中国汽车制造行业与数字化制造1

1、中国汽车制造行业与数字化制造1 .引言中国的汽车制造业正处在一个机遇与危机并存的关键发展阶段。一方 面，资金的大量投入和消费市场的持续繁荣带动了汽车制造业的迅猛发展，2006年 中国汽车总产量达700万辆，居世界第三，汽车销量居世界第二，仅 次于美国；另 一方面，汽车制造能力“大而不强”的现象非常突出，表现为：（1）整车制造资源 分散。2005年底中国有上百家整车厂，但普遍规模很小；（2）自主创新能力欠 缺。国内制造的一些较高档次的汽车从车型设计到生产线布置（含设备和布局规 划）基本上都自国外引进；（3）汽车产品的国际竞争力弱，难以走出国门。随着 国内市场日趋饱和，汽车利润率也将逐步降到全球行

2、 业的平均水平，汽车厂家的生 存受到严重威胁。在这种严峻形势下，国内汽车制造企业在管理和技术上寻求革新 势在必行。放眼全球，汽车工业也一直在困难和挑战中前进。供应链全球化、客户定 制化以及日益苛刻的环境与安全法规使汽车制造厂家处在一个前所未有的不利环境 之中。为了提高核心竞争力，许多企业都致力于学习和推广先进的管理理念，并 与先进的制造技术及信息技术相结合来创造新价值。在这些先进的理念和方法中， 精益生产或JIT（Just In Time）是影响深远的常青树，基于产品生命周期管理 （PLM: Product Lifecycle Management）策略的数字化制造（DM:Digital Ma

3、nufacturing）技术则是后起之秀。今天的国外领先汽车制造公司都在矢志不渝地 推动数字化制造技术的应用，由此获得的投资回报令人鼓舞，表1展示了几个案例 （包括整车厂和零部件供应商）。CIMdata咨询公司的调查（2003）显示，采用了 数字化制造技术的汽车制造企业，其产品推向市场的速度增加了 30%,重复设计减 少了 65%,生产规划流程精简了 40%,平均产 量增长了 15%数字化制造技术在国外 的成功应用给国内的汽车制造厂家树立了很好的榜样。表1应用数字化制造带来了有目共睹的效益CE0DA 1 匚艺理划比以IB加快卿缸灵高了标准化q产司H瓦每四每牛门1专呱目节酌了连 5 ntft 1

4、 ft整个护展里企业内支持白车谢匚艺的协同设计堀短22忻的工艺规划时蚀 节妁16制J不必姜产撕 节胃5%的般资拔期We&o5to布开5%投赛忱用*域少吩更箕理贾用t降低10%的调试与试运忏册用厂0 IF/£少燮电讥河赏用*褊短碑试号曦活好周期*支持辞同】珂产生于二十世纪末的“产品生命周期管理”概念是产品数据管理向规划和制造环节的延伸。以前的 PDM(Product Data Management)基本上只关 注产品设计数据，而PLM则要对产品整个寿命阶段的数据、技术、工艺、制 造、流 程、物料、维修以及报废进行全面的管理。在PLM集成平台上，不但设计、工艺和制造之间易于实现协

5、同，而 且虚拟 环境下的制造过程仿真分析和优化也变得更加方便。将数字化建模和仿真技术应用到规划和制造过程中，就形成了 “数字化制造”。作为PLM策略的核心 组成部分，数字化制造之所以近来逐渐引起关注，这和产品制造过程的重要性密不可分，任何创新的产品如果不能被高效率的制造出来都毫无意义，并且 制造过程的成本通常占总成本的70冲上，因此通过应用数字化制造技术来优化制 造工艺及提高制造效率的意义十分重大，且前景广阔。据CIMdata预 计，2007年- 2009年，中国的PLM市场每年将以29%勺增长率增加，制造企 业每年在数字化制造 能力方面的投资增长将超过25%基于PLM的数字化制造技术在国外汽

6、车制造公司的成功应用离不开一些优 秀软件产品的支持，比如UGS公司的Tecnomatix解决方案就已经有了许多成功的案 例。在国内，由于观念和技术上的落后，各大软件公司还没能推出成熟的国产数字 化制造软件产品。随着国际汽车巨头逐步将国外实施成功的数字化制造解决方案移植到国内的合资工厂，以及国内的工业界、软件公司和学术界对数字化制造的认 识和重视， 在未来的若干年内，国内的数字化制造市场将蓬勃发展，越来越多的汽车制造企业 也将从实施数字化制造中受益。本报告是UGS与华中科技大学合作，在深入多家国内汽车制造企业（包括整车厂和供应商）内部进行详实调研的基础上而形成的，其目的是为国内汽 车制造企业实施

7、数字化制造提供指导和建议。本报告的结构如下：首先对国内外汽 车制造企业面临的压力和采取的应对措施进行了详细的分析，阐述了针对汽车行业的数字化制造解决方案的内涵和特点， 然后总结了实施数字化制造 的需求、挑战性和实施现状，最后对未来的实施方向和实施步骤提出了若干建 议。2 汽车制造企业面临的挑战汽车制造企业的生存环境如图1所示，内外压力促使企业不断进行 管理和 技术创新，汽车制造业的整体发展趋势则给国内企业指引了前进的方向。1）汽车制造企业面临的内外压力加入WTO后，国际汽车巨头纷纷进入中国合资办厂，竞争的加剧使得汽车制造商面临的压力与日俱增，这些来自企业内外部的压力无疑也是企业 进行变更和持续

