基于數(shù)字化工廠的新車投產精益化管理及實踐
摘要
汽車市場的激烈競爭使汽車產品更加的智能化和多樣化，同時對產品從設計到投產面市的時間要求也越來越短，傳統(tǒng)的新車投產設計和實施的管理方法已經不能滿足多品種混線生產、產品快速上市這一要求。本成果利用數(shù)字化工廠技術為依托，通過建立針對新車制造的生產系統(tǒng)的數(shù)字模型并進行模擬仿真，使新車生產系統(tǒng)的設計方案更加合理，對車間及其內在設施設備的設計、建造和維護各個過程的相關數(shù)據(jù)定義得更加明確精細，從而能優(yōu)化工廠從設計到建造的整個流程，實現(xiàn)精益化管理。上海大眾是國內第一家掌握新車投產全數(shù)字化設計和實施管理技術的整車生產廠家，后續(xù)新車型的投產將全部基于數(shù)字化工廠平臺進行。該方法在多個車型的投產項目中得到應用，提高了規(guī)劃的質量，縮短了規(guī)劃的時間和上市前準備時間，取得了良好的經濟效
目 錄
（二）汽車產品的復雜性導致對制造工廠設計規(guī)劃的高要求
（三）傳統(tǒng)的人工規(guī)劃設計方法不能滿足新車型快速上市的要求
（四）數(shù)字化工廠技術可為新工廠設計建造提供新的管理手段
三、基于數(shù)字化工廠的新車投產精益化管理的主要創(chuàng)新方法
3、針對車身規(guī)劃的焊接可達性分析及焊槍優(yōu)選
1、針對新產品規(guī)劃任務，快速形成規(guī)劃方案
2、形成上海大眾特有的數(shù)字化工廠標準庫和規(guī)劃方法
3、逐步和其它系統(tǒng)進行集成，形成完整的數(shù)字化工作流
4、提高整個供應鏈的數(shù)字化工廠規(guī)劃的應用
3、工廠設計規(guī)劃、建造、生產各個環(huán)節(jié)的管理逐步深入
四、基于數(shù)字化工廠的新車投產精益化管理的實踐和效果
1、增強部門之間和工廠之間的聯(lián)系，降低了規(guī)劃過程的管理成本
3、積累的規(guī)劃知識，優(yōu)化規(guī)劃結果
4、提前了投產（SOP）的時間，具有很好的經濟效益和社會效益
基于數(shù)字化工廠的新車投產精益化管理及實踐
摘要
汽車市場的激烈競爭使汽車產品更加的智能化和多樣化，同時對產品從設計到投產面市的時間要求也越來越短，傳統(tǒng)的新車投產設計和實施的管理方法已經不能滿足多品種混線生產、產品快速上市這一要求。本成果利用數(shù)字化工廠技術為依托，通過建立針對新車制造的生產系統(tǒng)的數(shù)字模型并進行模擬仿真，使新車生產系統(tǒng)的設計方案更加合理，對車間及其內在設施設備的設計、建造和維護各個過程的相關數(shù)據(jù)定義得更加明確精細，從而能優(yōu)化工廠從設計到建造的整個流程，實現(xiàn)精益化管理。上海大眾是國內第一家掌握新車投產全數(shù)字化設計和實施管理技術的整車生產廠家，后續(xù)新車型的投產將全部基于數(shù)字化工廠平臺進行。該方法在多個車型的投產項目中得到應用，提高了規(guī)劃的質量，縮短了規(guī)劃的時間和上市前準備時間，取得了良好的經濟效
基于數(shù)字化工廠的新車投產精益化管理及實踐
上海大眾汽車有限公司成立于1985年3月，是中國改革開放后第一家轎車合資企業(yè)，由中德雙方各出資50%組建而成。公司總部位于上海安亭國際汽車城，占地面積333萬平方米。上海大眾是國內規(guī)模最大的現(xiàn)代化轎車生產基地之一?；诖蟊?、斯柯達兩大品牌，公司目前擁有帕薩特、波羅、途安、Lavida朗逸、Tiguan途觀和Octavia明銳、Fabia晶銳、Superb昊銳等十大系列產品，覆蓋A0級、A級、B級、SUV等不同細分市場。上海大眾的“四位一體”經銷商和特約維修站總計達到1000多家，全國的地級市覆蓋率超過70%，配套的零部件企業(yè)有400多家。上海大眾曾連續(xù)八年榮獲中國十佳合資企業(yè)稱號，八度蟬聯(lián)全國最大500家外商投資企業(yè)榜首，并連續(xù)九年被評為全國質量效益型企業(yè)。憑借質量、經濟效益等方面的顯著績效，上海大眾成為了中國汽車行業(yè)中首家獲得全國質量管理獎的企業(yè)。
中國的汽車制造業(yè)正處在一個機遇與危機并存的關鍵發(fā)展階段。一方面，資金的大量投入和消費市場的持續(xù)繁榮帶動了汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展，2010年中國生產汽車1826萬輛，銷售1806萬輛，創(chuàng)造了新的世界產銷記錄。另一方面，汽車制造能力“大而不強”的現(xiàn)象非常突出，表現(xiàn)為：(1) 整車制造資源分散。中國有上百家整車廠，但普遍規(guī)模很??；(2) 自主創(chuàng)新能力欠缺。國內制造的一些較高檔次的汽車從車型設計到生產線布置(含設備和布局規(guī)劃)基本上都自國外引進；(3) 汽車產品的國際競爭力弱，難以走出國門。隨著國內市場日趨飽和，汽車利潤率也將逐步降到全球行業(yè)的平均水平，汽車廠家的生存受到嚴重威脅。在這種嚴峻形勢下，國內汽車制造企業(yè)在管理和技術上尋求革新勢在必行。
