基于智能设计的智能制造探讨

王春成 王磊 吴孙阳 赵书宝

【摘 要】智能制造是制造业发展转型的重要举措，包含智能化的设计、生产、服务、管理、物流和系统集成6个方面，其中智能设计是智能制造的核心，是决定整个智能制造转型的关键点。文章通过对智能制造设计相关概念的提炼，从工艺设计和产品设计进行维度分析，并提出智能设计的成熟度评价指标，为企业后期进行智能制造升级和智能车间评价提供参考，同时为后期进行智能车间标准化评定提供相关技术支持。

【关键词】智能制造;工艺设计;成熟度评价;公差仿真

【中图分类号】TP278 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）12-0100-03

0 引言

制造业是整个国家经济体系的命脉，是实现科学技术理论向实践转变的最重要载体，是国家建立的根本，是国家发展的重要手段，是实现强国梦想的基础。《中国制造2025》的发布标志着我国战略部署强国政策从理论向实践迈出了关键一步[1]。“智能制造”是《中国制造2025》战略方针中最为重要的一项技术创新，是我国实现强国战略的重要举措[2]。智能制造是一个长期的发展和推广过程，目的是解决目前制造业发展过程中出现的各种资源匹配失衡，同时制定制造业生产规划和发展战略，政府、行业等也需要通过智能制造给制造业企业进行评价分析，评估和指导地方产业智能化发展，为企业实施智能制造提供技术支撑[3-4]。《中国制造2025》对中国智能制造包含智能设计、智能生产、智能服务、智能管理、智能物流及智能系统集成6个方面提出了明确要求及指导方针，各个产业、不同行业、各地政府对智能制造业进行整体规划与方案论证，特别是在生产系统、企业管理等环节取得了一定成果。但在前期的智能设计阶段明显短缺，本文将通过智能制造设计标准与相关行业专家对智能制造设计的看法，对智能制造设计相关内容进行研究。

1 智能设计

智能设计是利用现代先进的科学信息技術，把人的行为活动和思维想法用计算机进行模拟仿真，通过仿真模拟，提升计算机自我深度学习的能力，完善计算机自我感知和自我升级的能力，确保计算机在制造设计阶段能协助专业人士进行多样化、庞大的工作任务，成为专业人士可靠的工作伙伴。计算机对专业人士来说，它具有以下特点：？譹？訛以设计方法论为指导。从设计实质上来说，整个设计的过程就是从设计思路和设计方法两个角度进行探讨，这是计算机智能设计能够仿真专业人士进行设计的基本要求。？譺？訛通过计算机实现模拟仿真到实现产品的具体化。设计本身是虚拟的，在未进行生产时它只是存在可能性，通过计算机进行模拟现实，把虚拟的设计想法反映到计算机图形现实上，实现产品的具体化。？譻？訛使用标准设计软件（如CAD、CATIA等系列仿真软件）进行数据和图形处理的手段。？譼？訛实现系统集成的智能化处理方式，计算机不仅能够实现设计过程的标准化和具体化，还能够实现与CAM等系统的对接，实现数据交换与深度学习。？譽？訛它提供了强大的人机交互功能。能够帮忙专业人士进行过程变更，实现人与计算机的区别与统一。人工技术的要求能够通过智能设计快速转化为仿真产品，通过仿真产品的试验，实现实际产品的快速生产。通过对智能设计定义的分解和归纳，智能设计包括两个方面：产品设计和工艺设计。下面将分别对智能产品设计和工艺设计进行论述。

1.1 产品设计

在进行产品设计的整个过程中，必须明确产品的销售方式、产品的外观样式、产品的组装方式和产品要实现的功能，这样能够在后期进行生产方式和设备布局的确定，所以产品设计意义非凡，对整个产品具有根本性意义。智能产品设计包含数字化与模块化设计仿真模拟、产品设计试验仿真、产品虚拟产线与生产模拟仿真、产品设计公差仿真、产品物流仿真、产品并行/协同设计等。

数字化与模块化设计仿真模拟：通过计算机仿真模型设计，改善产品性能结构，实现产品整个生命周期最佳。同步使用模块化设计理念，保证模块设计在相关的功能方面和结构设计方面具有一定的完整性和相对独立性，考虑模块系列未来的扩展和向专用、变形产品的辐射，满足不同需求和产品的升级。数字化与模块化设计仿真简化了产品设计的要求，充分利用已有设计基础及设计模块，同时预留扩展窗口，为后期进行产品变更、技术升级提供空间。

产品设计试验仿真：通过计算机仿真技术对产品功能、安全、经济性等方面模拟作业，同时对整个生产过程、工艺管理、品质检验、效率分析等进行仿真分析。产品设计试验仿真围绕产品质量和功能进行仿真模拟试验，可以在前端提出现有产品与客户需求之间的差异，以及通过试验仿真能够弥补生产过程中个别性能差异带来的成本损失。

产品虚拟产线与生产模拟仿真：使用信息技术、虚拟现实技术、计算机技术等对产品生产过程进行全面模拟，找出生产中可能出现的问题，杜绝并降低在实际生产过程中出现的异常情况，实现产品快速量产，降低前期设计成本和设计时间，提高企业竞争力。

产品设计公差仿真：采用计算机辅助公差仿真技术（CAT）在产品的设计阶段、检测分析阶段等全过程中，使用计算机对产品的尺寸和公差数据进行实时监控管理和参数优化，确保实现产品单位成本最低，满足客户的技术需求和功能需求的整个过程。

产品物流仿真：对物流系统进行建模，并在计算机上编译相应的应用程序，对物流系统的实际运行进行仿真，并对仿真结果进行计数和分析，指导实际的计划、设计和运营管理。产品物流仿真能够反映实际物流运行的效率，可以确认区域物流周转效率、人员物流运行效率和物流存储量，便于进行物流管理和生产运营。