8、改进的源动力，它们可以大致细分为以下几种类型：内外压力赢别时压力产岛臼粘的压力璃空雷求出号压力产的压力'豪假址和召闵压政笔注规的压力全球化制迪的压力发鹿趋舞用业生产工艺H超曩阜定单生产彷鼻找水广奁血图制遥醉咕怡北匚匚二图1汽车制造企业的生存环境赢利的压力一一国内市场走向饱和的直接后果就是汽车产品不断降价，这使得制造商的赢利空间日趋缩小。国际上公认的维持一个汽车制造公司生存的生 产规模至少为100万辆，2006年国内还没有一家厂家达到了这样的 水平。既然通 过高价来赢利已成为明日黄花，汽车厂家就只有三条出路：其一是在扩大生产规模 的前提下，加快新车型上市速度，从而提高市场占有量；其二是想

9、方设法地降低成 本，特别是制造成本，减少库存积压，加快资金流转；其三是制造出更高品质的汽 车，早日走出国门。产品创新的压力一一要实现汽车从“中国制造”到“中国创造”的转 变，关键在于创新，创新是企业长久生存的基础。创新体现在多方面，比如产品设 计创新、工艺创新、管理创新等，目前国内厂家很多还处在完全引进或 模仿学习的 阶段，自主完成产品创新的能力非常有限。在目前的市场情况下，一种新车型的生 产寿命最多也就两三年，因此要求企业拥有持续的创新产品开 发能力。顾客需求的压力一一中国的汽车市场已从卖方市场变为买方市场。顾客 的眼光越来越挑剔，个性化要求越来越多，对汽车性能（安全性、油耗、驾驶舒 适性等

10、）的要求越来越高。因此汽车厂家必须推出结构越来越复杂的产品，增加 配置选项，严格确保产品的质量，提高售后服务水平。产能过剩的压力即使2004年出台的汽车产业发展政策为汽车 业设立了极高的准入门槛，但2005年底发改委的一份统计报告仍显示中国汽车产 能过剩200万辆，并预测按照目前情况发展下去，“十一五”结束时产能过剩将达 到1000万辆。产能过剩的状况迫使汽车制造商在现有的生产线 上同时生产更多类 型的汽车，这对生产线的柔性提出了高要求。质量保证和汽车召回制度的压力一一2004年10月，缺陷汽车产品召 回管理规定正式生效，截至2006年2月的统计数据，已先后有30家国内外汽 车制造商实施了 4

11、1次主动召回，涉及车型48种，共召回近40万辆车。2006 年，全国22家汽车制造厂主动召回了 28万辆，数量呈大幅上升。汽车召回数量 逐年递增反映了消费者对汽车质量更高的要求，也反映了汽车工业在数量高速增长 的同时，在质量方面给生产厂家提出了更高的要求。国家政策法规的压力一一中国汽车产业的政策和相关法规日趋严格，对 汽车污染排放物的规定、对汽车安全性能的规定、对产能利用率的规定 （低 于80%的产能情况下，不允许新建生产线）、对国产比例不低于80%的要求等 等，都给汽车厂家以很大的制约。分工细化和全球化制造的压力一一汽车制造企业已告别“大而全”的年 代，整车厂家纷纷将零部件的工艺和制造包给独

12、立的供应商，自己则集中力量进 行新车型的开发、四大工艺（冲压、车身焊装、涂装和总装）的改进以及 若干 关键零部件的制造，比如发动机和变速箱等。目前，基本上 80%以上的 零部件制造都是供应商完成的，因此，整车厂家必须紧密地维系和更多供应商之间 的合作关系，确保配件质量符合要求并准时供货。另外，在全球化制造越来越明显 的今天，国内的一些大型汽车制造企业比如上汽集团、奇瑞、南汽等 都在全球拥有 一些研发机构或者制造工厂，如何确保这种“多地设计，多地制 造”环境下的协 同无差错工作，是汽车厂家亟待解决的难题。以上这些内外压力必然会促使汽车制造企业不断改进产品的制造过 程，提 升技术含量，这带动了汽车

13、制造技术向集成化、数字化、敏捷化的方向发展。2 ）汽车制造技术的总体发展趋势汽车制造技术的创新是先进制造技术发展的缩影，它整体上呈现出下面 的发展趋势：面向产品生命周期的精益生产一一精益生产最初的目标是杜绝生产 过程 浪费，并进行持续的制造过程改进，如今精益生产的思想已推广到整个产 品生命 周期，具体体现为：通过并行工程缩短产品开发时间，利用DFX技术（面向制造 /装配/的设计）提高产品的可制造性和可装配性，减少变更；缩短生产线布局设 计和调试时间；优化制造工艺，提高制造效率；缩短产品试制时间和达到量产规模 的时间；提高产品质量，实现无缺陷生产等等。制造工艺日趋复杂，技术含量越来越高一一汽车产

14、品的设计复杂度在不 断提高，轻量化要求也使得汽车需要使用更多种类的材料，这相应增加了车身焊 接和总装工艺的复杂性。一些先进的制造工艺技术比如激光焊接逐渐应用到汽车的 车身拼焊和零件焊接中来，它具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材 料用量、降低重量、降低成本和提高尺寸精度等好处。此外，喷漆、弧焊、点 焊、装配、搬运等机器人的广泛采用也增强了技术含量。生产线的柔性和标准化程度在提高一一混流生产成为生产过程的基本特 征，这对生产线的布局设计和产品设计都提出了很多约束。目前，总装和 涂装工艺 比较容易实现混流生产，而白车身工艺则困难许多，需要建立模块化和标准化的 焊接工位，加强机器人之间的分工