為了滿足不同消費階層的需求，各大汽車廠都構建了不同品牌、不同系列的覆蓋高、中、低各個消費階層的系列產品。同一個產品，也提供客戶化定制服務，每個用戶都可以在一定的范圍內對自己的汽車產品進行定制，以滿足個性化的要求。這將會導致汽車廠直接面對多樣化的產品生產模式，而且各個產品系列的制造需求都會隨著市場的變化而變化。
產品的多樣化導致生產系統(tǒng)的多樣化。目前，各大汽車制造企業(yè)都普遍采用混線生產的模式。混線生產就是在一條生產線中通過不同設備的配置方法，來生產不同類型、不同品牌的汽車?；炀€生產必然會對新車型的投產提出新的要求，一方面，需要對新的產品設計出和原來流水線相似的生產流程和設備；另一方面，需要合理調整生產線設備的參數(shù)和節(jié)拍，讓混線生產成為可能。而傳統(tǒng)的工廠設計規(guī)劃方法由于沒有數(shù)字化的規(guī)劃設計數(shù)據(jù)，導致新車型的工藝路線和加工裝備時不能很好地借用原來的設計方案。新的設計方案完成后又不能進行模擬仿真而必須在現(xiàn)有的生產線上做停產后的樣機試生產，直接影響到了現(xiàn)有產品的生產。因此，迫切需要一種能對生產過程信息進行有效管理并能提供模擬仿真的新的生產系統(tǒng)規(guī)劃設計方法。
汽車產品的設計復雜度在不斷提高，使制造工藝也日趨復雜，技術含量越來越高。例如，輕量化的要求使得汽車需要使用更多種類的材料，這相應增加了車身焊接和總裝工藝的復雜性。一些先進的制造工藝技術比如激光焊接逐漸應用到汽車的車身拼焊和零件焊接中來，它具有減少零件和模具數(shù)量、減少點焊數(shù)目、優(yōu)化材料用量、降低重量、降低成本和提高尺寸精度等好處。此外，噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人的廣泛采用也增強了技術含量?；炀€生產又對生產線的布局設計和產品設計都提出了很多約束。
車間自動化程度的提高也需要對規(guī)劃設計方法的改進。以白車身生產線為例，目前主要采用自動化手段來傳輸、抓取、夾持金屬薄板并將其焊接成復雜的白車身結構，在夾具以及傳輸和夾持零件所需的自動化設備、進行焊接作業(yè)的機械手、驗證質量所需的測量/測試設備等方面投資巨大，因此必須對設備的布局和配置進行分析優(yōu)化，提高設備的柔性、運行可靠性和利用率，實現(xiàn)現(xiàn)有資本設備的價值最大化。
在如今這個產品繁多、競爭激烈的時代，如何提高資金流轉的效益、如何縮短新產品從研發(fā)到上市的時間、如何在銷售領域延伸人性化的服務，是整個工業(yè)領域面臨的挑戰(zhàn)。因為對于制造業(yè)來說，時間就是金錢，個性就是優(yōu)勢。一款產品如果晚上市一周，對于企業(yè)來說很可能就損失慘重。
隨著產品的越來越復雜和知識含量的越來越高，制造系統(tǒng)的復雜程度也越來越高，由于生產設備和制造系統(tǒng)日趨復雜，供應商和客戶在規(guī)劃和設計系統(tǒng)的前期、組裝和調試新設備并將其投入到生產的過程中經常面臨著日益嚴峻的問題。傳統(tǒng)的手工處理方式，設計人員不能對新的制造技術和制造系統(tǒng)有正確的了解，可能導致產品設計上的錯誤，就需要在以后的設備現(xiàn)場安裝調試中以更大的代價去更正。而生產制造過程的經驗也不能很好地反饋到設計階段。設計和制造兩個環(huán)節(jié)的脫節(jié)就需要迫切提高企業(yè)的生產規(guī)劃能力和制造系統(tǒng)的設計能力。
另一方面，傳統(tǒng)的人工規(guī)劃方面基本上是“粗狂性”的設計方法。新生產系統(tǒng)設計完成后，具體的設備進廠、試生產和投產都是一個不確定的紙上方案，給建造供應商提供了很大的發(fā)揮空間。這樣會導致新工廠的建設時間、建設成本都不能很好地進行控制，最后往往會導致費用超支，工程的拖期。
數(shù)字化工廠技術通過建立工廠級的制造系統(tǒng)數(shù)字化環(huán)境，實現(xiàn)制造系統(tǒng)規(guī)劃和設計的自動化。利用數(shù)字化工廠系統(tǒng)建立制造系統(tǒng)的模型，以數(shù)字化形式在計算機上全面實現(xiàn)生產制造過程的設計、規(guī)劃和仿真，是制造系統(tǒng)設計及實際生產系統(tǒng)運行控制的有效輔助手段。
圖 1 虛擬產品設計和數(shù)字化工廠的關系
數(shù)字化工廠之所以近來逐漸引起關注，這和產品制造過程的重要性密不可分，任何創(chuàng)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(shù)字化制造技術來優(yōu)化制造工藝及提高制造效率的意義十分重大，且前景廣闊。到目前為止，數(shù)字化工廠已經在國外領先汽車制造企業(yè)中得到了普遍應用，調查顯示，全球前15 大汽車制造企業(yè)都在不同范圍內采用了數(shù)字化制造解決方案，并獲得了降低規(guī)劃成本、提高規(guī)劃質量、加快規(guī)劃時間等多方面的投資回報。
