数字化制造：虚拟船厂

作者：Dassautl Systemes

欢迎访问e展厅 展厅 7 船舶/港口设备/海洋工程展厅 游艇, 橡皮艇, 港口起重机, ... 船舶制造业中的Dassautl Systemes PLM V5解决方案 为数字化造船设立方案和策略 前 言 作为为全球造船业提供先进信息技术的先导企业，DS 系统通过与多家船厂，设计公司以及咨询公司的协作，从基本理念到端对端的方法来理解造船行业，并研发出新的解决方案。 需要指出的是，这种被称作为“建立数字化造船的方针策略”，是在一系列拥有新指导思想的文章中所提出的，而这一系列文章是由DS 公司所有。每篇文章都证实了针对当代船厂所面临的不同方面的挑战和问题，DS 公司所提出的产品生命周期管理能有效的解决它们。 本篇“数字化制造：虚拟船厂”主要针对生产计划，包括工艺仿真，资源规划以及数字化制造的新技术。 1. 介绍 先进的船舶制造企业，对于制造当代船舶都面临着新的挑战，不仅仅是因为更加复杂的船舶系统和他们之间的联系更加紧密，并且考虑到经济指标，而决定一种外包趋势的形成。因此，企业之间互相联合，各自负责一条船的几个不同部分，最终整船组装。这样，因为需求或设计变更的误沟通所产生的风险明显增高。 这种“随地制造”的理念的提出，向如何充分利用船厂本身资源，并如何优化选择外包部分提出了挑战。为了在将来过程中比较容易的进行修改和更新，大多数船舶系统必须在外包期间内完成，这样，对内部生产需要和外包商供应之间的紧密协调的精确性要求，就远远大于以前，尤其是当几条船在同时制造的时候，对组装场地和场地上的关键设备的安排尤其重要。 这种解决方案和制造中枢（Manufacturing HUB）的应用将在本文的后部分详细描述。它相当于一个对广域的概念设计，施工设计以及制造之间进行效益整合的公共数据库。这种数字化制造环境可以使制造队伍直接影响到设计，以减少本身的制造成本，并消除由于没有预先意识到可制造性而引起的技术变更。在数据库中所存储的信息也可以给制定维修计划和三维维修指导手册提供丰富的资源。由于数字化的制造环境可以使可制造性问题在设计环节中提前被发现，并在概念设计阶段，高水平的工艺规划工程师可以保证产品可以在船厂或分包厂商那里有效的进行制造，因此由于技术变更所引起的成本可以降到最低。 在详细设计阶段，详细计划和工艺设计会在三维环境中完成并通过验证，这种可制造性研究可以用来生成三维的车间作业指导书，并使从概念设计到生产实施的步调一致。数字化制造包含生产系统的生成，生产工艺的规划和通过仿真来对施工顺序进行验证来证明生产设计的正确性。主要功能包含：工艺规划，工艺验证，时间分析，场地布置，人机工程，机器人技术，数控仿真，船厂物流仿真，生产管理以及电子版三维作业指导书。 这种制造的网络体系提供了一个公共的，共享的制造数据库，是开始于计算机辅助设计阶段之前，并作为存储用来辅助生产的详细工艺规划和制造材料表的仓库。它成了每条船的权威的规划后数据，并且定义了供应商的供货信息，为一些在完整设计模型中没有体现出来的船舶中间产品提供实际制造状态。 在设计库里面，产品数据的参考信息也会随着产品设计的研发而不断更新。这种维护变更控制和对设计库中产品数据(与制造库中的参考数据同步)进行管理配置的能力是非常关键的。在船舶制造过程中的进行如：拼板，设备安装，分段组装，舾装和涂装等会在下面进行描述。 设计和生产经理们可以快速发现，通过使用一个完整的，权威的制造、购买和支持性数据库，而使数字化设计和数字化制造实现无缝整合所带来的利润。这种公共的，共享的数据库确保了所有参与设计和制造的工人们所使用的数据是实时的。 a) PPR HUB 产品(product)- 工艺(Process)-资源(Resource)或PPRHUB， 包含了上述的设计库和制造库，它是一种适应数字化制造的独特的，为生产所需要的系统设计-从概念设计到生产过程中的产品，工艺以及资源信息提供存储和管理的数据策略。 PPR模型是DS 系统产品生命周期管理(PLM)解决方案的核心，以保证CATIA，ENOVIA和DELMIA 之间的整体性。CATIA 提供了产品设计方案，DELMIA 提供了工艺和资源规划方案；而ENOVIA 则具有在DS PLM 实施过程中对数据和流程进行管理的能力。 PPR 是一种基于世界范围数据标准的多方位应用数据库: · 整理历史数据，使它可以在整个公司范围进行使用 · 以逻辑关联的方式保存数据，因此所有基本数据只需要一次性输入 · 提供在任何一个计划阶段都可以生成状态报告的能力 · 通过提高数据的透明度和连贯性，来提高计划的准确性 · 给所有使用者提供同样的实时的数据 · 及时的为所有使用者反应数据的变更 本篇文章主要注重于是PPR 中的制造库。 b) 驱动生产 世界范围内的船厂都在采取大范围的设备资源升级，其目的只有一个，就是达到流水线型生产。水域的延伸，码头组装设备的增加，起重能力的增加，材料控制能力的提高，组装线的现代化，拼板线的焊接自动化，管加工线的整体化等等都只是这些升级中的一小部分。为什么船厂会做这些变动？其中一种答案就是，造船行业的经济性在急剧变化中，只有那些适应于此并使用精益生产工艺方案的船厂可以接受更多的订单并增加利润空间。 不容置疑，现在多数船舶的设计都比以前更加复杂更加整体化。