数字化制造:追逐愿景

时间:不久的将来。
的地方:该公司正在使用智能机器人和柔性制造系统生产通用汽车的最新车型。

突然,根据车身车间诊断系统正在监测的实时参数，系统预测123机器人将在10分钟内发生故障!

远程站点上的GM工程师立即行动起来。工程师使用3D计算机模拟技术，对真实世界的车身车间进行完整、完全准确的“虚拟”再现，将123号机器人所做的工作重新分配给另一个机器人。使用3D虚拟环境，他通过模拟新的工作流来验证更改。

一旦他确信第二个机器人能够处理重新分配的任务，并且这种变化不会引起车间其他地方的问题，工程师就会点击一个按钮，使现实世界的机体车间的操作暂停，而新的机器人程序和相关的程序更改将被下载到机器人控制器、可编程逻辑控制器(plc)和工厂车间的其他设备上。下载完成后，车身车间恢复使用新的例行程序的操作，并派出一名维护技术人员去处理目前闲置的123机器人的问题。

所有这些都在不到10分钟内完成，避免了因123机器人故障而导致的车身修理厂停机。

视觉追逐

这个场景是由位于密歇根州沃伦市的通用汽车技术中心虚拟制造研发实验室组经理鲍勃·蒂洛夫(Bob Tilove)描绘的。-今天还不可能。但蒂洛夫和他的同事正在努力使这一愿景成为现实。这是所谓的“数字工厂”或“数字制造”技术的潜在表现之一，这种技术近来正吸引越来越多的关注和兴奋。

数字制造对不同的人意味着不同的东西。但该技术的一个主要组成部分是3D建模和仿真工具，这些工具目前广泛应用于汽车和航空航天行业，用于开发和验证控制系统、机器人工作单元和生产流程。它是软件产品类别中一个虽小但正在增长的类别，统称为产品生命周期管理(PLM)。

“我们现在能够在3D中完整、准确地模拟制造过程。一旦你有了模拟，你就整合了产品设计本身，你把它放在这中间，然后你就可以实际验证这些制造过程，控制系统，机器人系统，工作单元和其他一切都是按照你设计的方式运行的，”ARC咨询集团公司的高级分析师Dick Slansky解释道。“这就是虚拟试运行的整个概念，现在真的引起了制造商的共鸣。”

这些工厂模拟和建模工具有两个领先的供应商。一家是总部位于法国的PLM供应商达索(Dassault) Systèmes，拥有德尔米娅(Delmia)产品线。另一家是前UGS Corp.，其Tecnomatix系列工具。UGS去年5月被总部位于德国的西门子公司以35亿美元的价格收购，现在被称为西门子PLM软件公司，是世界上最大的工厂自动化供应商西门子自动化和驱动集团的一个部门。

西门子的交易将数字制造领域的预期提升到了一个新的水平。密歇根州安阿伯市CIMdata公司总裁埃德•米勒说:“当像西门子这样的公司进来说，‘嘿，我要把这项技术纳入我的自动化集团，我们要确保把这项技术整合起来。’这就表明了这项技术的重要性。”跟踪PLM市场的美国研究公司。“对于西门子，我们谈论的是一个已经在制造层拥有耳朵的组织，当他们开始谈论它时，世界就会听到。”

西门子PLM软件公司负责Tecnomatix市场营销的副总裁Alain Iung对此表示赞同。“今天，许多客户仍然没有认识到数字化制造的价值，”Iung指出。因此，西门子的收购实际上改变了市场空间。人们现在开始谈论数字制造，我们看到了很多兴奋之情。”

去年12月，达索和总部位于密尔沃基的自动化巨头罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation Inc.)发布了一份联合声明，这更是火上浇油。两家公司表示，他们已经建立了合作关系，旨在在达索的Delmia工具和罗克韦尔的工厂地面控制软件之间建立联系。达索此前已与欧姆龙(Omron)和施耐德(Schneider)等其他工厂控制供应商签署了类似的合作关系。但据达索公司Delmia解决方案副总裁Patrick Michel介绍，与其他控制供应商相比，Rockwell和Delmia软件共享类似的数据结构，至少在最初阶段，“可以与Rockwell进行更高层次的合作”。罗克韦尔和达索公司的合作有望在今年夏天取得第一批成果。

西门子UGS的收购和罗克韦尔/达索的合作都有望有助于加速产品设计和制造计划的虚拟世界与工厂地面自动化和控制的物理世界的更紧密融合。支持者表示，这将为制造商带来重大好处，包括降低工程成本、缩短上市时间和提高质量。