上海大眾作為國內第一家應用數(shù)字化工廠技術的汽車制造商，經過幾年漫長的探索和實踐，成功的將數(shù)字化工廠技術應用到實際的車型規(guī)劃項目中，從傳統(tǒng)的規(guī)劃方式逐漸過渡到數(shù)字化規(guī)劃方式，這表明上海大眾對新車型投產的設計規(guī)劃和建造的管理水平已經得到了質的飛躍，是國內汽車制造技術發(fā)展的里程碑。目前國內眾多一線汽車制造廠中，上海大眾是唯一具有整車項目的數(shù)字化自主規(guī)劃能力的廠家，上海大眾數(shù)字化工廠技術的成功應用，為其他汽車制造廠的自主規(guī)劃提供了信心和方向，標志著中國汽車制造行業(yè)將邁向數(shù)字制造時代，與世界領先的汽車制造技術接軌，體現(xiàn)了“創(chuàng)新驅動，轉型發(fā)展”。
精益管理的核心是減少一切不產生效益的環(huán)節(jié)，降低成本，提高質量?；跀?shù)字化工廠的新車投產精益化管理的主要內涵包括：
（一）數(shù)字化工廠通過把產品設計和產品制造密切地聯(lián)系在一起來促進創(chuàng)新，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優(yōu)化，降低從設計到生產制造之間的不確定性，提高制造工藝的可行性和可靠性，縮短整個規(guī)劃和生產準備周期，加快產品上市。對產品制造過程進行建模和分析，優(yōu)化制造過程和制造系統(tǒng)的配置，提高設計規(guī)劃的質量；
（二）利用數(shù)字化的手段對新車的生產制造系統(tǒng)的設計規(guī)劃和建造、試生產過程進行精細管理，協(xié)調各個供應商之間的關系，形成了數(shù)字化的工作流程和方法。其目的是降低生產系統(tǒng)建造施工過程的不確定性，從而提高新生產系統(tǒng)的建造速度，降低建造成本；
（三）數(shù)字化平臺建立了反映整個企業(yè)制造能力的數(shù)字模型，整合了整個企業(yè)的制造資源信息，和企業(yè)的產品數(shù)據(jù)系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)進行了集成，實現(xiàn)知識共享。為新車型的投產計劃、挖掘企業(yè)生產潛力等提供了直接的決策依據(jù)，促進企業(yè)的不斷發(fā)展。
數(shù)字化工廠技術是一系列涉及數(shù)字化規(guī)劃技術的總稱，數(shù)字化工廠方法是一種數(shù)字化規(guī)劃的方法，包括相關的技術路線和管理方法，它的目標主要是生產計劃、工藝管理、生產過程組織、制造實施等領域的設計和優(yōu)化問題。它通過建立統(tǒng)一的工藝數(shù)據(jù)庫來支持計劃人員和工藝人員完成復雜的生產工程管理和優(yōu)化任務。圖2就表示了基于這一統(tǒng)一的工藝數(shù)據(jù)庫（eBOP）所建立的數(shù)字化工廠相關應用系統(tǒng)。這些應用系統(tǒng)整體形成了一個數(shù)字化工廠平臺，它可以在數(shù)字化世界形成整個加工制造過程的“虛擬工廠”，它是真實工廠的反映，在真實工廠投產前就能對整個加工過程進行模擬仿真，并且能進行三維的瀏覽和分析。
數(shù)字化規(guī)劃的實質是針對數(shù)字化產品定義，制訂合適的制造工藝，選擇合適的制造資源。規(guī)劃過程就是為一個產品選擇合適的制造資源，建立合適的工藝路線的過程。反映在數(shù)字化世界，就是建立產品、資源和規(guī)劃（工藝）三者合適的關系。一個產品完成規(guī)劃后，針對這個產品的三者關系會被存放于數(shù)據(jù)庫中，形成了規(guī)劃方案庫，從而為下一個產品的規(guī)劃工作提供借鑒作用。因此，數(shù)字化產品定義(Product)、數(shù)字化工藝流程規(guī)劃(Process)和數(shù)字化制造資源(Resource)構成了數(shù)字化規(guī)劃的eBOP核心數(shù)據(jù)模型（electric Bill of Process）。
圖 2 基于工藝數(shù)據(jù)庫的數(shù)字化工廠
針對汽車典型工藝過程和規(guī)劃任務，本成果建立了數(shù)字化規(guī)劃平臺，配合相關的規(guī)劃工具集，幫助規(guī)劃人員更快、更好地完成規(guī)劃任務。
圖 3 針對工藝規(guī)劃的數(shù)字化工廠方法
平臺上集成的主要數(shù)字化工廠方法有：
工藝規(guī)劃實現(xiàn)離散制造過程的建模、規(guī)劃和分析，也是編制工藝過程的主要模塊。工藝規(guī)劃模塊完成工藝過程設計，是連接產品設計與制造的橋梁，是整個制造系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，對產品質量和制造成本具有極為重要的影響。
數(shù)字化工廠通過將產品數(shù)據(jù)、制造資源、工序操作和制造特征關聯(lián)起來建立工藝過程模型，作為工藝規(guī)劃的基礎。綜合利用各種工具，來提供工藝規(guī)劃的質量。
制造工程師可以使用數(shù)字化工廠的各種工具定義產品的裝配順序，創(chuàng)建模擬并驗證產品的可制造性和適用性。此外，還可以定義和管理一項工序或一組工序的工時，生產線平衡可以使用各種圖表進行管理，這些圖表說明了指定給每項資源的工作量。使用圖表可以識別關鍵的生產路徑，同時考慮產品變型組合和流程限制條件，如裝配的方向和順序以及裝配的可用性。從而使整個eBOP工藝流程得到優(yōu)化，提升了工藝規(guī)劃的質量和效率。