船厂也趋向于增加外包的独立性，同时向其它船厂和联盟伙伴进行类似的合作。也就是说，船厂在努力地扩大制造范围。并重点强调CAIV(独立可变的成本)和供给能力包括预组装，预舾装和JIT(及时性)等方面因素。 但是这种外包的增加，供货系统也就随之扩大，以确保相关系统的接口环节，系统结构等随时处于准备接货状态，就要增加额外的费用，而多数将要接货的系统往往都是处于忙碌状态。很多外包部分都是以组装单元的形式出现，这种形式是在设计图纸或模型中所没有涉及的。当多条船同时制造时，这种由于重复工作引起的高费用，再考虑到设备，组装场地和物流系统的占用，工艺规划和数字化制造技术就显得额外具有吸引力。 在船厂外部，船东/工人都想要一种聪明的，节约成本的方式去制造。在DS PLM 之前，当前的产品和工艺设计是不可能的，而生产系统的发展也是按部就班。而今天，有了DS 的PLM 解决方案来维护产品，工艺和资源数据模型之间的关系，设计和生产可以同时被整合，优化并逐步的带进生产流水线和船厂工人面前。 在造船业新的经济指标驱动下，理想化的数字制造方案则为设计和制造的实施架起了一座桥梁，并使基于仿真的设计成为需求。数字化制造是发生在一种虚拟的，协作的环境中。这种工艺的前景在于： · 提高设计的标准化程度 · 在满足功能要求下进行细化 · 从计划中获取生产数据 · 验证方案的可实施性和有效性 · 支持JIT（及时性）的交货系统 · 通过使用公共的，共享的产品，工艺，资源数据库来提交请求。 c) 数字化制造 什么是数字化制造？实际上，它是一种用来定义完成一个产品的制造所必须步骤(结构组装，主机安装，分段合龙，管加工等)的一种计算机技术，并试验这些步骤的完整性，生成设备的制造和应用手册。总体来讲分为如下几个阶段：工艺规划；工艺细化和验证；资源建模和仿真以及制造数据和操作手册的提取。 那么数字化制造的目标是什么？他又要达到什么目的呢？当然，目标是多方面的，其中三个最关键的是：缩短产品制造周期；大量的减少重复作业和提高技术工人的利用率和效率。 数字化技术集中于减少生产计划的变动，避免不可制造性和人机操作的不安全因素的存在，把设计变更减少到最低，并为那些突发因素降低反应时间。从此船舶制造将成为一种在供应商之间协同努力的结果，并常常在和其它船厂的合作下才能完成。还有一些其它的目标包括：在船体制造过程中最大限度地进行预舾装，对生产设计进行预先评估，增加生产投资的回报和减少工步骤。 d) 制造HUB 所取得的收益 船厂正在逐步清晰的了解采用制造HUB 所能达到的效益，与很多当今船厂的传统系统所不同的是，PPR HUB 为设计库中的产品数据和制造库中的工艺和资源数据提供了一个统一的数字化桥梁。制造HUB 为产品，工艺和资源数据以及在生产，维护和维修所包含的相关联系提供了一个公共的共享数据库。并通过使用制造库中的数据，为工艺验证模拟和离散事件模拟，物流模拟提供支持。它是为生产提供支持的ERP/MES 系统的逻辑和数据交流接口。 当今的制造是一种多用户和多方位的活动，PPR 可以提供一个协作的环境，并提供安全控制，只有授权的用户才能进入。由于数据可以根据用户需求进行客户化定义，PPR 通过对工艺和资源的管理配置，有效性，版本控制等提供一些额外的帮助。 正如前面所提，PPR HUB 是与生产配置和管理的产品数据管理系统（PDM）相逻辑统一的。它也同时创造了工艺和资源库，可以使优化的工艺以及已有的车间布置和设备规格信息很方便的重复使用。 使用PPR HUB 最大的好处就是它具有提供团队工作空间的能力。PPR HUB 来管理大的复杂的工艺规划，同时保存详细生产规划信息以便于下一条船的使用，甚至是几年以后的船舶。大部分的生产计划员都意识到了他们都在进行多次的“重复性研究”。因为没有一种方法可以保存好的工艺并使它们从一个项目用到另外一个项目中去。数字化制造则为此提供了解决方案。 DS PLM 数字化制造是通过一系列的步骤来实现的，始于CATIA 生成的数字化模型，用ENOVIA 生成的产品结构都将应用于生产。在这点上，他们也与发生工艺规划，细化和验证，资源建模和仿真的地方-制造库中与制造材料单（MBOM）相关联，最终结果就是生成设备的制造数据和工人的操作手册。 2. 工艺规划（Process Planning） a) 概要 在数字化制造中的第一部就是工艺规划，由早期的结构工程师，系统工程师设计的产品模型将被转移到生产设中，进行大分段的详细组装设计例如：必须是“拆解的”或分解到制造单元和需要制造的步骤，工艺图显示了这种顺序。DS PLM 工作台为这种需求提供了三维的数字化环境，不再有实物模型或原型出现。而且在工艺图中的可变任务，都加上了前提和约束条件，相对来说，时间，成本和劳动力或者主要设备的使用就会是关键的约束。 例如：在钢结构分段的组装过程中，特定的平板预组装必须要在特定的时间完成，而这个时间往往是焊接机器人的空闲时间。一旦工艺图确定后，初步的制造评估也就完成了。简单意义上的设备布置和车间布置是被假设的，但可以进行初步的评估和关键因素的定义，由此可以开展详细的场地布置和实际的设备布置。 在后续阶段，由于组装顺序和不同加工设备的需要，工艺工程师将继续完善初始产品模型（本例为结构分段组装）并增加一些制造参数，如开孔，坡口等。 