前言
隨著經濟全球化趨勢的加劇，數字化制造越來越引起人們的關注，這和產品制造過程的重要性密不可分，任何創新的產品如果不能被高效率的制造出來都毫無意義，并且制造過程的成本通常占總成本的70%以上，因此通過應用數字化制造技術來優化制造工藝及提高制造效率的意義十分重大，且前景廣闊。據報道，運營好的企業約有50%使用數字化虛擬制造系統支持產品設計流程、制造流程的并行開發，使工藝人員在產品開發前期，就參與產品研發，提高產品可制造性；約有45%的企業對制造工藝和過程重用，避免所有設計都從頭開始。CIMdata咨詢公司的調查(2003)顯示，采用了數字化制造技術的汽車制造企業，其產品推向市場的速度增加了30%，重復設計減少了65%，生產規劃流程精簡了40%，平均產量增長了15%。
中國制造業正處于由‘中國制造’向‘中國創造’調整和轉型的關鍵時期，智能制造已上升為國家戰略。目前，我國的制造業多停留在低端加工階段，基礎工業、核心技術、制造工藝、信息化智能化技術與發達國家還有較大差距，特別是制造工藝的仿真分析優化還處于初級階段，導致設計出的同樣產品，由于未能經過充分的制造工藝優化，造成制造可靠性得不到保證，故障率居高不下，使產品的競爭優勢大打折扣。隨著動力換擋、無級變速拖拉機產品的日趨復雜，自動化、智能化程度越高，建立數字化制造仿真分析平臺，通過定量手段，對制造工藝和過程進行成本、變更的優化分析，保證可制造性前提下，實現快速、低成本、高質量的制造，提高企業核心競爭力。
1 數字化制造概念
1.1 數字化制造
數字化制造是利用數字化技術的工具軟件在實物產品被生產制造出來之前，進行工藝規劃、設計、仿真和管理的過程。數字化制造的內涵即數字化產品 (Product)、數字化工藝流程規劃(Process)、數字化工廠布局規劃(Plant)、車間生產數字化管理(Production)和數字化制造資源(Resource)，這里的資源既包括數字化設備(比如數控加工中心、機器人等)，也包括工具、工裝和操作工人。數字化制造技術彌補產品設計與制造之間的鴻溝，使得在虛擬環境中開發設計的產品，在被投入車間正式生產之前，可以在虛擬環境中進行工藝規劃、設計和仿真。產品設計保證產品能夠達到性能上的要求，解決做什么產品問題；數字化制造保證產品制造能夠達到設計上的技術參數和精度要求，又要高效保質低成本，解決了如何制造問題。在進入產品的制造周期，數字化制造與制造執行系統(MES)有著緊密的聯系。MES系統按照數字化制造規定的工藝完成實際的制造過程。因此MES與數字化制造系統需要實現雙向的信息集成。在產品實施過程中，約有40%～60%的時間要用于工藝規劃生產準備。見圖1。
1.2 數字化工廠
數字化工廠布局規劃是數字化制造的一部分，通過利用三維方式快速設計高效工廠的布局；利用物流軟件分析優化發現設計缺陷和瓶頸，提高規劃的準確性和效率；一次建?？梢栽诋a品全生命周期過程中需要提高產能或增加產品種類時，進行產量仿真；并能最大限度地減少資本投資和提高生產效率。
2 數字化工廠軟件選型的經驗
2.1 需求分析
目前拖拉機企業的產品設計層和企業管理層的數字化具備了一定基礎，產品研發基本實現了3D設計與仿真分析；但生產工藝規劃部分設計手段嚴重滯后，尚未實現數字化。對于產品而言，一個完整的生命周期應該包括產品設計、工藝規劃、制造、維護等諸多階段，這其中，制造環節往往比設計環節更為重要，一個好的產品設計只有能夠被高效率的制造出來，才能為企業創造價值。
隨著動力換擋拖拉機等產品技術含量越來越高，對車間的自動化智能化程度要求也越高，制造工藝日趨復雜，目前采用的2D設計方式，很難進行各專業協同交流和工藝評審，導致工廠建成后發現干涉和瓶頸時而難以糾正。