圖 4 數(shù)字化規(guī)劃平臺上的產品三維瀏覽
圖4展示了在數(shù)字化工廠平臺上的產品瀏覽界面。圖5表示了指定完生產工藝后，可以利用Pert圖進行顯示和分析。圖6是用Gantt圖平衡生產線等來實現(xiàn)工藝過程優(yōu)化的目的
圖 5 用Pert圖分析工序
圖 6 用Gantt圖平衡生產線等來實現(xiàn)工藝過程優(yōu)化的目的
工廠布局是制造企業(yè)的前期工作，涉及廠房、設備和工裝夾具等主要資源的空間規(guī)劃設計，是整個企業(yè)生產的前期工作，也是基礎工作。在數(shù)字化工廠的三維仿真環(huán)境中，以廠房布局圖等相關數(shù)據(jù)作為輸入，以制造設備的數(shù)字模型作為支撐，以設備規(guī)劃綱領作為控制，對三方面的數(shù)據(jù)進行處理，形成靜態(tài)的車間設備和生產線的虛擬空間分布，真實的再現(xiàn)生產線的制造設備布置情況。輸出車間設備的布局模型圖。
3D布局可以比2D更直觀地反應產品或設備的信息，使規(guī)劃過程更加方便、準確，提高了規(guī)劃質量。數(shù)字化工廠的工廠布局可充分利用已有的世界著名生產線設備制造商的主要產品模型數(shù)據(jù)，如Siemens、ABB、Bosch等。用戶可以根據(jù)自身設備型號加以選用，該庫包含的設備滿足國際標準。系統(tǒng)可以方便地進行生產線、工位設備定位布局，支持“自頂向下”和“自底向上”的設計流程，包括自動和人工工位。系統(tǒng)提供多種CAD系統(tǒng)的接口并支持多種中間格式的輸入，如：UG、Pro/E、I-deas、Iges、Stl、VDA、Cat等，方便數(shù)據(jù)交換。圖7是機器人工位的仿真界面。
圖 7 機器人工位仿真
圖 8 干涉檢查及人機工程
工位仿真模塊可以建立一個可視化的三維圖形環(huán)境，幫助用戶交互地設計生產線和加工單元。運動功能用于實現(xiàn)對機器人的控制并分析其效果；運動學功能可用于定義、修改和操作機器人運動部件以便檢驗它們對運動指令執(zhí)行的效果。對制造單元的仿真功能可以檢驗、修改和優(yōu)化機器人放置位置和運行程序并完成干涉檢查。圖8是人機工程的檢查方法。
利用三維的數(shù)字化工廠平臺，可以建立數(shù)字化的工位布局流程，各個布局設計部門、供應上可以協(xié)同工作，消除設計中的沖突和錯誤。圖9是這個數(shù)字化的布局流程過程圖。
圖 9 工位布局流程
利用已經選定焊槍的數(shù)字模型在數(shù)字化工廠的三維仿真環(huán)境中驗證是否可以滿足每個焊點的焊接要求，若不能，則需要對焊接工藝進行調整或者重新更換焊槍。數(shù)字化工廠可以自動剖切焊點夾具和工件建立截面，用這個橫截面完成零件分析，實現(xiàn)焊槍的搜索和對特定局部的考察。使用這一截面，幫助用戶選擇一個適于特定點焊作業(yè)的最佳焊槍，系統(tǒng)自動從用戶的焊槍庫里選擇并按優(yōu)先級的順序建議最適合的解決方案。
根據(jù)各部分焊點的工藝要求，可以設定焊槍參數(shù)，并在已有的標準資源庫中搜索，查看是否有符合指定工藝要求的焊槍，若能滿足工藝要求，則無需重新設計制造，這樣可以大大提高焊槍資源的重復利用率。若不能滿足工藝要求，也可以根據(jù)分析情況來指導新焊槍的設計。圖10是焊槍選擇過程的界面。
圖 10 焊槍優(yōu)選
在數(shù)字化工廠軟件中預先定義好相對完善通用性強的工藝規(guī)劃模板，將產品EBOM（電子物料清單）到入到數(shù)字化工廠軟件后，利用工藝規(guī)劃模板進行實際的工藝規(guī)劃，規(guī)劃過程中要同時將各種設備如廠房結構、工藝節(jié)拍、工裝夾具布局、工藝物流、裝配設備等因素統(tǒng)一考慮，形成真實的總裝工藝流程，并通過軟件的分析功能對總裝生產線的生產能力進行平衡分析，并對產品的工藝分配、工位數(shù)量、人員分配、工裝自動化程度等內容進行不斷的優(yōu)化。最后將規(guī)劃結果存入數(shù)據(jù)庫中。同時可作為今后相近車型工藝規(guī)劃的參考資料，方便了日后的新車型的混線生產設計。
圖 11 自動線平衡
生產線仿真（如Plant Simulation）模塊主要進行生產線物流仿真、工時分配仿真和線平衡仿真，它可以對各種規(guī)模的工廠和生產線，包括大規(guī)模的跨國企業(yè)，建模、仿真和優(yōu)化生產系統(tǒng)，分析和優(yōu)化生產布局、資源利用率、產能和效率、物流和供需鏈，以便于承接不同大小的訂單與混和產品的生產。它使用面向對象的技術和可以自定義的目標庫來創(chuàng)建具有良好結構的層次化仿真模型，這種模型包括供應鏈、生產資源、控制策略、生產過程、商務過程。用戶通過擴展的分析工具、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和圖表來評估不同的解決方案并在生產計劃的早期階段做出迅速而可靠的決策。
圖 12 生產線仿真方法
利用工廠數(shù)字模型（工廠DMU）方法，建立整個廠區(qū)、各個車間、內部基礎設施及其工藝線三維數(shù)模的工廠DMU集成模型，用來解決各規(guī)劃專業(yè)在布局規(guī)劃方面的干涉問題及其空間優(yōu)化問題，提高了工廠規(guī)劃的質量。