工艺规划是交互性的， 最终的结果是：生成一种将所有瓶颈和冗余的工艺步骤全部消除，使场地和设备达到最优的使用水平的高精确的制造理念。 这里所描述的三维数字化工艺完全取代了依赖于物理模型和原型设计的工艺。它可以记录和重复使用优化的工艺并强制加入限制条件如：在特写的范围内吊车的起重能力等。对于船厂来说，最终结果就是大大的节省了时间和成本，同时提高了产品质量。 b) 工艺设计 在数字化制造中，通过使用工艺设计（Process Engineer）解决方案，工艺工程师与船舶设计组可以实现电子协作，生产使用的组装设计可以从设计库和制造库中直接提取出来。 在CATIA 平台中预先设计好的结构分段，可以直接参与导入到工艺设计中。初步的工7/21作集中在设计目标-如何有效地进行组装。ENOVIA 确保了当你需要的时候，所有相关的支持性文件和产品模型都可以直接连接。 大的组装产品都要分解成相对较小的组成部分，实际上，虚拟组装就是“拆分”或解剖。其目的就是基于部件和顺序的继承性，创建一种制造策略-哪个部分是下一步首先需要的。 既然分段制造在船厂中是一种非常普通的，并且是资源消耗性的活动，我们将展开一个以用来阐述数字化制造的工艺和利益。使用这个例子，生产队伍可以进入一个预先设计好的分段并创建高水平的工艺图或流程图来显示完成制造的总体步骤。 此时，主要的精力要放在步骤的顺序性，并标明哪些元件是过程中的中间产品。只需将小部分的精力来考虑产品是怎么做出来的，而且只要考虑用什么顺序，去制作什么-部件和顺序。 制造方案是继承的结果，所以有可能与设计阶段时的产品结构有所不同。那时，精力会集中在部件定义，标准化，设计准则和满足客户要求等方面。但在这两种结构之间的不同是可以被接受的，并且在设计库和制造库所保留的连接可以使这两种结构共同存在，而且在数据维护同步进行时，不会出现复制的数据。在工艺设计过程中，不会产生多余的制造部件或参数。 c) 工艺图表 工艺图表是一个可以直观显示复杂制造顺序的便利方法。有点类似于产品结构树，但他们取代了画出产品和部件的图形关系，而是定义部件与部件在完成组装状态下的关系。这种图表可以作为制造过程的指导模型，但并没有精确考虑到实际设备的需求和船厂设施的使用。工艺图表以树形或组合形式指示了部件和任务关系，以此来支持上下级计划的制定。下一步就是通过使用制造约束条件来使图表更加精确。 d) 制造过程中的约束条件 船舶制造几乎都是被成本，生产速度，预计目标，生产计划，生产场地和设备使用如：焊接设备，涂装，吊装或喷砂等条件所约束。要反应这些事实，DELMIA 工艺设计（DPE）提供了一种特殊的平台来定义“前提”。目的在于尽可能近似的模拟生产的实际性。“前提”8/21是一组数值，如总体考虑种类限制或建立预计目标如：资源使用情况。它们是在后续的计划和仿真时的重要角色。约束条件包括车间的可用面积，最大成本，作业班次和劳动力，节点时间等等。前提数据是在制造库中进行维护的。要评估一种制造理念的循环时间，就必须为每个任务进行时间评估。 e) 时间分析 在船舶制造中，重要资源的使用时间是可证实的，大多数船厂都对他们的工作流程做非常仔细的监控和记录。当对新项目和对如技工的使用进行评估时，这些数据是非常有价值的。 组装分解，任务顺序的图表化和约束条件等是在工艺规划的最初阶段就已经被定义了。在指定的船厂中使用国际认可的时间标准如MTM，或自定义时间标准，时间分析模块会把时间定义成为一种工作步骤和完成任务所需要的资源。对于预计时间和实际消耗时间，使用不同的方法来衡量并出具报告也是可以的。这样，把在工艺图表中定义的操作步骤和顺序与相应的时间分析结合在一起，就可以得出制造出一个产品所需要的精确间以及中间产品的制造时间。典型的时间单位为：人工时，人天，船厂作业时间，设备使用周期等。当时间被定义完成并且连接到工艺图表中去，一个总体的制造方案就产生了。 f) 制造方案 工艺图表可以如中枢一样在规划过程中被重复使用到下一个步骤：制造方案。制造方案的制定目标是为工艺过程添加资源，来产生一个图解的制造系统，包括产品，工艺和资源。 制造方案是一种通过给施工活动添加资源而得到的示意性布置图。它包含那些没有被赋值的活动如：移动或检验等所有完成生产所需要的过程和资源。还有，对于机器，工作空间，工具，运输设备，存储区和试验位置等也可以被详细定义。这种物体之间的关联是从工艺图表中继承过来的，当然也可以增加新的关联。制造方案也包括人力资源规划。产品，工艺，资源已经都被整合成为一个具有逻辑顺序的时间事件，在这里，物料流动，成本计算以及设备使用率都已经被考虑进去。这种制造方案是基于所有的并行的布置定义和仿真验证基础上的核心定义。具有代表性的，多重的制造方案可以用来进行制造的可选择性评估。 g) 布局定义 制造方案提供的是一种示意性的布局，而制造一个分段，则需要对必须步骤做一种逻辑性图表。但船厂多被限制在考虑实际现象如：场地的使用，实际的设备位置（机器人，焊机，火焰切割机，弯管机，冲砂和涂装车间等）和运输系统包括吊机和铲车等。而布局规划平台就是用来把二维分段图表转化成三维布置来反应实际的船厂资源。 布置规划平台，可以通过增加平面场地，设备基座和材料存储区域等方式来改变布局定义，结果就是输出资源清单，二维和三维的工作区域视图，图纸和设施布置。这些输出数据对于考虑制造的可变性，对是否要购买新设备的ROI（投资回报率）来说是非常关键的。 