15、协作，并采用新的工具和手段来增加制造柔 性。个性化定单生产的普及一一消费者选择所喜爱的车型配置并填写定单，厂 家接到定单和预付款后再进行生产。这种方式增加了消费者选择的余地，能更好地 满足他们的需求，并利于厂家减低现金流压力。在欧美，实现100%的定单生产正成 为一种趋势。面向定单生产给汽车制造企业提出了很多挑战，一方面，企业要提供 更多的配置选项，这增加了产品的复杂性；另一方面，出于准时交货的要求，整车 厂家和供应商之间的物流联系要求更严格。车间的自动化程度在提高，设备价值昂贵一一以白车身生产线为例，目 前主要采用自动化手段来传输、抓取、夹持金属薄板并将其焊接成复杂的白车身 结构，在夹具以及

16、传输和夹持零件所需的自动化设备、进行焊接作业的机 械手、 验证质量所需的测量/测试设备等方面投资巨大，因此必须对设备的布局和配置进 行分析优化，提高设备的柔性、运行可靠性和利用率，实现现有资本设备的价值最 大化。虚拟仿真技术的广泛采用一一为了保证更好的产品设计和工艺规划质 量，要求超过95%的实际制造过程能够被模拟和仿真，以实现制造工艺的分析和优 化、精确的设备设计和模拟、精确的生产节拍，从而缩短调试与试运 行时间，减少 变更的影响。制造过程的网络化一一整车厂与零件制造厂分离，组建跨地区的企业 动 态联盟已成为汽车制造业产业结构调整的必然趋势。整车厂之间、整车厂和 供应 商之间的协作交流都是通

17、过网络来完成的，大量的产品信息和制造信息在 网络上传 递，为了保证准时生产，厂家之间的流程共享和互操作也变得越来越 迫切。由此可见，国内汽车制造企业要想发展壮大，就必须顺应汽车制造业 的 这些发展趋势，不断学习国外的成功经验，通过采用更多先进的数字化制造 技术 来提升企业竞争力。3 ）基于产品生命周期的数字化制造是汽车制造企业应对挑战的必然选择 推广数字 化应用是汽车制造企业提升核心竞争力的重要手段，数字化的范畴远不限于数字化 设备，事实证明，先进管理方法和先进制造技术无一例外都需要通过数字化的途径才能发挥其最大价值。以并行工程理念为例，如果不能建立产品的三维数字化 模型，要想在设计阶段验证产

18、品的可制造性和可装 配性就非常困难，这样就不得不 试制更多成本昂贵的物理样车。此外，协同设 计、虚拟产品开发和网络制造等也都 以数字化技术为基础。和产品相关的数据 经过数字化描述后，其优点是多方面 的：其一，便于信息的管理、一致性维护、查询统计和重复利用；其二，便于产 品和制造过程的虚拟分析和验证，有助于优化设计方案和工艺方案；其三，便于信 息的网络共享和协同工作。调查显示，目前国内汽车制造企业离数字化的全面应用还有很长的距 离， 人们所认识到的数字化主要体现在产品的设计阶段，比如产品三维数字建模 (CAD)、预装配、干涉检查与动力学分析(CAE)、产品数据和流程管理(PDM)等等。数 字化发

19、展的基本方向是产品全生命周期的数字化实现，对于汽车产品而言，一个完 整的生命周期应该包括设计、工艺规划、制造、维护等诸多阶段，这其中，制造 环节往往比设计环节更为重要，一个好的产品设计只有能够被高 效率的制造出来， 才能为企业创造价值。然而，实施制造过程的数字化应用即数字化制造具有相当的难度，这主要是因为：(1)信息量巨大造成的数据管理困难。据通用汽车公司统计，和产品生产过程相关的数据量是设计数据流的1001000倍以上；(2)需要以全面的数字化设计为基础；（3）牵涉面大（涉及设计、规划、生产、物流等许多部 门），对企业的综合素质要求高，需要进行流程重组。因此，企业慎重地 选择一个 优秀的数字

20、化制造解决方案，并采取合理的实施策略是非常关键的。3 数字化制造的内涵及其在汽车行业中的发展现状1）数字化制造的内涵CIMdata将“数字化制造”定义为：一套支持设计和制造工程团队之间进 行协同工艺规划的解决方案，它采用最切实可行的流程，允许访问包括工具和制造 流程设计在内的完整的数字化产品定义，它由一系列支持工具设计、制造流程设 计、可视化、仿真和其它优化制造过程所必须的分析活动的工具集 组成。更广义的 “数字化制造”概念是指将数字技术应用于产品的工艺规划和 实际的制造过程中， 通过信息建模、仿真分析和信息处理来改进制造工艺，提高制造效率和产品质量， 降低制造成本所涉及的一系列活动的总称。数

21、字化制造的内涵可理解为DP4R即数字化产品定义（Product）、数 字化工艺流程规划（Process）、数字化工厂布局规划（Plant）、车间生产数字化管理 （Production）和数字化制造资源（Resource）,这里的资源既包括数字化设 备 （比如数控加工中心、机器人等），也包括工具、工装和操作工人。报捷it理 与循坏利用虞*验证图2汽车产品生命周期中的数字化制造如图2所示，数字化制造跨越了产品生命周期的产品设计、工艺规戈h 工艺分析验证、产品制造、质量保证等多个阶段。目前，国际上只有少数顶尖的 软件公司有能力提供完整的数字化制造解决方案。2）国外领先汽车制造企业数字化制造应用成果展

22、示到目前为止，数字化制造已经在国外领先汽车制造企业中得到了普遍 应 用，调查显示，全球前15大汽车制造企业都在不同范围内采用了数字化制 造解决 方案，并获得了降低规划成本、提高规划质量、加快规划时间等多方面的投资回 报。数字化制造给国外汽车制造企业带来的效益如表2所示。表2数字化制造在国外汽车行业内的价值体现价值占 八、价值体现案例及时 发现 并纠 正错 误产品设计缺陷或者工艺失 误，如果在实际生产过程 中才被发现，代价通常 非 常昂贵，利用数字化制造 技术，可以在虚拟环境里 对产品的可制造性和 可装 配性、制造流程的合理 性、生产线的效率等进行 仿真分析和验证，从而及 时发现并纠正错误Dai