各個規(guī)劃專業(yè)在自己布局分析的基礎上，建立三維數(shù)字模型。這些不同專業(yè)的三維數(shù)字模型集成形成總的工廠DMU模型。利用模型分析工具對工廠DMU模型進行分析，找出模型中干涉的部分，然后進行討論改進。整個流程可見圖13。圖14是一個集成了各個設計部門的布局方案后進行的布局干涉檢查界面，在實際的設計過程中，由于不同部門獨立進行布局設計，因此這些干涉不可避免。通過數(shù)字化工廠的檢查，可以減少日后在設備進場后的更改工作，提高了設計規(guī)劃方案的質量。
圖 14 不同專業(yè)的布局模型在檢驗中發(fā)生碰撞干涉
在數(shù)字化規(guī)劃平臺上，針對新車生產制造系統(tǒng)的規(guī)劃方案可以快速建立并且進行優(yōu)化。由于數(shù)字化規(guī)劃數(shù)據(jù)庫中已經有相關的方法庫、資源庫，因此新產品的規(guī)劃方法、配套制造資源可以直接從庫中調用獲取，進行必要的修改、調整后，就能形成新的規(guī)劃方案，進入招標、外包生產階段。
數(shù)字化工廠之所以能縮短生產周期，節(jié)約開發(fā)費用，進行“精益生產”，是因為它能夠根據(jù)市場需求，實現(xiàn)產品設計、制造工藝設計、產品仿真、虛擬試生產等多個環(huán)節(jié)的數(shù)字化，在無需投資制作樣品的情況下，也可以模擬未來產品，并預見生產這件產品時可能遇到的問題，這可以最大限度上節(jié)約研發(fā)的時間和費用。將各開發(fā)流程聯(lián)合起來，對產品全生命周期進行管理，才能縮短新產品的開發(fā)過程，提高新產品的質量，降低新產品的成本。數(shù)字化生產除了提供柔性化服務、縮短產品制造周期、節(jié)約生產成本之外，還能提供傳統(tǒng)工業(yè)生產所無法提供的高端品質。
這種靈活性也體現(xiàn)在工廠的設計之初。整個工廠的設計中不再是研發(fā)、流程、機械、電氣、自動化、行政各自為戰(zhàn)，而是連成了一個可以無縫集成的模塊化整體，各個模塊處在相同的數(shù)據(jù)傳輸平臺，不再有部門間的鴻溝?；谡麄€工廠的整體設計，各個模塊的實施不需要按照時間順序進行，而是可以同時建造，極大縮短了建廠周期。
工藝規(guī)劃應用標準包括兩部分——上海大眾工藝規(guī)劃流程標準和上海大眾規(guī)劃供應商的規(guī)劃和數(shù)據(jù)要求標準。上海大眾工藝規(guī)劃流程標準規(guī)范了規(guī)劃部門內部使用數(shù)字化工廠進行工藝規(guī)劃的標準流程和規(guī)范要求，一方面使規(guī)劃人員更容易、更迅速得完成從手工規(guī)劃到數(shù)字化規(guī)劃的過渡過程，另一方面使規(guī)劃數(shù)據(jù)有一個統(tǒng)一的標準和規(guī)范，便于進行管理和供應商詢價、發(fā)包等。上海大眾規(guī)劃供應商的規(guī)劃和數(shù)據(jù)要求標準的制訂，可以規(guī)范供應商的數(shù)字化工廠規(guī)劃數(shù)據(jù)格式及資源三維格式，便于進行數(shù)據(jù)驗收和整合。
本成果建立了上海大眾自身的模型庫、資源庫、方法庫和標準工藝知識庫。例如，針對車身的焊槍庫、機器人庫，針對布局規(guī)劃的設備三維模型庫等。通過數(shù)字化工廠平臺，將已有的典型工藝數(shù)據(jù)保存在工藝知識庫中，方便在后續(xù)的規(guī)劃項目中重復利用，可大大縮短整個工藝規(guī)劃周期，加快產品的上市過程；還可以避免工藝規(guī)劃經驗的個人壟斷，快速提高新規(guī)劃員的工藝規(guī)劃能力。
同時，在數(shù)字模型、數(shù)字化規(guī)劃方法等庫建立的基礎上，本成果也包括了利用數(shù)字化工廠工具來完成規(guī)劃的上海大眾數(shù)字化工廠工作流程標準。
數(shù)字化工廠軟件工具是通用的，數(shù)字化規(guī)劃的方法也是全新的，為了更好地指導規(guī)劃員完成規(guī)劃工作，協(xié)調好各個規(guī)劃部門的工作流程，組織好相關供應商加入到數(shù)字化規(guī)劃平臺中，都需要根據(jù)上海大眾自身的特點來構建數(shù)字化工廠工作流程標準。本成果構建了針對專業(yè)工藝生產系統(tǒng)設計、工廠運行仿真、工廠布局規(guī)劃（工廠DMU檢查）等相關規(guī)劃專業(yè)領域的一些程序文件，形成了自主的數(shù)字化規(guī)劃方法流程，有效地指導了數(shù)字化工廠方法的應用和實施。圖17是針對車身工藝規(guī)劃設計的一個數(shù)字化的工作流程。
ES表更新？ 導入ExternID，創(chuàng)建新產品結構樹 否 是 KATE中下載產品數(shù)據(jù) （數(shù)模/焊點文件） 在ExternID中進行 產品結構樹更新 KATE中 更新產品數(shù)據(jù) 創(chuàng)建eM-Planner 車身項目 ES表 eM-Planner中 產品信息更新 eM-Planner 產品數(shù)據(jù)關聯(lián) 是否有新增零件 焊裝順序(Fuegelfolge) 是 根據(jù)焊裝順序定義生產線結構并關聯(lián)零件 制定工位操作工藝 定義工位資源 Layout布局/仿真驗證 輸出V-Plan 否 數(shù)據(jù)準備階段 工藝規(guī)劃 階段 工藝方案優(yōu)化 否 是 管理員工作內容 項目組關鍵用戶工作內容 一般用戶工作內容