布局规划平台为制造设备提供了存储空间，并为“虚拟设备”的定义提供支持。布局规划在创建完整的，数字化的产品，工艺和资源定义方面细化并丰富了制造方案。同时也可以进行制造分析和仿真校核；于此，数字化制造通过优化项目时间和成本控制为项目提供最大的盈利。 h) 离散事件仿真 虚拟制造环境的一个主要好处是，具备分析生产环节和通过改变设备布置而得到的盈利，或说整合生产队伍。在这种技术之前，大多数船厂只能达到优化小的或局部的生产工艺。“QUEST（离散事件仿真技术）”平台是用来支持离散事件的仿真，并且它是一种可以为工艺流程中的所有事件的组合概率提供离散分析研究的组合分析和可视化工作平台。 这样就可以通过一种高端的仿真语言，用户自定义的工艺设备，和人员以及材料的流动，报告意识到的瓶颈和资产使用率，来给车间提供一个实际的预告。制造的顺序可以被连接在一起，以证实它们确实在工作并指示设备状态，启动或关闭。QUEST 可以接受二维的设施描述，并生成更加精确的三维描述。这样，模型设计可以开始于非常简单的概念阶段，并逐步进展到工艺设计过程，这样就避免了在两种不同软件中建立不同的模型。 QUEST 也提供了一个完善的CAD 能力，可以直接创建和修改图形，或者从大范围的CAD 资源中导入图形。二维和三维图形都可以在不同的模型中进行保存和使用。性能参数统计也可以直接显示出来，或以文件形式输送到其它软件中进行使用。 i) 工艺规划总结 数字化制造是一系列的工艺规划步骤，对产品进行分解并发现制造产品所必须的过程。工艺图表则总结了这一系列，反应出需要的优先权并根据所加入的限制因素报告所需要的时间。初始的示意图是为了显示“理想的”资源布置，包括设备和施工场地等，再把实际的设施布置和设备位置加进来，就形成了制造工艺的定义。时间分析和限制条件（日期，设备可用性等）的加入，就形成了一个高结构化的数据库，为离散事件的仿真和任务可达性仿真提供充足的数据。完整的数字化制造仿真，可以识别瓶颈并使工艺规划员能够使用经验性的假定来保证通过改变布局，改变设备，改变车间布置或均衡生产的重复设计和修改而实现时间和成本上的改进。这种规划已经达到了很高水平的工艺优化；下一步就是加入制造细节和验证相应的任务可否按预计的情况进行实施。 3. 工艺细化和验证 系统设计师们经常会遇到这种情形，经过深思熟虑设计出来的元件不能被很容易的生产，操作或者在船上维修。然而，CATIA 数字模型工具提供了零部件建模，组装和机械运动方案，DELMIADPM(数字化产品制造)可以组织产品内部关系。DPM 使用工艺细化和验证工具来预先检测这些问题，可以使设计师重新在把方案交给生产之前重新考虑。 a) 生产细化，部件运动，冲突和间隙 大部分的船舶制造都包含了主要设备的移动，定位，固定和完成（焊接，冲砂，涂装）。当计划大件起重时，绞车或吊机要满足精确定位和误差要求。 在设计阶段，为消除船舶分段组装时的干涉，会花费很大的精力。象CATIA 这样的设计系统可以使用知识规则来解决大部分类似的问题。设备的操作，维护和维修等都是要考虑的基本因素。然而，在制造阶段，把零部件移动到它们应在的位置往往是问题所在，而且对施工顺序有很高的依赖性。预组装件越大，定位选择就会越少，移动方法，干涉检查和间隙就变得尤其重要。DPM 平台为这种动态（零部件，顺序，时间和移动）进行分析，以保证所有部件和预组装件的最终定位的可能性。模拟的回放，给制造和生产工程师提供了个学习的介质，来最终优化工艺的每一环节。DPM是一个分析循环时间，并开发生动的作品来达到培训和准备操作手册的目的的有效方法。 b) 资源建模和仿真 当总体工艺优化完成，无价值任务被消除，资源包括人力，场地和设备的循环时间被最大限度的减少时，数字化制造的最大盈利就产生了，人为因素和人机分析也可以创造更安全的工作空间。 c) 人体仿真 在很多的生产条件下，工作单元的布置和人机应用都担负着十分重要的角色，而人的仿真在设计，生产，安装，操作和维护等任一阶段都是可以进行的。在前期设计阶段，视线范围在驾驶以及航海布置上起到很重要的作用，而且，人机对于操作设备和移动设备来说非常重要。在制造阶段，工作单元的布置，预组装场地的入口布置等等对于十分紧张的空间里如风机室来说，是十分重要的。为完成任务，人的能力也会影响到空间设计。 人体模型是在PPR 数据模型中所考虑到的资源。人体的物理动作已经被定义并且动作极限也已经设定完成，而这些数据可以根据特殊的要求来进行修改。人是作为一种资源被赋在作业过程中。工作台工具是辅助建立动作储存库和资源分配过程的，包括运动跟踪，所有的完成一个任务所需要的人体动作等。定时的动作和操作顺序，为计划和劳动力成本分析提供完美的数据。 具有人体仿真能力的船厂，可以分析人体所能触及的纵向和横向位置以及视线范围。在极度困难的操作环境如潜艇或十分拥挤的空间，这种分析的价值是无可估计的。在车间，工作站的设计，工具和零件的可接近性，脚手架和安全护栏的布置，工装和机器人的入口以及设备的控制也是可以仿真模拟的。 d) 机器人仿真 当今的船厂都把自动化作为重点项目，船舶制造的经济性要求更好的标准化，现代化的设计和统一的项目间重复使用的工艺。有些船厂在拼板线，火焰切割线和管加工线上已经达到了很高的自动化程度。