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(biāo)準(zhǔn)化評定提供相關(guān)技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】智能制造;工藝設(shè)計;成熟度評價;公差仿真

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

0 引言

制造業(yè)是整個國家經(jīng)濟體系的命脈，是實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)變的最重要載體，是國家建立的根本，是國家發(fā)展的重要手段，是實現(xiàn)強國夢想的基礎(chǔ)?！吨袊圃?025》的發(fā)布標(biāo)志著我國戰(zhàn)略部署強國政策從理論向?qū)嵺`邁出了關(guān)鍵一步[1]。“智能制造”是《中國制造2025》戰(zhàn)略方針中最為重要的一項技術(shù)創(chuàng)新，是我國實現(xiàn)強國戰(zhàn)略的重要舉措[2]。智能制造是一個長期的發(fā)展和推廣過程，目的是解決目前制造業(yè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的各種資源匹配失衡，同時制定制造業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略，政府、行業(yè)等也需要通過智能制造給制造業(yè)企業(yè)進行評價分析，評估和指導(dǎo)地方產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展，為企業(yè)實施智能制造提供技術(shù)支撐[3-4]。《中國制造2025》對中國智能制造包含智能設(shè)計、智能生產(chǎn)、智能服務(wù)、智能管理、智能物流及智能系統(tǒng)集成6個方面提出了明確要求及指導(dǎo)方針，各個產(chǎn)業(yè)、不同行業(yè)、各地政府對智能制造業(yè)進行整體規(guī)劃與方案論證，特別是在生產(chǎn)系統(tǒng)、企業(yè)管理等環(huán)節(jié)取得了一定成果。但在前期的智能設(shè)計階段明顯短缺，本文將通過智能制造設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)行業(yè)專家對智能制造設(shè)計的看法，對智能制造設(shè)計相關(guān)內(nèi)容進行研究。

1 智能設(shè)計

智能設(shè)計是利用現(xiàn)代先進的科學(xué)信息技術(shù)，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(xué)習(xí)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(shè)計階段能協(xié)助專業(yè)人士進行多樣化、龐大的工作任務(wù)，成為專業(yè)人士可靠的工作伙伴。計算機對專業(yè)人士來說，它具有以下特點：？譹？訛以設(shè)計方法論為指導(dǎo)。從設(shè)計實質(zhì)上來說，整個設(shè)計的過程就是從設(shè)計思路和設(shè)計方法兩個角度進行探討，這是計算機智能設(shè)計能夠仿真專業(yè)人士進行設(shè)計的基本要求。？譺？訛通過計算機實現(xiàn)模擬仿真到實現(xiàn)產(chǎn)品的具體化。設(shè)計本身是虛擬的，在未進行生產(chǎn)時它只是存在可能性，通過計算機進行模擬現(xiàn)實，把虛擬的設(shè)計想法反映到計算機圖形現(xiàn)實上，實現(xiàn)產(chǎn)品的具體化。？譻？訛使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計軟件（如CAD、CATIA等系列仿真軟件）進行數(shù)據(jù)和圖形處理的手段。？譼？訛實現(xiàn)系統(tǒng)集成的智能化處理方式，計算機不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計過程的標(biāo)準(zhǔn)化和具體化，還能夠?qū)崿F(xiàn)與CAM等系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與深度學(xué)習(xí)。？譽？訛它提供了強大的人機交互功能。能夠幫忙專業(yè)人士進行過程變更，實現(xiàn)人與計算機的區(qū)別與統(tǒng)一。人工技術(shù)的要求能夠通過智能設(shè)計快速轉(zhuǎn)化為仿真產(chǎn)品，通過仿真產(chǎn)品的試驗，實現(xiàn)實際產(chǎn)品的快速生產(chǎn)。通過對智能設(shè)計定義的分解和歸納，智能設(shè)計包括兩個方面：產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計。下面將分別對智能產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計進行論述。