圖 17 車身數(shù)字化規(guī)劃流程
數(shù)字化工廠規(guī)劃的有效進行，必需要產品數(shù)據(jù)、生產資源數(shù)據(jù)、生產計劃數(shù)據(jù)等相關的輔助信息的支持。在構建數(shù)字化平臺的過程中，本成果也建立了和上海大眾已經有的其它相關系統(tǒng)的集成。例如，產品數(shù)據(jù)從KVS系統(tǒng)獲取，數(shù)字化規(guī)劃的一些結果也要和上海大眾已經有的工藝卡系統(tǒng)進行交互。本成果建立了KVS系統(tǒng)與數(shù)字化規(guī)劃軟件Tecnomatix系統(tǒng)的接口KATE，并根據(jù)上海大眾的實際情況開發(fā)了相應的軟件接口，將KVS、Robcad（機器人編程系統(tǒng)）、工藝卡系統(tǒng)等多個系統(tǒng)都有機的結合在一起，實現(xiàn)了各個系統(tǒng)之間的多種數(shù)據(jù)的交換，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與德國大眾的同步。
經過多年的實施，數(shù)字化工廠的工作逐步與上海大眾已有的KVS、工廠設計系統(tǒng)HLS、工藝卡等系統(tǒng)進行了集成，在整個工廠之間形成了完整的數(shù)據(jù)流，使產品的設計、規(guī)劃和制造過程結合更加緊密，使各部門之間可以更好的進行協(xié)同工作，提高工作效率。
同時，基于數(shù)字化工廠平臺，可以通過網絡實現(xiàn)與供應商之間的數(shù)據(jù)交流。這種數(shù)據(jù)交流方式的數(shù)據(jù)量較小，應用非常便利，可以使上海大眾更好地掌握供應商的規(guī)劃設計、項目實施情況。
汽車生產企業(yè)的規(guī)劃、建設、投產過程是一個完整的供應鏈，期間包括了工廠和工藝規(guī)劃、設備制造、設備裝配和調試、試生產、量產等典型環(huán)節(jié)，涉及眾多供應商。這些企業(yè)的數(shù)字化工廠能力的好壞，也直接影響到了整個企業(yè)的數(shù)字化工廠的實施效果。
為了提高整個供應鏈數(shù)字化規(guī)劃設計能力，實現(xiàn)利用數(shù)字化手段來對新車投產生產系統(tǒng)規(guī)劃建造過程的有效管理，上海大眾在提高自身數(shù)字化工廠應用范圍和水平的同時，也注重供應商的數(shù)字化工廠應用能力的培養(yǎng)和提升。在數(shù)字化工廠技術引入階段，幫助供應商建立自身的數(shù)字化工廠應用能力；而當進入數(shù)字化工廠技術全面推廣應用階段，又通過建立相關的標準、規(guī)范等來提出對供應商能力的要求，從而促進供應商不斷提高自身能力來因對上海大眾的各項技術要求，提高了整個供應鏈的數(shù)字化規(guī)劃能力。
供應商通過數(shù)字化工廠平臺定期反饋其規(guī)劃數(shù)據(jù)，上海大眾可以對其規(guī)劃進度及規(guī)劃狀態(tài)進行檢查和控制，及時發(fā)現(xiàn)供應商規(guī)劃中存在的問題，并要求供應商進行更改，這樣可以大大減少現(xiàn)場安裝調試的工作量和工作周期，提高供應商的規(guī)劃質量。
數(shù)字化工廠的推廣實施不是一蹴而就的。在上海大眾的實施過程中，數(shù)字化工廠方法的應用是從重點切入，開拓創(chuàng)新，然后逐步推廣，不斷發(fā)展。
數(shù)字化工廠的引入需要選擇最能體現(xiàn)效益的領域進行。根據(jù)汽車行業(yè)工藝規(guī)劃的特點，本成果選擇了白車身規(guī)劃過程中焊點管理、焊槍選擇等這一繁瑣的規(guī)劃過程作為切入口。工廠運行仿真是針對工廠規(guī)劃過程中的物流過程等進行計算分析的一種方法，能計算生產線生產節(jié)拍，計算物流負荷和緩沖區(qū)大小，也是一個能體現(xiàn)數(shù)字化工廠特點的切入點。
在一個車型項目部分采用數(shù)字化工廠方法取得效果后，數(shù)字化工廠方法逐漸推廣到后續(xù)車型項目，數(shù)字化規(guī)劃的內容也從車身規(guī)劃逐漸擴展到了總裝規(guī)劃、工廠規(guī)劃等多個規(guī)劃領域。目前，上海大眾已經計劃在后續(xù)所有的新車投產過程中采用數(shù)字化的方法。與此相對應的是，上海大眾規(guī)劃部門規(guī)劃員對數(shù)字化工廠方法的熟悉程度也越來越深入。
數(shù)字化工廠技術的實施涉及大量的先進技術，需要很多專業(yè)技術人員進行支持。上海大眾一方面培養(yǎng)自己的規(guī)劃人員熟悉數(shù)字化工廠技術，同時，借用軟件供應商的力量逐步培養(yǎng)起上海大眾的數(shù)字化工廠能力。
另外，通過參與德國大眾集團相關企業(yè)的數(shù)字化工廠技術的交流，使上海大眾的數(shù)字化工廠的技術選型和規(guī)劃流程都緊跟世界先進發(fā)展趨勢。