数字化制造从两个方面体现了这种需求：一是特定设备的仿真如吊机，机器人或数控机床；二是整体吞量的仿真包括多种操作同时进行的地方如套料和火焰切割。 e) 制造数据和施工指导 在制造开始之前，很多文档都要准备齐全，工作目录，制造材料表，三维电子作业指导书等都必须完备并且很好的进行管理。另外，产品数据模型进一步优化也是必须的。 有如坡口，对接间隙，临时吊耳等制造参数都要加入到零部件和组件中以便于焊接，吊装，固定，工装等流程的顺利进行。在DS PLM 中完整的设计和制造库起着十分关键的作用。 f) 制造HUB 和工程HUB 的集成 在数字化制造中的每一步骤都依赖于在DS PLM 中的设计库和制造库之间的紧密关联。这里，我们来看一下这种数据库结构对工艺规划，详细设计和验证，以及生产文件的提取是如何进行支持的。 制造库是一个公共的制造知识数据库，并由高级的工艺规划师，制造工程师，工业工程师，机器人程序员，数控程序员，CMM(坐标测量仪)程序员，设施布置，人机工程专家，完全工程师和生产控制等来提供共享的。 制造库是存储工艺数据，维护每个制造环节和用于该环节的产品数据的相对关系，同时也是保存该环节所使用资源的主数据库。同时，它也可以存储好的工艺，设计和制造要求以及在生产或检验过程中的消耗性规格参数，而这些工艺数据可以被重复使用以确保制造的质量和连续性。 设计库是指设计好的产品，通常是指每个零部件的EBOM（设计材料单）和CAD 模型。由此，它主要存储所有产品数据，图形，物件之间的关联和部件-产品结构等信息。它也可以根据所有属性和有效性来判断当前哪些是对生产来说是关键的。产品所有权是CATIA 解决方案中所设定的基本功能。 这种制造库和设计库之间的关联是通过ENOVIA LCA 客户端来实现的，客户服务来控制和维护数据的交换和安全，并且也维护在数据库中部件之间的必要关系，同时也提供多种视图以支持上述功能的操作。典型的设计库包括：产品结构，部件列表，配置/规格参数，有效性和几何图形并提供CATIA 的数据连接路径。 ENOVIA 使VPM V5 中的产品数据和制造库中的产品数据实现同步；保持部件，组件，模型，文档，配置，船号，有效性，注释，公差信息，完整性，图形等的关联；还有数学方面的数据如一个形体的精确尺寸；并可在数字化制造环境中，为船舶某个部分的制造性提供13/21结构论证。 典型的顺序是开至于工艺设计。用户在ENOVIA LCA 所维护的设计库中提取数据时，而由设计库所维护的项目结构（ENOVIA 的项目辅助功能）就会展现在用户面前。ENOVIA对用户对产品结构的重新定义和选择的反应就是，为DELMIA 工艺规划师创建必要的连接。由此，用户可以获得部件的产品数据，组件的结构，配置，有效性，完整性，产品属性和CATIA模型以及几何图形。在有效性方面，ENOVIA 所保存的属性直接关联到制造库中相应的属性。 工艺设计基于在项目数据库中实体的更新状态提供搜索功能，并提供一种方法使用户知道部件是新的建的还是被更新过的，并为更新过的部件提供不同的图标。在详细规划阶段，工艺设计可以提供模型的数学数据如尺寸等，以便于尺寸可能不合格时进行测量。 g) 库的结构体系，数据和资源分配DS PLM 在造船业中的显示方式在之前已经从二个层次进行描述过-在数字化制造中所包含的工艺规划和维护所有产品，工艺和资源的制造库和设计库的关系。这里，我们将看到这种结构体系并把二者合而为一。 h) 核心部件 在制造库中所包含的基本数据如下： 过程操作（预制，制造，舾装，调试等）和过程属性。在每个部件或组件中使用过程操作是与产品数据（部件图形，属性，设计材料单和制造材料单，物流料单等等）相关联的；而且过程操作也是与所使用的资源信息（支架，焊机，劳动力，叉车，用户属性等）相关联的。产品，工艺，资源的逻辑数据模型是可继承的。产品包括船舶，大分段，小组件，成组设备，平板或单张钢板。过程包括预制，制造，舾装和调试。资源是指设备，材料运输系统，吊机，人力资源和船厂的水域。 工作平台如：Process Engineer， QUEST， DPM 或DELMIA 人机工程允许制造库来管理如下一些信息： · 可重复使用的知识：与资源相（人力，所需求的设备等）关联的详细工艺过程（如焊接过程要与焊工和焊机相关联）可以被存档而且重复使用。 · 在数据库中的PPR 物件，都是关联着相应的限制因素/规则。例如：这种级别的焊接需要预热或这种过程要在冲砂和油漆之前完成等等。 · 时间和顺序：操作/程序的顺序或者是可视化的波特/甘特图表。 · 工作平衡，用于均衡人力资源和技工的利用率。 4. 在船厂的实施 我们已经对数字化制造有了一个整体的了解，而如今船厂是如何使用这种技术并且这种技术的前景如何呢？下面我们通过一系列的图解来看下在多数船厂是如何实施DS PLM的。 a) 组装设计，工装设计 LPD-17LPD17（Loading Dock Platform）级装载船展示了海军战队和海军陆战队两栖战争的未来。尽管攻击是通过直升机，登陆艇，两栖运输工具，或这几种方式的组合来完成的。这种LPD 也必须具备装载700 个全副武装的水军的能力。每条船684 英尺长，105 英尺宽，设计吃水23 英尺，23000 吨重，配备的四台柴油机可以使它的航速达到21 节。LPD17 是模型化和仿真所取得的前所未有的成绩。