1.1 產(chǎn)品設(shè)計

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

數(shù)字化與模塊化設(shè)計仿真模擬：通過計算機仿真模型設(shè)計，改善產(chǎn)品性能結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)產(chǎn)品整個生命周期最佳。同步使用模塊化設(shè)計理念，保證模塊設(shè)計在相關(guān)的功能方面和結(jié)構(gòu)設(shè)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?qū)Ｓ?、變形產(chǎn)品的輻射，滿足不同需求和產(chǎn)品的升級。數(shù)字化與模塊化設(shè)計仿真簡化了產(chǎn)品設(shè)計的要求，充分利用已有設(shè)計基礎(chǔ)及設(shè)計模塊，同時預(yù)留擴展窗口，為后期進行產(chǎn)品變更、技術(shù)升級提供空間。

產(chǎn)品設(shè)計試驗仿真：通過計算機仿真技術(shù)對產(chǎn)品功能、安全、經(jīng)濟性等方面模擬作業(yè)，同時對整個生產(chǎn)過程、工藝管理、品質(zhì)檢驗、效率分析等進行仿真分析。產(chǎn)品設(shè)計試驗仿真圍繞產(chǎn)品質(zhì)量和功能進行仿真模擬試驗，可以在前端提出現(xiàn)有產(chǎn)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(chǎn)過程中個別性能差異帶來的成本損失。

產(chǎn)品虛擬產(chǎn)線與生產(chǎn)模擬仿真：使用信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機技術(shù)等對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行全面模擬，找出生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，杜絕并降低在實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的異常情況，實現(xiàn)產(chǎn)品快速量產(chǎn)，降低前期設(shè)計成本和設(shè)計時間，提高企業(yè)競爭力。

產(chǎn)品設(shè)計公差仿真：采用計算機輔助公差仿真技術(shù)（CAT）在產(chǎn)品的設(shè)計階段、檢測分析階段等全過程中，使用計算機對產(chǎn)品的尺寸和公差數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控管理和參數(shù)優(yōu)化，確保實現(xiàn)產(chǎn)品單位成本最低，滿足客戶的技術(shù)需求和功能需求的整個過程。

產(chǎn)品物流仿真：對物流系統(tǒng)進行建模，并在計算機上編譯相應(yīng)的應(yīng)用程序，對物流系統(tǒng)的實際運行進行仿真，并對仿真結(jié)果進行計數(shù)和分析，指導(dǎo)實際的計劃、設(shè)計和運營管理。產(chǎn)品物流仿真能夠反映實際物流運行的效率，可以確認(rèn)區(qū)域物流周轉(zhuǎn)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(chǎn)運營。

產(chǎn)品并行/協(xié)同設(shè)計：在產(chǎn)品設(shè)計階段，應(yīng)考慮產(chǎn)品生命周期的各個方面，并應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計階段全面計劃和優(yōu)化所有相關(guān)因素。產(chǎn)品設(shè)計要考慮客戶需求，涉及產(chǎn)品功能、性能和結(jié)構(gòu)，以及產(chǎn)品計劃、設(shè)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(chǎn)品設(shè)計實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)前期的模擬化作業(yè)，模擬了整個產(chǎn)品的生命周期，能夠為企業(yè)管理者及生產(chǎn)者提供產(chǎn)品的模擬方式，減少產(chǎn)品前期的試驗費用，提高產(chǎn)品生產(chǎn)能力和企業(yè)效益。

1.2 工藝設(shè)計

工藝設(shè)計是指通過長期生產(chǎn)和科學(xué)實驗及特定的生產(chǎn)條件，通過生產(chǎn)實踐不斷改進的過程。工藝設(shè)計的合理性有助于促進產(chǎn)品質(zhì)量的提升，協(xié)助現(xiàn)場生產(chǎn)管理，能夠優(yōu)先幫助計劃和組織，并充分利用設(shè)備。智能工藝設(shè)計包含制造工藝清單（BOP）模擬、虛擬生產(chǎn)工藝規(guī)格書、制造工藝基礎(chǔ)庫、工藝基礎(chǔ)文件管理、人因仿真、虛擬裝配仿真、虛擬產(chǎn)線與生產(chǎn)模擬仿真等。

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

虛擬生產(chǎn)工藝規(guī)格書：通過計算機仿真模擬工藝生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)及指標(biāo)的搜集，提前準(zhǔn)確預(yù)知產(chǎn)品參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)，避免不斷重復(fù)的產(chǎn)品工藝試驗及報廢品產(chǎn)生，減少制程管理人員的需求，同時減少生產(chǎn)期間因為調(diào)整產(chǎn)品參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)導(dǎo)致的不良產(chǎn)品損失，還可以提高產(chǎn)品生產(chǎn)過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性，提高客戶滿意度。