新車型的開發(fā)設計到生產制造涉及多個環(huán)節(jié)。產品開發(fā)完成后，需要由規(guī)劃部門進行生產系統(tǒng)的設計規(guī)劃，然后和供應商一起完成車間和工廠建造，設備的安裝、調試，最后實現(xiàn)產品的投產。利用數(shù)字化工廠方法，初期只是在新車制造系統(tǒng)的規(guī)劃階段使用。規(guī)劃員利用方便的計算機工具及其統(tǒng)一的規(guī)劃數(shù)據(jù)庫來提高規(guī)劃的速度和規(guī)劃的質量。使用數(shù)字化工廠系統(tǒng)提供的多種輔助工具可以快速輸出符合上海大眾要求的工藝文件和圖表，極大的降低了工藝規(guī)劃過程中文檔編制和輸出的工作量。上海大眾車身數(shù)字化規(guī)劃系統(tǒng)可以自動批量輸出V-Plan工藝文件和產品結構表，在產品版本更新時，還可以進行產品對比，分析出新老產品版本之間的變化，并自動完成產品數(shù)據(jù)的更新。
隨著數(shù)字化規(guī)劃方法的不斷深入實施，整個新生產系統(tǒng)的建造過程乃至以后的生產過程都能得到有效的管理。在廠房、車間的建造過程，利用數(shù)字化手段建造的模型可以指導現(xiàn)場施工，并且對材料的分類統(tǒng)計報表能有效地控制施工成本。設計規(guī)劃方案的準確性也能讓現(xiàn)場施工的不確定性得到最大程度的降低，也能使整個工期計劃得到很好的執(zhí)行。
使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理平臺對所有的工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)進行分類管理，大大方便了生產階段用戶查找和瀏覽工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)，使參數(shù)查詢和數(shù)據(jù)檢索在數(shù)秒鐘內即可完成。通過對制造資源數(shù)據(jù)和操作工藝的積累，形成上海大眾自己的資源庫和工藝庫，可以在以后的工藝規(guī)劃中重復利用，提高了資源和數(shù)據(jù)的利用率。
隨著數(shù)字化工廠平臺的日趨成熟和擴大，上海大眾的新車投產逐漸已經發(fā)展到了全數(shù)字化的模式。供應商的方案提交、信息交流、項目管理等相關工作都在數(shù)字化平臺上開展，精益管理的效益日趨明顯。
早在2000年，上海大眾就開始意識在數(shù)字化技術在將來的生產制造領域的重要性，3年間先后成功的引進了發(fā)動機規(guī)劃生產線仿真軟件Simple＋＋、車身機器人仿真軟件Robcad和發(fā)動機生產數(shù)控設備仿真軟件eM-Power Machining。經過幾年的研究和調查，于2003年8月正式開始啟動數(shù)字化工廠建設項目，實施白車身工藝規(guī)劃設計系統(tǒng)eM-Planner(即Tecnomatix的Process Designer)，這做到了與德國大眾的同步，在國內也是非常領先的。
通過本成果的成功應用，大大提高了上海大眾的工藝規(guī)劃水平，縮短汽車投產前的規(guī)劃時間，提高各部門規(guī)劃方案的協(xié)同，降低設備進廠安裝調試后的返工和協(xié)調工作。數(shù)字化工廠能模擬整個生產過程，因此方案可以細化到具體實施的相應環(huán)節(jié)，減少了供應商報價的不確定性，提高的工期計劃的準確性，能實現(xiàn)從規(guī)劃設計到設備進廠調試、試生產和量產的整個過程的精益化管理。
本成果自2006年起在朗逸、昊銳、途觀、新帕薩特等車型項目中得到了應用，已經取得累計經濟效益為6789萬人民幣。2009年在德國大眾集團數(shù)字化工廠成果交流年會上，上海大眾在新帕薩特車型項目上數(shù)字化工廠應用成果被評選為集團內部的應用領先獎第二名。此外，新帕薩特車型項目數(shù)字化應用成果在2010年被評為上海大眾專業(yè)技術與管理成果特等獎。
本成果對國內制造企業(yè)，特別是汽車制造企業(yè)的規(guī)劃、建立起工藝規(guī)劃協(xié)同平臺起到示范和指導作用。具體而言，通過本成果的實施取得的效果有以下幾個方面。
新車型的投產過程是一個多部門、多廠家協(xié)同工作的過程，這個過程中一方面需要和企業(yè)內部的設計部門、制造部門相聯(lián)系，按照產品設計數(shù)據(jù)完成制造過程和制造系統(tǒng)（工廠）的設計；另一方面，新生產系統(tǒng)的規(guī)劃部門需要和設備的供應商進行緊密聯(lián)系，保證工廠設備的安裝和改造過程順利進行，早日投入生產。
全球化的生產帶來了產品設計、工廠規(guī)劃和產品制造各個環(huán)節(jié)分布在全球、全國各地，生產系統(tǒng)的建造過程的協(xié)同也涉及了跨國和跨地域的合作。基于數(shù)字化規(guī)劃平臺，采用數(shù)字化工廠方法來協(xié)同各方面的管理人員和技術人員，能提高相互交流的便捷程度和信息量，減少交互過程中的模糊與不確定因素，減少對于異地出差的需求。