23、mlerChrysler 公司在汽 车装配之前的仿真，节省了 操作时间，优化了工艺，并 使得工艺几乎达到100%准 确提高 最佳 知识 的可 重用在数字化环境下，已存在 的最佳知识很容易被共享 和重复利用，比如产品设 计、工艺规划和生产线设 计等等通用汽车重用了 80 %的发动 机生产设备模型，节省了大 量的时间和投资性鼓励 设计/工艺方 案的 创新由于调整数字模型的代价 小，因此工程师可以通 过 不断尝试去寻求和验证更 佳的工艺方案，而在传统 的物理环境中，由于变化 的风险很大，因此工程师 经常拘泥于所认同的经 验，而不敢做创新性的修 改通过数字化工具，在不增加 成本的前提下，大众公司利 用

24、更多的优化方法，使数据 模型更加精确和优化减少变更过多的变更不但加长了产 品开发时间和试制时间， 而且增加了成本。采用数 字化制造后，提图了设计 和工艺的一次成功率”变 更大大减少通用公司预计通过数字化 制造能减少约60%的工程 变更减少 物理 样机 的数 量试制物理样机的目的在于 检杳可制造性和可装配 性，并借助试验来验证汽 车的性能，利用数字化制 造技术后，很多分析和 验 证工作都可以通过数字样 机来完成DaimlerChrys 1 er 的数字化 样机比物理样机更为有效， 不但大大降低了成本，而且 有助于加快产品上市速度有利于并行工在数字化环境下，从设1卜开始到汽车上线之间的许多工作都更

25、容易并行丰田公司通过并行工程，减少从设计定型到开始生产时间的2/3,现只需13个月作的开展开展，这自然大大加快r新产品上市速度生产 线设 计更 加优 化生产线布局之前，在虚拟 环境中不断分析、验证和 改进设计方案，这样生产 线规划的质量就大大优化 并减少了许多实施后调整 工作所带来的损失大众公司的每个白车身项 目节约了 $2.5M资金，3年 的预算削减了 $30M制造 过程 的优 化工艺规划人员为产品设计 人员提供制造过程的计算 机仿真手段，通过仿真识 别制造瓶颈以及设备利用 率低下等问题，能够更好 地利用制造设备，减少机 器加工和待工时间；在做 出采购决定之前对新工具 和制造过程进行仿真GE

26、TRAGFORD使用了仿 真软件 后，只用一个夹具就 可制造 离合器，而以前要三个夹 具。仅此一项，零件的制造 成本降低了 10 %,生产规划 效率也提图了 18%装配 序列 和装 配工 步的 优化通过数字化制造环境下的 虚拟装配分析，不但装配 序列的可行性得到了验证，而且生产线的平衡 也 更容易实现福特公司将新车投产的计划 周期减少了 50%的时间，并 减少了 5%的投资成本有助于通在软件平台中设计和分析生产过程，以虚拟方式MACK卡车公司只花了 14个月时间就完成工厂整合，过生 产重 组来 提高 生产 效率评估备选布局及物流方 案，在变动生产布局前对 变动结果进行预测。这样 在搬迁或整合工

27、厂时，生 产重组过程就变得简单而 可靠避免了无效的生产布局调整，节约了数百万美元方便 通讯 和信 息交 流工厂、规划、生产、物流 等制造信息实现了电子化 管理，大大方便了数据的 共享和流程互操作，不但 工厂之间，而且整车厂和 供应商（零部件供应 商、 生产线制造商等）之间的 信息交流都变得更 加方便马自达公司采用数字化制 造 后，在发动机生产线设计过 程中，与生产线制造商的 之 间商讨时间减少了 48%提高 生产 的柔 性通过生产线的柔性设计，在一条生产线可以生产更 多类型的汽车，从而大 大 提高了生产线的利用率， 并人幅节约成本、缩短时 间，在开发新车的过程中 获得更多回报在福特的Dearb

28、orn卡车工 厂，所有型号使用80%相同 的工艺，生产线成本降低 10%,生产线改造节省55%供应 商提 高应 对挑 战的标准化的过程使规划效 率提高；跨部门间实现更 好的协作；数据流贯穿开 发和规划阶段，生产响应 速度更快，能更好地满足HELLA用同等数量的规划人 员换来了更局的规划质量以 及更高的生产质量能力客户需求由此可见，数字化制造在国外的实施成效是非常显著的，这给国内汽车制造企业实施数字化制造提供了很大的吸引力和许多可以借鉴的经验。3）国内汽车制造企业中数字化制造的认知及应用现状除部分合资公司以外，国内大多数汽车制造企业接触到“数字化制 造”这 个概念的时间还不长，因此对“数字化制造

29、”的认识还停留在初级阶段，表3列举 了我们的一些调查结果。表3 国内汽车制造企业对数字化制造的认识及问题分析问题点企业的认识或现状我们的分析数字化制造”的起始点和主要内容数字化制造的起点是 开始工艺规划的时 亥I,终点是产品正式 批量生产，主要指在 计算机中进行的虚拟 制造工作，包括可制 造性的仿真分析、生 产线虚拟规划等等数字化制造作为产品生 命周期过程的一部分， 其范围不仅限于工艺规 戈IJ,也包括设计过程中 的工艺性评价、生产管 理和质量的分析验证等 阶段数字化制造”和 “ CAD/CAM的关系认为数字化制造中 的工艺仿真分析就是 或类似于在CAD/CAM中进行的拆装分析和装配干 涉检杳