LPD 17 USS San Antonio 是第一条在“虚拟现实”中设计出来的曲面船。传统工艺一般在设计完成20~30%的时候就开始制造了，而结果后续的重复性工作是高成本的。而使用DELMIA解决方案，在设计完成80%之前是不会开始切割的。DELMIA 可视化工具支持大范围的协作，并可以使设计组清晰的看到任一设计阶段他们的所做的工作。同样，这个系统使设计修改的信息迅速并广泛的在参与者之间进行交流和检查。DELMIA 工艺规划和数字化制造工具使生产过程变得模型化了。工程师们可以在任何一个设计阶段对复杂的组装/拆装程序进行优化。在LPD17 项目上，在没有通过仿真证明每一步的正确性之前，没有任何一张钢板被切割，这样就避免了重复工作，切割浪费和重复焊接。三星重工（SHI）在使用QUEST 来优化拼板线的生产，它已经被用来开发下一代数字化与先进工艺整合的船舶制造系统。这种系统是通过在一个虚拟环境下进行仿真来优化整个船舶制造流程的。这个项目已经被作为一个在传统造船中进行工艺改革的起点而受到非常的重视，SHI 计划用三年左右的时间来开发本项目，通过使用更多流水线和自动化的制造工艺，在提高质量的同时大大降低成本。 b) 生产计划对LPD-17 项目的白分段加工（BIW）的优化 DELMIA 数字化制造软件产品是用来对使船舶系统，结构和人为要考虑的功能因素的概念设计进行可视化。通过假定，LPD17 设计者们可以创建他们自己定义的图形或者从CAD 中直接导入，来对船上关键设施进行评估。对于从事船舶不同区域布置的各个小组可以通过三维数字模型所创建的团队工作环境而关联到一起，这样可以对设计，节点，生产计划，人机研究和物理研究等不同角度进行任何区域的检察。组装顺序方案和数字化船厂模型（包括建筑，路面布置，轨道布置，吊机，设备，浮船坞，运输工具和其它重要设备等）就都建立起来了。这个数字化模型主要是检察干涉和确保船舶组件可以适当的安装到相应位置，而且可以帮助计划员们进行移动分段和小组装件到最终组装位置所需时间的定义。LPD17 项目上虚拟升降技术的实施也可以直接应用这些模型。由此，BIW 可以使用这种模型化和仿真资源来实现项目对项目的转接。 在美国海军研究办公室的资助下，The Gulf Coast Regional Maritime Technology Center（GCRMTC）在新奥尔良大学，使用DS 数字化制造技术对DDX 联合船厂流水线作业进行研究，并为美国海军二十一世纪的系列秘密驱逐舰制定了一套标准化设计。研究员和制造专家们对生产设计进行了评估，并确定了高水平的制造工艺和施工顺序，建立了先进工艺储存库并对工艺的有效性，流线性，成本和附加值进行了分析。本次研究还包括为MRP（材料需求计划）系统创建生产材料单（PBOM），以及为MES 系统建立的工作顺序目录。目的就是降低生产成本和生产难度，减少生产计划时间，减少生产上的重复工作和缩短生产过程时间。多方参与的DD（X）联合船厂要求提高模型和仿真的重复使用率，预估设计变更的影响，为生产的早期设计进行评估并要测试新的制造工艺。 c) 在Fincantieri 和NGSS 的焊接机器人的离线编程 意大利的Fincantieri 船厂，对游船和商船的制造有特别的研究，这家船厂的焊机包括由Motoman 和IGM 所提供的巨大的，多轴桶架式系统，这种系统可以在焊接大分段截面时同时支持二个或四个机器人。传统上讲，造船业经常因为没有两种相似船形或两个相似船舶剖面而苦恼。每个典型剖面都需要唯一性的程序来控制机器人，而且要用八小时或更多的时间来完成一个简单剖面的焊接。为减少翻身次数，降低拼板成本，保证分段和分段之间的质量的一致性，Fincantieri买进了一种新机器人系统和基于电脑控制基础上的UltraArc 离线编程软件包。通过与Fincantieri 的合作，DELMIA 开发了一种叫做AMP 的电弧焊编程系统。AMP 把在船舶制造中常用的焊接方式进行归类，每种类型都形成了一个标准模板。Fincantieri 使用UltraArc 技术把机器人程序进行系统化，并把这种程序保留下来，从一个项目应用到另外一个项目中去。UltraArc 和伴随的AMP 模板使Fincantieri达到了100%的离线编程-不需要任何修补工作，所有的过程信息包括焊接参数都可以被直接下载。这一点可以使机器人在生产中连续使用，现在焊接工艺知识就可以被保存下来，并可以从一个项目直接转移到另外一个项目。 d) ISSELNORD 维修培训 ISSELNORD，是意大利一家工程技术服务公司，正在针对虚拟现实和仿真在船舶维修中的应用进行研究。初步研究是更换船舶的桨叶，首先建立螺旋桨，以及附近的船体外壳，干船坞等作业发生地的模型。如果不是由于损坏，桨叶都可以通过内部液压系统和机械系统进行拆装，这个任务包含五到六个人，大约半天的工作。因为桨叶很重，就需要特殊的吊装程序。另外，桨叶都会配备一些可以提供高压的工具。可以理解，这样复杂的程序，必须要严格遵守规定的指令和预定义的顺序。DELMIA DPM 保留所有需要运行这种复杂模型的物理信息。Fincantieri，世界级游船制造厂，看到了这种技术的潜力。在ISSELNORD 进行的16/21研究就是由意大利 Turin 的DELMIA 小组来支持完成的。 