工藝材料研究所承擔著一拖集團公司制造技術進步的技術支撐職能，采用先進的設計分析工具和技術，為公司新建、擴建技術改造項目的重組和運行進行仿真分析其可靠性、經濟性、質量、工期等，使生產線在投入運行前就了解系統的使用性能，為生產過程優化提供支持和依據。
2.2 品牌選擇
2.2.1 調研
目前數字化工廠技術在全球范圍內的汽車、航空航天機器人等行業得到了廣泛應用并創造了可觀效益，如BMW、Ford、大眾等公司普遍采用數字化工廠技術，德國大眾汽車公司從2002年就開始使用西門子Tecnomatix解決方案，將其用于支持產品分析、工廠建模和工藝規劃等領域。一汽大眾采用Tecnomatix數字化工廠技術成功完成了其AUDI A6L白車身生產線的建模和優化仿真解決方案。三一集團運用達索、交大江衡數字化工廠系統在14個事業部/公司先后進行了23項數字化工廠技術應用探索。
截至2010年底，三一集團運用數字化工廠系統在14個事業部/公司先后進行了23項數字化工廠技術應用探索，通過數字化工廠的成功應用，起重機二期基建周期相對于一期縮短了50%、降低設備投資4000余萬元、降低基建成本100多萬元、廠房設備空間占用率提升了14%、物料庫存占用率降低了11%、大件物流軟件路線縮短了15%、倉庫日配送減少570多次。
德國大眾汽車公司的工程師們在認識到生產規劃軟件的使用可以幫助提高效率之后，開始研究和比較各類生產規劃軟件。“在車身制造、物流軟件及機器設備規劃方面，Siemens的Tecnomatix解決方案力克群雄”。他們通過應用認識到，“在項目初期的虛擬規劃做得越詳細、越精確，開始實際生產時的出現的問題就會越少，成本會越低“。
通過以上調研，大眾等汽車行業主要使用西門子的Tecnomatix中的工廠快速建模與物流軟件優化三個模塊，航空航天、三一等使用達索DELMIA中的車間物流軟件仿真與分析模塊。國內交大江衡研發的數字化工廠軟件主要用于上飛、三一昆三等項目上。
通過以上對比分析，達索的DELMIA數字化制造解決方案，廣泛用于航空航天高端客戶，基于CATIA產品設計軟件上進行工藝并行研發，是產品設計向制造數字化的延伸；西門子的Teamcenter數字化制造解決方案，以制造自動控制為基礎，集成NX等軟件形成的，是自動化制造技術向產品創新、數字化制造、MES的延伸，與制造結合更緊密；江衡自主開發數字化制造解決方案，沒有產品與制造的基礎，二次開發比較靈活，比較適合中國國情。
2.2.3 選擇適合的產品
綜合以上的調研和對比，參考我所目前使用的西門子NX設計軟件，以及在一拖廣泛使用的西門子PLC控制系統 ，從集成性和自動化發展趨勢以及與MES的接口方面考慮，選擇西門子數字化工廠設計與仿真軟件作為我們數字化制造的一個切入點，以便今后在西門子Teamcenter數字化制造平臺上擴展虛擬加工、裝配、自動化仿真、人機工程等功能。
數字化工廠模擬仿真軟件所需的功能包括四方面：
1、快速建立工廠布局模型功能；2、仿真分析功能，通過仿真分析生產線瓶頸并進行優化；3、工廠的生產物流軟件可視化； 4、生成數據報表功能。
西門子工廠仿真設計和優化解決方案的優勢：
西門子工廠仿真軟件提供了方便易用的集成化的圖形操作界面，無需編譯即可進行操作，可以隨時進行建模、仿真、結果評估、動畫等工作；集成的“SimTalk”語言，能夠讓工程師自由地對物流軟件策略進行控制；工廠仿真軟件提供豐富的結果分析工具，如瓶頸分析、Sankey圖分析、Gantt圖分析等；采用基于遺傳算法的自動優化工具還能夠對工廠仿真模型進行高效率的優化，幫助工廠提高工廠產能、提高設備利用率和降低成本；廣泛的應用程序接口能夠讓用戶的其他應用系統和工廠仿真軟件進行有效的集成，保護用戶在已有系統上的投資，擴展工廠仿真的應用領域和范圍。