30、以及NC代码 生产等等数字化制造中的工艺 仿真是在一个由工厂产 品、工艺和资源构成的 平台上进行的，相比 CAD/CAM而言这显 然更接近于真实的制 造环境数字化制造” 和“CAPP的关 系一般都应用了国产 CAPP 软件,CAPP 在工艺信息管理和工 乙报表输出方面发挥 了积极作用，因此觉 得数字化制造的意义 不大CAPP不支持三维平台， 且不具备工艺分析和验 证功能（运动干涉检 杳、可接近性和可装配 性检验、机器人运动路 径优化和离线编程 等），因此CAPP无助 于工艺优化和改进对于在三维环境 下进行工厂设计 和生产线布局优 化的重要性认识 不足开发了一种新车型后，一般需要对现有 的生产线

31、进行工位调 整或者引进新的生产 线，目前这些工作基 本上都是在二维环境 下进行的，也能较好 的完成工作为确保设计的合理性， 需要在有丰富经验工程 师的参与卜进行多轮次 的评审和修改，周期一 般在半年以上。如果在 三维平台上开展 这些工 作，不但通过可视化而 加快了设计速度，而且 可以通过仿真的手段及 时发现错误对制造执行系统（MES）的认识停留在初级阶段认为MES是一种位于 ERP与底层设备自动 控制系统（DCS）之 间的、面向车间层的 管理系统，仅关注如 何从设备自动化的角 度去提图生产效率并 解决生产线上的瓶除了连接ERP和DCS的 功能之外，MES更是企 业整个PLM战略的重要 一环，它

32、管理着所有的 车间级生产活动的实时 记录和数据，在PLM中 扮演承前（设计、工 艺）启后（服务、维 护）的角色，是实施统、产品配置系统、生产管理系统等等。自主品牌整车企业一一国内有相当数量的自主品牌整车企业，它们分 布 在轿车、卡车、微型车、商务车、客车等多个领域，典型企业如奇瑞、江淮和吉利 等。这些企业的境况如下：（1）除了少量领先企业外，大部分企业的生存状况恶劣，正在寻求国外 合资或者濒临倒闭；（2）基本上都走低价车的策略，产品的技术含量较低，部分实 力较强的公司拥有一定规模的产品研发团队，能够独立自主的完成车型 设计和工艺 规划，广泛使用了 CATIA UG等三维CAD软件，并应用若干C

33、AE软件来进行设计结 果的分析，生产线规划、布局和实施都是和供应商合作完成的；开始重视信息化 建设，实施了 ERR PDM（PDM勺使用还处在磨合阶段，尚未完全发挥作用）和工程更 改系统，部分公司已开始应用MES系统；（4）生产线勺自动化程度一般，机器人仅 在少量工位使用，其余工位全部为手工操作，工人劳动强度高，很多工厂勺工作环 境比较差，车身工艺勺混流程度低；（5）产品勺设计和制造水平不高，不过由于 产品类型勺特色，质量问题也不是很严重（比如微型车，用户对产品勺美观性、 舒适性、安全性和环保性要求不高）；（6）作为中国汽车出口市场勺主力军（卡 车、微型车等），必须遵守进口国勺法规要 求。零部

34、件供应商一一国内汽车零部件供应商勺数量众多，它们总体境况如 下：（1）除少数合资企业外，零部件工业产品水平和技术开发能力比整车更为落 后，这直接导致了整车产品质量提高缓慢，“召回制度”勺实施将导致部分供应商付出巨大勺代价，甚至面临破产勺危机;（2）整车厂商把整车降价勺压力转移给零部件供应商，零部件供应商面临整车厂商压价和原材料涨价勺双重挑战；（3） 整车厂实施精益制造以及为客户提供日益丰富选择权勺策略给下游勺供应商带来了 巨大压力：提前期缩短，工艺愈加复杂，质量却要不断改进。模块化供货也加剧 了汽车零部件供应商勺强弱分化，那些只提供单独零部件勺供应商就面临着失去客 户勺危险；（4）由于零部件还

35、没有实现国际上通行勺通 用化和标准化，加之零部 件配套上的地方保护主义，因此零部件生产远未达到 所要求的经济规模，成本难以 降低。4 .汽车行业数字化制造的需求分析汽车的制造工艺按照类型划分为冲压、白车身焊接、喷涂、总装、动力总成(发动机)以及其它零配件的制造/装配。其中，白车身焊接、总装和动力总成工 艺是最复杂的三种类型，下面对这三种工艺的特点及数字化制造需求 进行分析。1 )白车身工艺的特点及数字化制造需求白车身制造的基本过程就是采用机器人(或者手动加机械手辅助)的手 段，传输、抓取、夹持离散的镀金和冲压件并将其焊接成复杂的白车身结构。白车 身焊装过程的操作工序繁多，工艺内容复杂，它是汽车

36、制造企业最为关心的工艺 领域之一，据统计，一个轿车的白车身在焊装过程中要经历30005000个点焊步 骤，用到100多个大型夹具，500800个定位器，许多工艺信息都和零部件的三 维几何特性密切相关，这给车身焊装工艺参数选择、工艺流程规戈k车身焊装的 质量控制甚至车身设计都带来很多挑战。如何管理好数以千计的焊点，保证无漏 焊、重焊，是白车身工艺规划的难点。总体来说，白车身工艺的特点和发展趋势如 下：(1)工艺越来越复杂和先进。为了实现汽车轻量化，更多类型的材料被 应用到白车身制造中来，这无疑增加了焊接工艺的难度；减少焊点数量并广 泛使 用先进的激光焊接技术正成为车身焊接技术的发展方向。(2)制