产品并行/协同设计：在产品设计阶段，应考虑产品生命周期的各个方面，并应在产品设计阶段全面计划和优化所有相关因素。产品设计要考虑客户需求，涉及产品功能、性能和结构，以及产品计划、设计、零件制造、组装、销售、操作、使用、维护和维修周期过程，直至回收和处置。

智能化产品设计实现了产品生产前期的模拟化作业，模拟了整个产品的生命周期，能够为企业管理者及生产者提供产品的模拟方式，减少产品前期的试验费用，提高产品生产能力和企业效益。

1.2 工艺设计

工艺设计是指通过长期生产和科学实验及特定的生产条件，通过生产实践不断改进的过程。工艺设计的合理性有助于促进产品质量的提升，协助现场生产管理，能够优先帮助计划和组织，并充分利用设备。智能工艺设计包含制造工艺清单（BOP）模拟、虚拟生产工艺规格书、制造工艺基础库、工艺基础文件管理、人因仿真、虚拟装配仿真、虚拟产线与生产模拟仿真等。

制造工艺清单（BOP）模拟：通过模拟BOP实现产品工艺与工序的前期设计，确保产品生产过程的完整性。在进行模拟BOP时，可以根据客户的不同需求进行定制化模拟，通过模拟确认产品清单需求，减少制定工艺清单的时间。

虚拟生产工艺规格书：通过计算机仿真模拟工艺生产，实现产品数据及指标的搜集，提前准确预知产品参数及技术指标，避免不断重复的产品工艺试验及报废品产生，减少制程管理人员的需求，同时减少生产期间因为调整产品参数和技术指标导致的不良产品损失，还可以提高产品生产过程的连续性和稳定性，提高客户满意度。

制造工艺基础库：工艺基础数据库由工艺基础数据库管理系统对数据库进行统一管理，实现数据库中各类工艺基础数据的录入、更改、维护、用户设置、安全保密等功能。工艺基础数据库为计算机辅助工艺过程设计（CAPP）系统提供支持，并与CAD/CAPP/CAM/CAQ结合，进而为整个数字化生产线提供支撑，实现制造工艺的数字化。

工藝基础文件管理：工艺技术基础文档管理是公司进行流程管理的基本要素，也是控制整个生产过程的有效手段。工艺和技术文件的管理旨在使产品在生产和操作过程中的所有流程技术文件都接近实际生产，满足实际需求，使过程和技术文件保持权威性、监管性。

人因仿真：在制造生产过程中，人在其中扮演重要的角色。无论是人机交互还是机械自动化及集成管理系统等，均明确了人的主观作用。在人机交互系统日益发展的今天，人的影响因素显得更为重要。通过计算机进行人为作业仿真设计与分析，能够最大限度地模拟出人机交互过程中人的行为影响。通过仿真，不仅能够实现生产过程的效率管理、良率管理等指标实时显示，还能够对人的作业行为及功能需求进行明确。通过仿真，模拟生产环境，对作业人员进行技术培训与仿真环境实际操作，实现人机的完美配合。

虚拟装配仿真：基于虚拟拆装技术在交互式虚拟装配环境中，用户可以使用各种交互式设备在实际环境中对产品零件进行各种装配操作。在整个实践中，虚拟装配仿真软件能够实现所有阶段数据的检验与保存，管理整个装配作业，便于使用人分析产品的可装配性、装配顺序验证、产品零件计划、装配操作员培训等。整个作业完成以后，计算机会详细记录整个装配作业，并转化为审阅分析材料、视频记录等内容，便于以后使用。

虚拟产线与生产模拟仿真：通过仿真作业环境，让作业人员思维处于计算机仿真环境中，利于优化环境，改善作业效率。通过虚拟产品与生产模拟仿真，可以让新员工在仿真试验过程中进行“实践”操作，提升作业熟练度，能够让员工快速上线熟练作业。虚拟产品与生产模拟仿真降低了员工熟练度培训的费用和实际生产过程中员工熟练操作导致的产能损失。

智能工艺设计通过仿真实现了产品在生产前的技术困扰，通过仿真模拟，为实践生产提供了技术支持，降低了生产过程中因技术参数调整导致的不良品及产能损失风险，帮助技术人员有效进行参数调整。同时，通过智能设计，可以快速响应客户需求进行模拟生产，形成量化的生产标准，便于快速报价和快速量产。

2 智能设计成熟度评价

根据智能设计定义与指标含义，制定其成熟度评价体系（见表1），同时需结合产品制造、产品管理、物流管理、系统集成等方面进行整体评价，成熟度等级越高，智能设计能力越强。

3 结语

未来必将是一个高度集成和智能的自动制造系统，其研究目标是部分系统替代制造业中人脑的工作。即在整个制造过程中，人类智能活动与智能机器的结合可以有效地提高人的知识水平和认知能力，实现制造过程的优化、智能化和自动化。对智能制造的研究不仅可以提高产品质量、生产效率和降低成本，而且可以提高整个制造业应对市场变化的能力和速度，从而在未来的国际竞争中获取成功。

参 考 文 献

[1]左世全.我国智能制造发展战略与对策研究[J].世界制造技术与装备市场，2014（3）：36-41，59.

[2]张铁.工业机器人及智能制造发展现状分析[J].机电工程技术，2014，43（4）：2-3.

[3]王影，冷单.我国智能制造装备产业的现存问题及发展思路[J].经济纵横，2015（1）：72-76.

[4]龙锦中，吴坚，沈平.汽车生产领域智能制造技术应用研究[J].企业科技与发展，2019（11）：92-93，96.