制造工藝基礎(chǔ)庫：工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫由工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中各類工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入、更改、維護、用戶設(shè)置、安全保密等功能。工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫為計算機輔助工藝過程設(shè)計（CAPP）系統(tǒng)提供支持，并與CAD/CAPP/CAM/CAQ結(jié)合，進而為整個數(shù)字化生產(chǎn)線提供支撐，實現(xiàn)制造工藝的數(shù)字化。

工藝基礎(chǔ)文件管理：工藝技術(shù)基礎(chǔ)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(chǎn)過程的有效手段。工藝和技術(shù)文件的管理旨在使產(chǎn)品在生產(chǎn)和操作過程中的所有流程技術(shù)文件都接近實際生產(chǎn)，滿足實際需求，使過程和技術(shù)文件保持權(quán)威性、監(jiān)管性。

人因仿真：在制造生產(chǎn)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(tǒng)等，均明確了人的主觀作用。在人機交互系統(tǒng)日益發(fā)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(yè)仿真設(shè)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?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的效率管理、良率管理等指標(biāo)實時顯示，還能夠?qū)θ说淖鳂I(yè)行為及功能需求進行明確。通過仿真，模擬生產(chǎn)環(huán)境，對作業(yè)人員進行技術(shù)培訓(xùn)與仿真環(huán)境實際操作，實現(xiàn)人機的完美配合。

虛擬裝配仿真：基于虛擬拆裝技術(shù)在交互式虛擬裝配環(huán)境中，用戶可以使用各種交互式設(shè)備在實際環(huán)境中對產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)所有階段數(shù)據(jù)的檢驗與保存，管理整個裝配作業(yè)，便于使用人分析產(chǎn)品的可裝配性、裝配順序驗證、產(chǎn)品零件計劃、裝配操作員培訓(xùn)等。整個作業(yè)完成以后，計算機會詳細(xì)記錄整個裝配作業(yè)，并轉(zhuǎn)化為審閱分析材料、視頻記錄等內(nèi)容，便于以后使用。

虛擬產(chǎn)線與生產(chǎn)模擬仿真：通過仿真作業(yè)環(huán)境，讓作業(yè)人員思維處于計算機仿真環(huán)境中，利于優(yōu)化環(huán)境，改善作業(yè)效率。通過虛擬產(chǎn)品與生產(chǎn)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(yè)熟練度，能夠讓員工快速上線熟練作業(yè)。虛擬產(chǎn)品與生產(chǎn)模擬仿真降低了員工熟練度培訓(xùn)的費用和實際生產(chǎn)過程中員工熟練操作導(dǎo)致的產(chǎn)能損失。

智能工藝設(shè)計通過仿真實現(xiàn)了產(chǎn)品在生產(chǎn)前的技術(shù)困擾，通過仿真模擬，為實踐生產(chǎn)提供了技術(shù)支持，降低了生產(chǎn)過程中因技術(shù)參數(shù)調(diào)整導(dǎo)致的不良品及產(chǎn)能損失風(fēng)險，幫助技術(shù)人員有效進行參數(shù)調(diào)整。同時，通過智能設(shè)計，可以快速響應(yīng)客戶需求進行模擬生產(chǎn)，形成量化的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，便于快速報價和快速量產(chǎn)。

2 智能設(shè)計成熟度評價

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

3 結(jié)語

未來必將是一個高度集成和智能的自動制造系統(tǒng)，其研究目標(biāo)是部分系統(tǒng)替代制造業(yè)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(jié)合可以有效地提高人的知識水平和認(rèn)知能力，實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化、智能化和自動化。對智能制造的研究不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和降低成本，而且可以提高整個制造業(yè)應(yīng)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(fā)展戰(zhàn)略與對策研究[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2014（3）：36-41，59.

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

[3]王影，冷單.我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)存問題及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟縱橫，2015（1）：72-76.

[4]龍錦中，吳堅，沈平.汽車生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造技術(shù)應(yīng)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（11）：92-93，96.