37、造过程属于高度资本密集类型，在夹具以及传输、夹持零件所需 的自动化设备，进行焊接作业的机械手，验证质量所需的测量/测试设备等 领域投 资庞大。(3)大量使用机器人和自动化技术。为了保证焊装工艺的节拍和白车身 的整体质量，国外已经实现白车身焊接工作量的90%以上由机器人完成，机器人的控制、自动化和编程过程相当复杂。(4)对产品设计和工艺规划的质量要求很高。为了保证高可靠性，要 求 超过95%的实际制造过程被模拟和仿真，并要求精确的设备设计、模拟和 精确的生 产节拍，从而缩短调试与试运行时间。(5)为了追求现有资本设备的价值最大化，白车身混线生产的要求日趋 明显，对标准化和柔性的要求更高。这要求实

38、现模块化和标准化的焊接工位、标准 化驱动柔性制造、采用新的工具和手段增加制造柔性、机器人之间的分工协作和 共享轿车平台。然而多年以来，在白车身焊装线领域，国内绝大多数整车厂还处在一个 很低的技术水平上，无论是项目招标还是具体项目实施，相关数据多数还停留在 AutoCAD图纸状态，焊装工艺工程师最为主要的工作内容就是Excel填表和截图，工程师难有时间去考虑制造工艺本身的问题，如节拍平衡、生产线布置 以及工位仿真等。目前，白车身制造过程中存在的问题包括：工艺设计数据和手段 依然停留在二维年代；缺乏有效管理焊点信息的手段，缺乏统一的数据管理平 台，缺乏精确的焊接过程分析手段，缺乏更为直观、精确的工

39、厂布局和仿真手段， 缺乏精确的物流过程分析手段，缺乏更有竞争力的招标投标技术 手段。这些问题是 汽车制造商在白车身工艺和制造过程中积极采用数字化制造 技术的主要原因。一般 来说，一套支持白车身工艺的数字化制造解决方案应具备以下功能特点：(1)是一套支持白车身工艺”概念规划一粗规划一详细规划一生产 运行管 理”的完整解决方案，具有统一的工作平台和数据管理层；支持生产区域的工艺 规划和模拟；采用先进的三维图形引擎；支持白车身工艺的特殊功能，如焊点布 置、生产线的模拟、机器人模拟等。(2)对白车身工艺规划的支持。获得产品数据和三维装配信息，定义工 序顺序，优化布置焊点，用二维和三维的方式进行资源配置

40、和布局，对变更 进行管 理，进行投资成本评估，并最终生成工艺卡和相关文件资料。(3)对白车身工艺仿真的支持。对白车身焊装信息即工位、夹具、车身零 部件、焊点、焊枪和操作者进行建模，生成用于模拟的工作单元，管理并分析模拟 结果，通过工作单元的组合来进行生产线模拟。2 )总装工艺的特点及数字化制造需求汽车总装的基本过程就是采用手动(或者手动加机械手辅助)的手段， 按次序将零部件装配到移动的车身上，最终生成汽车的成品。在过去的十几年 中，随着汽车产品型号的急剧增加，产品配置越来越复杂，总装的混流生产变 得非 常普遍，总装生产线成为汽车制造商在规划设计过程中最费时间的部分。总体来 说，总装工艺和制造的

41、特点及发展趋势如下：(1)制造过程属于高度劳动力密集类型，存在若干优化目标：a)优 化劳动力价值，充分利用在线作业时间；b）平衡整个生产线，使产出最大化；C）满足 人机工程和要求，实现安全生产；d）满足物流的需求，实现准时制造。要实现 制造过程中效率和质量的最大化，就必须对各个工序进行非常详细的理 解和定义， 即进行详细的工艺规划。（2）汽车产品复杂，装配任务的数量巨大，多个品种混流生产，在投产前 验证和优化装配工艺规划以及在投产后对生产过程进行高效的管理都变得至关重 要。以上海大众为例，它计划在三年内引进7到12种新车型，并进 行柔性混线制 造，产量提高到每天2500辆，因此，规划部门的压力

42、也越来越大，它们必须不断 提高规划能力，提高规划的质量和效率。（3）总装混流生产线由相对确定和静态的特性向不确定和动态的特 性转变。在大规模定制环境下，生产的对象需要根据客户需求的变化而在一定范围内变化，有时产品对象会超出生产线设计时预定的能力，因此生产线应具备动态调整的能力,通过快速调整工位、物料传输系统、以及工装夹具等来适应新产品类型的插入。（4）提高工艺规划的“共用性”，在全球范围内创建和重复使用最佳 的 工艺规划实践。体现为：a）各个车型间共享制造规划信息，提高复用比例，减少 重复工作；b）在分布于全球的各个工厂（这些工厂可能进行相同的总装工作）间 共享制造规划信息。目前，国内大多数整

43、车厂还不具备从容应对这些挑战的能力，在这些 企业中，汽车装配工艺一般由工艺规划人员先进行经验性、类比性的手工设计，然后这种做法工作量根据样车装配试验情况和生产现场实际情况进行适当调整后完成。巨大，耗时长，工艺规划的质量无法保证，在装配任务规划、生产线 平衡等方面难 以达到较理想的优化效果，最为严重的问题是，由于制造过程的 柔性和复杂性， 在调试与试运行过程中往往会有很多问题，而随后在日常生产 中又会因为设计和工 艺变更而引发很多新问题，这些问题的频繁出现不但加长了总装生产线从规划到投 产以及从投产到量产的周期，而且大大增加了成本。因此，必须广泛使用虚拟技 术，在计算机上实现装配工艺规划和验证，