看双

尽管目前数字制造产品的市场规模相对较小，但行业观察人士认为，对该技术的日益关注将推动快速增长。ARC估计，2006年全球数字制造软件和服务市场规模约为4.79亿美元。斯兰斯基说:“我认为在未来五年里，这个数字可能会翻一番。”

Slansky预测，数字制造收入的增长肯定会快于PLM市场空间中更成熟的部分，如协作设计工具。ARC的数据显示，这类产品——包括计算机辅助设计、制造和工程(CAD/CAM/CAE)——2006年的销售额约为44亿美元。

CIMdata同样预计数字制造工具将加速增长，销售额将从2006年的约4.36亿美元增至2011年的逾10亿美元。米勒说，这种增长的关键之一将是改进市场教育，这将与西门子和罗克韦尔等公司加大对技术的推广相伴随。他说:“我怀疑，如果你走进今天的工业世界，把‘数字化制造’这个词扔给100个人，他们中有五、六个人能说出这个词。”“这不是全世界都知道的事情。”

米勒补充说，为了实现广泛采用，数字制造也必须变得更容易使用。尽管他相信这项技术为各种规模的制造商提供了巨大的潜力，但迄今为止，在高度复杂的制造环境中，它在大型汽车和航空航天公司中获得了最大的吸引力。米勒指出，达索去年秋天推出的Delmia PLM Express是一款针对中小型制造商的数字制造套件，这是朝着正确的方向迈出的一步。

组织问题也可能是一个制约因素。波士顿AMR研究公司PLM研究分析师Jeff Hojlo表示:“我认为，到目前为止，长期存在的制造企业内部的文化障碍可能是采用数字化制造的最大障碍。”“设计和制造之间的竖井仍然存在，在制造机构工作多年的人只是不认为有必要将设计和制造联系起来。”

许多人认为，制造工程师学习3D模拟技术所需的学习曲线也会减缓采用该技术的速度，更不用说该技术的成本了。供应商证实，虽然某些级别的CAD功能目前可以以低于8000美元/座的价格获得，但全面的Delmia或Tecnomatix功能的定价可以达到5位数/座。达索公司的米歇尔表示，德尔米娅自动化公司的定价“如果你把一切都拿走的话，每个座位的价格可以高达10万美元。”但是Delmia的PLM Express套餐——包括工作单元布局、机器人编程、人体工程学研究、装配规划和虚拟调试——每个座位的价格在1.5万到2万美元左右，他补充道。

惊人的储蓄

无论价格如何，有迹象表明，使用数字制造工具的回报可能非常值得投资。一些大型制造商报告说，使用该技术节省了惊人的成本。例如，在“虚拟调试”的一个应用中，位于南卡罗来纳州斯帕坦堡的宝马工厂——通过使用Tecnomatix仿真工具——能够减少调试自动化底盘装配操作控制软件所需的时间;主要调试工作在一天内完成，而以前的类似项目则需要8天。

通用汽车技术中心的车间系统和控制部门经理Stephan Biller也表示，通用汽车通过一种被他称为“控制逻辑虚拟验证仿真”的流程节省了大量成本。Biller说，通用汽车的研究团队与汽车制造商的制造机构合作，使用Delmia和Tecnomatix的工具开发了这个过程。一旦控制系统被设计出来，GM过程在实际部署到工厂之前，就可以在实验室中对控制逻辑进行虚拟调试。

2006年秋季，通用汽车在密歇根州兰辛市的一家工厂举行了生产发布会。Biller说，该仿真过程将控制逻辑调试所需的时间减少到大约四到五个小时，而过去通常需要三周。Biller补充道，作为成功的结果，通用汽车现在计划在未来所有北美工厂的初创企业以及全球其他地方的工厂使用这一过程。

类似的改进来自于机械系统的建模和仿真，既适用于现有的操作，也适用于新工厂或新生产线的启动。

Waltonen Engineering Inc.的一个汽车客户是密歇根州沃伦市(Warren)的一家公司。例如，在Waltonen部署了一套Tecnomatix模拟和车间优化工具对设备进行建模后，该公司能够在生产操作中减少第三班，同时提高质量。沃尔顿商学院总裁劳埃德•布朗表示，数字化工具使该公司能够发现并消除瓶颈，解决调度和缓冲问题，并改善流向装配线的物料流。此外，使用相关的Tecnomatix质量和尺寸分析工具，使公司能够跟踪并消除工厂某部分的多余废料来源，他补充说。