通過數(shù)字化工廠方法的采用，車身工藝規(guī)劃部門在朗逸車型的規(guī)劃過程中供應商工藝規(guī)劃設計時間由原來的60個工作日減少為40工作日，減少了前期工藝規(guī)劃階段的國外規(guī)劃援助人數(shù)一人。在朗逸車型沖壓線的規(guī)劃過程中，由于采用了數(shù)字化工廠方法，生產線調試占用時間從原來120個班次減少為40個班次。
在新帕薩特車型的生產系統(tǒng)建造過程中，總裝工藝和設備設計規(guī)劃時間可縮短20%，也減少了國外規(guī)劃人員在國內的服務時間，供應商的項目管理費用縮減為總費用的1/10左右。工廠廠房規(guī)劃部門通過三維模型的應用，可減少多部門的南京異地工作費用，也降低了項目管理費用，節(jié)約費用為總費用的10％。
由此可見，通過數(shù)字化工廠方法的使用，方便了規(guī)劃項目交流，減少了實施過程的管理成本和時間，節(jié)約了費用。
數(shù)字化工廠方法的一個優(yōu)點就是能夠在實際工廠（車間）正式安裝、生產前，對生產的各個環(huán)節(jié)進行模擬分析，從而提高了新生產系統(tǒng)規(guī)劃設計方案的準確性，減少了安裝過程因為方案錯誤而導致的返工、誤工等的問題。同時，數(shù)字化驗證后的方案更加精確明細，能夠提高供應商報價的準確性，降低了部分不可見成本。
在朗逸車型投產項目中，通過數(shù)字化方法的采用，對工位進行動態(tài)仿真，工時分析，人機工程分析等，使設計方案質量更高，改造后期出現(xiàn)的修改大大減少，設備投資預計可下降5%左右。
在新帕薩特車型的投產規(guī)劃中，由于全面采用的數(shù)字化規(guī)劃設計方法，因此這方面的效果更加明顯，主要有：
l 通過對油漆設備模型的計算機分析，優(yōu)化了方案，提高了供應商報價的準確性，節(jié)約方案修改和不確定性帶來的費用；
l 通過三維模型的建立，及時發(fā)現(xiàn)南京四廠圖紙軸網的錯誤，減少了后續(xù)設計方案錯誤的發(fā)生，縮短了可能導致的方案更改和誤工等費用；
l 通過對輸送吊具的建模分析，優(yōu)化了方案，避免制作實際樣機的費用，節(jié)約了時間和費用；
l 通過輸送線的通過性仿真，發(fā)現(xiàn)了車身車間上層輸送線和管道的距離過近，導致車體輸送過程中和管道的干涉情況。在安裝前發(fā)現(xiàn)問題并及時調整方案，節(jié)約了現(xiàn)場調整費用；
l 通過生產線仿真對新帕薩特車型生產線的緩存區(qū)進行了計算和優(yōu)化，避免了不必要的設計浪費。
數(shù)字化規(guī)劃平臺的建立過程，也是一個規(guī)劃知識積累的過程。所建立的模型庫、方法庫等都能被下次規(guī)劃所參考和借用。上海大眾具有自己的設備、工具和方法規(guī)范，這些規(guī)范都可以用數(shù)字化的方法存放到數(shù)字化軟件平臺中，這樣工藝人員在新車型的制造規(guī)劃過程中能直接調用標準的設備和工具，減少重復設計或選型所帶來的成本，而且還可以對方案進行優(yōu)化。在新帕薩特的車型制造規(guī)劃項目中，車身規(guī)劃人員通過焊槍可達性驗證及焊槍優(yōu)選，有效的對已有焊槍進行了重復利用，并根據(jù)仿真結果大大減少了設計焊槍的數(shù)量，節(jié)約了大量的焊槍設計費和備槍費用。
數(shù)字化工廠平臺的知識也能方便新的制造規(guī)劃人員快速上手，完成新車型的制造規(guī)劃任務。在EA888發(fā)動機生產線規(guī)劃階段，需要在工藝方案中確定模擬缸蓋及數(shù)據(jù)采集芯片兩種設備的數(shù)量，但由于以往缺少此方面的規(guī)劃經驗，無法進行有效的評估，而發(fā)動機生產線性能仿真系統(tǒng)則給規(guī)劃員提供了一個解決此問題的工具和手段。通過對生產線進行建模和仿真分析，規(guī)劃員很精確的掌握上述兩種設備在實際生產中的用量，既能夠滿足生產需求，又不會造成設備閑置和浪費，有效得提高了設備有效利用率，降低了生產線成本，創(chuàng)造了實實在在的經濟效益。
采用數(shù)字化工廠方法的一個重要結果就是縮短了產品從設計到上市的時間，為企業(yè)產品搶占市場提供的有力的保證。實施數(shù)字化工廠的車型，如朗逸車型和新帕薩特車型，其試生產到批量生產階段的生產周期由原來計劃的6個月減少到5個半月；車身、總裝方面整合產品、工藝、工裝設備的數(shù)據(jù)信息，預規(guī)劃工作效率更高，方案評價更準確直觀，投資估算更準確，方案規(guī)劃周期比以往類似項目節(jié)省時間約2個月；通過工廠DMU的實施使各部門的方案規(guī)劃一致性更高，可以提前1個月完成工廠輸送規(guī)劃方案設計并減少設計方案的現(xiàn)場更改，帶來安裝時間的節(jié)約。這些都使投產（SOP）時間能有所提前，所帶來的效益不可估量。
數(shù)字化工廠所建立的三維模型也能直接為企業(yè)的社會宣傳提供服務，通過數(shù)字化規(guī)劃展示模型的建立和宣傳，提高了企業(yè)高科技的形象和影響力，為品牌的宣傳提供更加有力的支持。如新帕薩特車型項目所建立的數(shù)字化模型在工廠宣傳中直接為宣傳制作提供工廠三維模擬動畫，減少了宣傳片制作合同的費用。
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