44、从而及 时发现并修正问题，减少实际投 产后的变更。一般来说，一套支持总装工艺的数字化制造解决方案应包含以下功(1)数字化预装配(DPA: Digital Pre-Assembly)。对于一部新车来说，一般需要做20, 000次DPA在初步工艺规划阶段，每一个DPA都要在三维虚拟环境下经过数次仿真测试以确保毫无差错，这样就降低了在车间生产中发生 问题的概率。DPA的任务包括可装配性检验、动态装配截面检验、装配路 径分析、 动态装配干涉检查、工装卡具检验等等。DPA分析的目的是从装配的角度来验证产 品设计，通过仿真，在设计阶段就可发现装配过程中可能存在的装配顺序与装配 干涉问题，从而降低设计风险、

45、提高设计和规划的成功率。(2)数字化工艺规划(DPP: Digital Process Planning)。a)定义变型产 品；b)对每个工位的操作进行定义，确定工位内的操作顺序，在一个工具模块中 对整个生产工艺进行优化整合，并建立能进行工时计算、成本分析、文件管理和变 更产品管理的模型；c)对装配线上所有工具和夹具进行定义，这涉及到车间内使 用的全部资源，例如夹具、滑轨、起重设备、辅助设备等；d)对各个工位的详细操作进行定义，在流程上得到每个工位进行各种处理所需的准 确时间，以此为依据平衡并优化装配线；e)对分配的操作进行分析，比如判断在 汽车的这一侧操作是否有限制，是否在另一侧操作更合适等

46、等。(3)数字化工艺规划验证(DPV: Digital Planning Validation)。对 整 个工作区域进行三维仿真和工位优化布局，验证工位之间没有互相的干涉，生产线 的布局设计能够保证逻辑上和连续的工作；进行生产线动态仿真，进行生产能力 的评估、瓶颈检查和生产资源利用率的评价；向管理人员和车间人员提供当前做 出的工艺计划并听取反馈意见。(4)生产管理和供应商协同。高效的生产管理要充分利用制造执行系统 (MES)实时流程和控制(SCADA/HMI以及流程规划的功能；供应商协同的目标则是为 了确保零配件的质量，并实现准时生产。3 )动力总成工艺的特点及数字化制造需求发动机是汽车的关键

47、部件，它的制造工艺非常的复杂。发动机制造工厂都包含缸体、缸盖、曲轴等的机械加工生产线，发动机的装配线，以及发动 机检测 线和设备。发动机的制造质量直接影响着汽车产品的性能水平和可靠性。随着发动 机趋于轻量化、结构简单化、性能优质化，发动机制造技术和工艺发生了很大的变 化，高速、高效、柔性是制造工艺当前的主要特点。为了应 对这些挑战，除了采用 先进的制造技术和制造设备以外，进行数字化工艺规划和仿真验证也是提高动力总 成工艺水平的重要途径。数字化工艺规划的基本需求是：（1）加工工艺规划。a）识别发动机设计模型的加工特征，进行基于 知识 的工序选择、工装设计和多轴方案规划；b）自动生成加工过程的NC

48、代码，并提 高NC程序的质量和性能；c）确定机加工生产线，进行工序分配和 生产线平衡。（2）装配工艺规划。发动机装配生产系统由各部件装配、总成装配和 与 此对应过程的各种检测和控制组成，如气缸盖装配、活塞连杆总成装配、主轴瓦检 测、曲轴转动和轴向间隙检查、扭矩检测、密封检测、冷态检测等。整 个装配生产 系统的完备性和先进性主要取决于装配流水线中各关键工位（控制点）的控制，这些 关键工位对于最终所生产出来的发动机的质量是至关重要的。因此装配工艺规划必 须能对关键工位的操作步骤进行分析和优化，管理装配偏差，改进质量。数字化工艺仿真的基本需求是：（1）建立发动机生产车间的仿真模型。a）建立实体模型：

49、发动机机力口、 装配、试验、仓储等工艺布局的三维模型；b）建立工艺流程仿真模型：装配、机 加工工艺流程、试验工艺流程、辅助生产工艺流程、物料搬运过程等数据模型。（2）通过仿真生成发动机生产线的工艺布局优化方案并进行数据分析。 a）分析生产线空间利用率；b）为不同的业务决策模拟运行过程（以最终纲领为依 据），分析生产线的负荷平衡问题，提高各种设备利用率，提高生产 线的效率； c）确保系统在动态运行时不会因为布局本身的不周而发生阻塞和干涉。（3）通过仿真生成发动机车间量产后的物流分析及物料配送计划。a）统 计相关数据求出物流量和各种路径的物流强度等，提出方案减轻物流量大的路径或 单元的压力，达到运

50、输路线的最优化；b）输出物料配送计划，通过人工修正和补 充提出合理的配送计划；c）建立物料库存的动态仿真模型，动态模拟库存状态， 提出方案减少库存投资和确定合理的库存量。(4)通过仿真生成发动机车间生产、物流成本分析报告。输出生产成本，计算物流成本在生产成本中的比重，提出报告并分析原因。5 .汽车行业数字化制造解决方案简介图3列出了目前国际上一些重要的制造业数字化软件提供商，按照 所提供的数字化制造解决方案的完整性,可将它们分为以下四类:(1)领先的PLM/ERP软件提供商。它们能够为多种工业应用提供服 务，但 目前没有太关注数字化制造概念，也没有推出相应的数字化制造解决方 案，这类企 业位于