布朗指出，这些工具在缩短新生产线和设备的生产时间方面同样有价值。通过严格的工艺规划、设计和工程方法，大量依赖于3D建模和仿真研究，Waltonen可以在整个过程中验证生产线设计的关键部分，同时轻松适应客户在此过程中的更改订单，他说。“在切割第一块钢材之前，我们有一个虚拟的设计模型。”

该过程不仅比以前的手工方法更有效，而且在实际构建生产线时显著减少了错误和问题。Waltonen销售和营销副总裁布莱恩·诺瓦奇说，这样的结果就是“一个不错的、安静的初创企业”。事实上，布朗指出，与以前的手工方法相比，该过程实际上消除了已建成生产线中的设计错误。这大大减少了调试时间，并意味着可以比过去更快地启动和运行线路。Novach指出，另一个好处是创建了一个广泛的基于可扩展标记语言(XML)的特性和对象的数字库，可以在后续的生产过程设计中重用。

然而，尽管迄今为止一些公司的节省已经非常显著，但供应商和大型数字制造实践者都希望获得更多。他们正在研究如何在虚拟世界和现实世界之间建立更紧密的联系。

通过与罗克韦尔的合作，达索就是一个例子。通过开发达索的Delmia Automation PLM软件和罗克韦尔的RSLogix 5000控制编程软件之间的链接，两家公司计划提供一种被达索Michel称为“虚拟控制设计”的能力。米歇尔表示，这一过程将超越目前的虚拟调试能力。

在虚拟调试中，PLC或可编程自动化控制器(PAC)可以通过开放式通信OPC连接连接到虚拟机械环境。Michel解释说，这使得在构建物理生产系统之前，可以调试和验证这两个组件是否可以一起工作。“但这并不会改变你编写控件的方式，”他指出。“您必须等待，直到编写了控件并定义了虚拟环境。只有这样，你才能把两者连接起来，检查最终结果。”

但在与罗克韦尔的合作中，“我们正在通过事先交换信息来加速虚拟环境和控制的开发，而不是等到东西准备好测试时才进行，”米歇尔说。这是由于两家公司的软件中使用了类似的面向对象的数据模型，实现了机械和控制之间的双向数据交换和对象同步，他继续说。

罗克韦尔自动化和仿真软件业务经理Rick Morse表示，该能力将使机械和自动化设计工程师之间的设计更加协作。Morse解释道:“实际上，你可以在任何地方进行调试和测试，因为我们在机械和控制方面都有匹配的名称和匹配的结构。”

Morse表示，今年夏天将推出一款初始的实用产品，为两家公司目前的软件产品提供双向连接。他补充说，罗克韦尔和达索随后将在其未来几代核心产品中构建这种能力。

尽管达索和罗克韦尔一直在公开谈论他们合作的优势，但西门子PLM软件公司对其集成计划提供的细节却很少。

总的来说，西门子PLM制造解决方案副总裁Ziyon Amram表示，该公司将在三个涉及其PLM软件与西门子产品集成的领域进行投资，包括工厂控制、制造执行系统(MES)/PLM集成以及与其他西门子自动化软件的链接。更具体地说，在数字化制造方面，该公司去年夏天宣布了一项名为“阿基米德计划”(Project Archimedes)的计划，该计划专注于五个特定领域:自适应制造、虚拟调试、协调生命周期、高保真加工和机电一体化。

Amram表示，该公司正在这些领域与制造客户进行合作，并继续执行在被西门子收购之前就已制定的Tecnomatix数字制造路线图。他指出，虽然与西门子技术更紧密集成的“正式路线图”尚未到位，但公平地说，这些举措不会产生“大爆炸”的结果，但将在多年的时间框架内实现“中间交付”。Amram补充说，感兴趣的各方应关注西门子PLM在4月21日至25日在德国汉诺威举行的汉诺威博览会上的公告，届时将公布更多信息。

Amram指出，Tecnomatix早在上世纪90年代末就与西门子建立了合作关系，甚至早在2005年被UGS收购之前，因此两家公司并不是从零开始进行整合。他说，与达索一样，西门子PLM软件公司越来越多的客户已经开始使用虚拟调试。西门子PLM计划进一步整合，以提供超越虚拟调试的生产前使用的数字制造功能。Amram说:“在一天结束的时候，我们的目标是创造一个可以进入生产的环境。”该愿景涉及虚拟世界和物理世界之间的“真正集成”，通过单一数据源提供“整个制造周期的可见性”。

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