e) General Dynamics Electrical Boat 应用数字化组装分析进行设计和制造 在多数的船厂中，数字化制造仿真都主要应用于提高工艺性如：物流，拼板线，分段组装，单元拼装或干船坞操作等。Electrical Boat 船厂已经使用了产品集中的方案，目的地是定义系列产品的可操作性，并为此设计一些设施来保证当产品制造时所需要的资源都可以被使用。 Electrical Boat 为多种系列的下一代水下装置的生产建立了工艺模型。当设计队伍为船厂新设备定义空间，设备和人力需求时，这种工艺模型就为他们提供了重要的参考数据。产品依据他们的特性，被分成了不同的家族种类如：板厚，重量，组装/焊接量，安装要求，焊接/预热要求，管路复杂程度和加工，检验以及压力试验等要求。而大约100 种产品左右的产品可以被新的结构预制设备识别：球面或柱面结构，基础舱室，舱壁，甲板，大小机座和水柜等。在制造工艺仿真过程中，DPM 组装和CATIA CAD 模型是起点。详细的工艺模型（到了独立部件和组件级别）是为基础舱室，舱壁，球面结构或甲板等建立的。很多工艺上的提高是可以被看到的，降低了无价值的累加时间，减少了整体生产时间等。结果是Electrical Boat 的设施布置比当前的生产17/21设施布置有很多的优势，在产品的实际设计中，还有一些附加工作需要进行如电力和气体供应站的位置，电力供应和部件运输等。 f) 海军史上的数字化改造 在1986 年，当Holland VI 的设计被全世界多家海军所采用时，它成了第一个商业上非常成功的潜艇。John P. Holland，它的设计者，对潜水，压载，纵倾，导航（下潜和舵面），双推进（电动/汽油）和武器包括鱼雷和炸药枪都进行了研究和改革。这个包括1300 多个主要部件的改造模型是由CATIA 建立起来的，并由DELMIADPM 来分析，模拟操作所有船上设备，包括鱼雷的发射和装载，下潜和三种推进方式的操作，为这种人员密集和设备密集的任务做了制造顺序的分析验证。 DELMIA Human 用来确定一些时间数据，如去关闭一个阀门，推动一个控制杆，为桨叶开关改变一下电板配置各需要多少时间。如果有足够的空间，去估计一个合理的准确的时间应该不是什么难题，但HollandVI 是一个非常拥挤的操作环境，所以这种研究对于定义船员对潜艇的操作和维护的顺序是十分有价值的。这个项目是由Electrical Boat 和DS 联合实施的。所有模型都是由GeneralDynamics Electrical Boat 提供。 5. 总结 在DS PLM 中，设计库和制造库的关联是衔接数字化设计和数字化制造的桥梁。在实际制造中，数字化制造方案使用制造库中的数据来平衡在设计库中的三维设计数据。这就使得造船厂可以在实际造船之前，先在一个数字环境中把船造起来，这样就给船厂提供了一个在数字环境中实现大量的修改和反复作业的机会，而不需要建立实物模型。这不仅可以优化船厂的制造工艺，还可以迅速反应出那些没有被预先考虑进去的事件。基于制造库中数据的数字化制造，是整合设计，制造和生产实施的下一个开拓领域。 a) 结论 先进的船厂都正在重新测试他们的制造工艺，以便于缩短制造周期，提高质量并用消除由于重复工作所引起的成本。数字化制造技术已经在汽车和飞机制造待业中充分得到证实，并且已经成功的应用在世界范围的船厂中。DS PLM 数字化制造解决方案已经在多家船厂取得初步收益，General Dynamics Marine Group, Electric Boat 和NASSCO; Northrop GrummanShip Systems 和Northrop Grumman Newport News; ISSELNORD, Fincantieri 和三星重工(SHI)。 6. 附录A-缩写 BOM-材料清单CAA-CATIA 应用技术CAD-计算机辅助设计CAE-计算机辅助工程CAM-计算机辅助制造CATIA-计算机辅助三维交互应用CAX-计算机辅助技术，包括CAD，CAM，CAE 等CGR-计算机图形表示法CIM-计算机整合制造CM-配置管理CMM-坐标测量器CRM-客户关系管理DFP-生产设计DPM-数字化产品制造EBOM-设计材料单ERP-企业资源管理EWI-电子作业指导LCA-生命周期应用LBOM-物流材料单MBOM-制造材料单MES-制造实施系统MRP-材料资源计划NC-数控PBOM-工艺过程材料单PDM-产品数据管理PLM-产品生命周期管理PM-编程/项目管理PPR-产品，工艺，资源SCM-供应链管理WBS-作业分解结构WF-工作流程WP-工作包 7. 附录B –数字化制造解决方案 本部分主要简单介绍一下本文中提到的DELMIA 产品。DELMIA 解决方案主要致力于在制造过程中所需要的过程和资源，以及整合结构分段和船舶系统。代表性的讲，这些产品和组件都是在一个或多个CATIA 模块中定义的。 DELMIA 解决方案给从概念设计到生产的实施提供数字化制造和仿真支持，主要是生产计划，场地设施布局，工艺过程验证，时间，成本预估，人为因素和工艺流程分析，使用DELMIA 数字化制造方案的主要收益如下： · 一个被称作制造库的集中的，有组织的制造信息储存库，可以同时被计划员，分析员，制造工程师，指导工程师，放样员和健康环境工程师所共享； · 消除不可造产品的产生以及由此而引起的技术变更，解决首次检验会出现的质量问题； · 通过使用三维环境进行的基于模型的生产设计和组装设计，来提高生产能力。 · 通过平衡当前设计数据与DELMIA 的易于使用，高端，基于模型的工艺规划的连接，最大限度限制的降低突发事件的工作； · 处理不确定现象的能力和对设计，布局与生产系统之间动态关系的理解。 工艺设计（Process Engineer） DELMIA ProcessEngineer 使用户可以对生产工艺的可变方法进行定义，开发和分析。它可以使用户很容易的组织和显示相关的计划数据。Process and ResourcePlanning（工艺资源规划）模块是用来生成操作顺序的工艺图表，然后自动生成制造方案。 根据国际发布的时间测量方法，Standard Time Measurement（标准时间测量）模块为手动和半自动的制造工艺提供了一种详细过程描述，它能定义需求的标准时间并完整的记录它们。Product Evaluation（产品评估）模块使用户获取精确的产品配置信息来评估预计的制造成本，并与目标成本进行比较。 为满足在企业之间的信息共享和交流要求，DELMIA 提供PPR Navigator for Manufacturing（PPR 浏览器）模块来读取相关制造数据。所有的Process Design and Analysis（工艺设计和分析）模块都是基于一个产品，工艺和资源（PPR）的数据模型，也就是Manufacturing HUB。这就使在企业中不同位置，不同部门和不同专业甚不同供应链中的用户都可以使用同样的信息。 DPM Assembly（数字化产品装配） DELMIA DPM Assembly 基于在CATIA 或其它CAD 系统中所创建的图形，来开发更详细的工艺规划方案，产品，工艺和资源信息都可以直接从制造数据库中读20/21取。DPM Assembly 也是用来定义产品的正确的组装工艺。并使用户具有为组装过程预计可选工装和安装方法的能力。 DPM Assembly 的干涉检察和复制单个部件并根据它们的装配路径进行预组装的能力，使用户可以快速的理解组装顺序并进行验证。在每一个工艺过程中，当前状态都可以被自动的生成，并可以用于制作电子作业指导书（EWI）。 DPM Assembly 提供了甘特/波特图表界面，这就给用户提供了一个易于使用的方法来开发操作，时间和资源分配的顺序。DPM Assembly 也部分应用于验证生产和维修场景。干涉检察和人机工程的能力可以验证工艺顺序的可用性以及工具或运输系统的限制性，如吊机，绞车或定位工具等。给车间工人和船上维修员使用的电子作业指导书（EWIs），可以通过简单的鼠标点击来运行一个可编辑的VB 脚本程序来自动生成。这些文件可以以内嵌超级连接的Html 或Xml 的格式生成，用户可以通过点击连接来浏览需求的工艺步骤以及它们的支持信息。 Process Engineer 和DPMAssembly 在ManufacturingHUB 中生成工艺和资源信息，这些信息就可以用于QEUST，为工艺流程建立离散事件工厂模型。 工作单元布局与仿真 DELMIA Work cell Layout & Simulation（工作单元布局与仿真）模块是对自动化设备和离线编程机器人单元进行设计和评估的运动学仿真工具。结合实际机器人和外围设备，动作属性，运动学和输入/输出逻辑，Workcell Layout & Simulation 模块生成十分精确的仿真，并提供优化机器人位置，动作和循环时间的能力。这就给用户消除机器人，部件，工具，工装和周边物体之间的碰撞提供很大的帮助。在DMU Kinematics 模块（ 在CATIA 和ENOVIA 中都可以）中建立的运动学设备，可以直接导入到Work Cell Layout &Simulation 中来。这种应用也包括甘特/波特图表功能，当为制造工艺制作仿真片段时，为用户提供了一种便利的方法对工作单元，运动学设备等进行交互式功能定义。 QUEST-离散事件仿真 DELMIA QUEST 用来支持离散事件仿真，并且是可以对工艺过程中所有事件的组合概率进行随机分析的可视化组合分析平台。这就为车间的吞吐量和循环时间提供了实际的预测，同时也识别出瓶颈所在，并能为资产使用率生成报告。 通过一个高端的仿真语言，用户可以为工艺设备，人和材料的行为进行定义。通过把制造过程中相对独立的步骤连接到一起，来验证工艺流程定义的影响和工艺的可启动性。 QUEST 为模拟编程，工艺流程分析，统计表记录和生成报告提供工具，同时也是可视的。QUEST 允许模型从二维环境直接转入三维环境，由此，模型设计可以开始于非常简单的概念阶段，并逐步进展到工艺设计过程，这样就避免了在两种不同软件中建立不同的模型。QUEST 也提供了完善的CAD 能力，可以直接创建和修改图形，或者从大范围的CAD 资源中导入图形。二维和三维图形都可以在不同的模型中进行保存和使用。性能参数统计也可以直接显示出来，或以文件形式输送到其它软件中进行使用，可以使用广泛的标准型报告，也可以很容易生成自定义型报告。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/22/2008)