51、区域1。(2)数字化制造点方案(Point Solution)提供商。它们仅能提供数字 化制造中一些离散的点应用，比如工艺规划、生产系统建模仿真、MES等等，这类企业位于区域2o(3)相对完整的数字化制造方案提供商。它们能够提供针对某些特定工业应用领域的解决方案，但由于没有自己的PLM平台，因此难以提供多元服务，这 类企业位于区域3。完整的数字化制造解决方案提供商。它们有市场领先的PLM产品，所提供的数字化制造解决方案不但产品齐全、功能完善、集成性好，而且 能够 为汽车、航空、电子等多种行业应用量身定制，这类企业位于区域4,目前全球具备这样特征的软件提供商只有美国的UGS公司和法国的Dassa

52、ult公司(说明：PTC公司收购Polyplan之后，也有了自己的数字化制造解决方 案，但 Polyplan和Windchill的整合还待时日)。PLM/ERP: 无垃字a *I多元目标市场ORACLEUGSagile区崛jCutiairon DATASWEEP融的 V1SIPR1SEVALQR a proplanner 1图3数字化制造解决方案提供商一套针对汽车行业的数字化制造解决方案必须体现汽车制造的特点，它着 眼于改进整个汽车制造流程，涵盖从动力系统到车身毛坯、涂装到最终装配及车间 平面布置、一直到供应商与系统管理的所有功能。下面对UGS公司和Dassault公司的数字化制造解决方案作一

53、个简单的介绍。1)UGS公司的Tecnomatix解决方案UGS公司是PLM领域的全球领先者，它提供的Tec no matix平台是 套完整的数字化制造解决方案，其构建基础是开放式的PLM即Teamcenter主构架，它由零部件制造、装配规划、资源管理、工厂设计与优化、人力绩效、产品质量规划与分析、生产管理等核心模块构成。针对汽车行业的Tecnomatix解决 方案的结构如图4所示工厂JS掘制进过程葫真分析资源效数字4UGS公司的Tec殳计和性以及可维护性的基础块的方式进主产 Its (MES)工厂设计和优化1JK童规划和分析行工厂设计不但形象直观,更能够充分描述和利用信息，对存储需求和物流设

54、备进行评估，从而优化设施布局，以获得更高的生产线和物流绩效。汽车全套工艺的规划设计-Tec no matix解决方案包含了针对汽车 全套工艺的辅助规划设计功能：白车身、总装、发动机、冲压、涂装以及零部件供 应商的工艺规划。白车身工艺解决方案(eMPower Carbody) o主要解决白车身焊接 工艺规划和焊 装生产线的规划问题。该方案实现了：a)多用户和多作业点的白车身工艺规划。用户首先创建白车身制造过程的分层次描述，根据工艺逻辑、流 程及定义的业务、制造资源和产品零部件间的关系生成电子工艺表，然后将 焊接点分配到相应的操作和资源中，使用系统资源库中的标准机器人、夹具、焊接 或喷枪等设备工具

55、，在二维环境中规划点焊接或喷漆工艺；系统也能跟踪和管理 产品设计变更情况，核定其对制造工艺的影响。b)设计、优化和离线编程。从系 统资源库中自动选择焊枪，通过剖面功能核验焊枪；通过进行机器 人路径三维仿 真，检查碰撞情况、核对可达范围及优化周期时间；通过离散事 件过程仿真分析生 产线性能，包括产量和资源利用情况、瓶颈查找及缓冲大小；最后自动生成机器 人和可编程逻辑控制程序及作业指导书。C)整个企业内的信息交流。提供并允许 用户读取存贮在系统中的各种自定义生产报告、成本估算、培训材料及工艺仿真。 整车厂、生产线建造商及承建商都能在一个以内容为中心的协同环境下合作，最终 形成一个发展与改良的连贯循

56、环。(2)总装工艺解决方案(eMPower Assembly)。主要解决总装生产线的工艺规戈人 多车型混线生产中的制造管理、总装物流优化和按定单排产等制造工艺问题，完成 人员模拟、生产线平衡和时间流程的规划。该方案实现了： a)多用户和多作业点 的装配工艺规划。用户首先创建总装过程的分层次描述，根据工艺逻辑、流程及 定义的业务、制造资源和产品零部件间的关系生成电子工艺表，借助系统资源库中 的集装箱、堆装架及传送器等设备工具，在二维环境中进行总装工艺规划，然后 评估制造装配时间、项目投资和制造成本，平衡生产线，并对包括产量、资源利用 情况在内的装配线性能进行分析。b)设计、优化和记录车间文档。支

57、持从装配顺 序分析到装配工作站的详细三维设计，实现对复杂的机器人和人工作业的三维仿 真，如汽车座椅、仪表板和挡风玻璃插入、人体工程学分析以及工作顺序、执行时 间优化等。通过离散事件工艺仿真实现对不同订单和产品组合的生产规划，并对生 产线性能、资源利用、瓶颈查找和缓冲区大小等进行优化。进行加工程序的离线编 程并为装配线工人和供应商生成作业指导书。c)整个拓展企业内的信息交流。允 许用户读取贮存在系统中的各种自定义的生产报告、成本估算、培训材料及工艺仿 真。这样当引入新型产品和品种时，就能轻易实现实时更新。整车厂可将制造信息 传给供应商，好像 在一个企业内进行交流。(3)机加工工艺解决方案(eMPower Machining)。主要解决发动机机加 工生产线的工艺规划、加工策略优选、刀具和工装卡具优选、NC仿真和生产线平 衡等问题。该方案实现了：a）加工线规划。即在考虑到所有可用和现有的机械和加工线组件的情况 下，规划出一条完整的发动机生产线。首先利用三维 CAD数据，自动或 手工定义出零部件的加工特征及层次，然后自动从系统知识库、最佳方法库中选 择合适的操作和工具，并在考虑加工时间、切割工具和切除余量成本的基础 上， 估算出所选择作业的成本，最后比较和分析各种生产线方案的性能，包括加工生产 线产量、资源利用、在建