產品品牌確定后，也便于招標時在一個平臺上比價。
2.2.4 確定招標要求
1)商務方面：著重強調投標人資格中需經過西門子公司的授權，必須有近二年同類型項目的實施經驗以及培訓、二次開發能力。
2)技術方面：提供的軟硬件產品必須達到招標文件所要求的功能，指導協助甲方完成二條涂裝線的數字化建模和仿真分析。采購的軟件清單見表2。
2.3 招標定標
按照一拖公司招標流程進行招標公示，對報名的投標方交由紀委進行資格審查，合格后方可參與投標。評標由行業及公司的相關專家組成，對符合條件的四家投標方嚴格按照公平、公正、公開的原則進行議標，確定中標方。
3 實施效果
項目自合同生效之日起，一個月內供貨并安裝調試15天培訓，100天指導我方完成涂裝線的數字化工廠物流軟件仿真項目的實施，截至目前已經分別在拖拉機覆蓋件和底盤涂裝線、工程機械結構件涂裝線、消失模鑄造生產線上進行了二維物流軟件仿真分析、三維虛擬試運行的探索與應用。
使用時，首先在FactoryCAD中構建整個涂裝生產線的三維工廠模型，再通過FactoryCAD和Plant Simulation的專用接口將三維模型導入到Plant Simulation進行物流軟件分析仿真，指導工程師找出系統運行的瓶頸并且加以優化。
在拖拉機底盤涂裝線、消失模生產線上，利用FACTORY CAD軟件快速進行了三維布局，并利用工廠仿真軟件實現涂裝線設備三維動畫，祥見圖3，仿真涂裝線設備工作情況；并采用虛擬現實技術，增加了方案的可視化程度，可以使客戶也能身臨其境的進行方案評審，增加方案的可讀性和直觀性，容易與用戶交流溝通，方便決策。見圖3。
在拖拉機覆蓋件涂裝線、消失模生產線上，利用物流軟件仿真軟件檢驗生產系統中的生產布局、資源利用率、生產節拍、產能和效率、物流軟件和供需鏈、生產線平衡等是否合理，是否存在瓶頸問題，從而更好的優化涂裝線，并根據仿真的結果，通過專家系統和優化方法的輔助，修改設計、優選了方案；并將優選方案用于指導拖拉機覆蓋件涂裝線的項目上，使涂裝線在投入運行前就了解系統的使用性能，分析其可靠性、經濟性、質量、工期等，為生產過程優化提供支持和依據。感謝西門子及實施方案對我們的支持。見圖4。
結論
本項目根據數字化制造技術發展趨勢，以及企業目前的需求，通過調研分析對比，介紹了本企業數字化工廠物流軟件仿真分析軟件的選型過程與經驗，結合企業信息化、自動化應用現狀，并考慮長遠數字化制造技術的發展及功能的擴展應用，采用了西門子的三維工廠建模軟件FactoryCAD、生產線物流軟件分析仿真軟件Plant Simulation軟件，提高了一拖的工廠設計水平，達到了預期目標。
目前使用過程中還存在一些不盡如人意之處，西門子在汽車行業的四大工藝上已經有成熟的數字化工廠解決方案，汽車用戶實施時可以借鑒的庫和標準相對較多。而針對拖拉機行業品種多、產量不大的制造的特點還未形成成熟的解決方案，加上我們目前主要在涂裝線和消失模線上應用，非標設備較多，提供的可供借鑒的工具庫不全，因此在FACTORY CAD上快速建立工廠模型的優勢還未充分體現；所以物流軟件分析多以二維方式進行；企業自建參數化設備模型庫需要二次開發，比較麻煩。希望在今后的實施過程中，西門子軟件能夠針對拖拉機行業特點不斷推出完善的解決方案，更易操作，給予農機行業終端用戶更多的技術支持，以促進農業機械行業數字化制造技術的進步。
