西門子數字化技術市場推廣專家。畢業于上海理工大學機械設計制造及其自動化（中德合作）專業，獲得上海理工大學工學學士學位和德國漢堡應用技術大學（HAW Hamburg）工學學士學位。數字化工業集團運動控制事業部任職過數控系統應用工程師、數控系統産品經理等數控技術相關工作近14年。《數控技術及應用指南2015/2016》審校（2017年），參與編寫《精通SINUMERIK802D數控銑削程式設計》（2008年）。
摘要：本文為系列文章的開篇。從工廠的整個視角出發，描述數字化如何助力制造企業在生産營運的不同階段，充分利用和把握不同的數字化技術以及工具，幫助企業提高産能，提高時間和空間的使用率。系列全文請移步西門子工業支援中心平台。
序言
1.1 數字化的核心目的
制造業企業的數字化已經談了很多年，可提到制造業企業的數字化您會想到什麼呢?
可能有的看法會是：“數字化就是 CAD,您看我做的 3D 模型，這些炫酷的“爆炸式“裝配圖，這就是數字化！”
有的觀點則是：“您看，我的工廠中的房間全是看闆，而且都是很大的電子螢幕，所有的資料都可視化了，這就是數字化！”
而有的思路則會認為：“數字化可是很複雜的事情，您看google, amazon ,華為做的雲計算，人工智能，貝葉斯神經網絡，這才是數字化應該具有的形态！”
大家說的都對，可實話實說，這些其實都是數字化當中的一部分。因為大家在工廠從事的工作不同，擔負的職責不同，一言以蔽之---所處的“價值鍊”不同，對數字化的了解也就不盡相同。是以我們需要探讨一下數字化這個問題對于工廠而言到底涉及的“價值鍊”有哪些？
對于一家工廠而言，其價值鍊主要會涉及以下方面的話題：
1. 産品的生命周期管理（PLM=product life cycle management）
2. 生産的供應鍊管理(SCM=supply chain management )
3. 客戶關系管理(CRM=customer relationship management )
4. 廠房的基礎設施建設及工廠的精益規劃
5. 生産資料的使用與維保
是以：工廠數字化的核心是在明确上述經營流程的基礎上，為了繼續不斷的提高和創新，引入全新的科技和工具以加速求取最優解的過程。
圖1：通過對工廠經營過程要素的梳理，內建了産品、生産和性能的全面的數字化雙胞胎示意圖
我們下面就按照“産品”和“生産”的兩個次元，依照“設計”、“實作”、“優化”的順序，分解成6個子產品逐一進行說明。
1.2 産品的設計 （PLM 流程）
PLM 即産品的生命周期管理，其主要描述的是産品從市場資訊擷取開始，通過需求成型，确立實施方案，完成産品原型機并通過測試，再到後來推向市場，日常營銷，直到退市的全過程。 在這裡會簡單介紹需求文檔管理以及産品研發活動中相關數字化工具和技術的使用。
1.2.1 需求文檔管理：收集，提出，審批流 (C)
需求文檔的管理相當于建立一個内部的CMS（Contents Management System）系統，例如 IBM 公司的需求管理平台 DOORs，對于離線工具而言，更類似于思維導圖軟體，例如MindManager 也可以完成需求的管理與收集。但對于後續的權限管理（例如審批流）,修改過程的追蹤而言，線上工具更友善。
根據筆者使用 DOORs 的感受，産品部門可以在這個平台上完成産品需求的定義，同時研發人員可以基于同一個平台看到已經釋放出的産品需求，并據此完成研發方案的制定。這裡主要完成的是資訊協同（Collaboration） 的工作。這也是數字化帶給我們的第一個便利。
1.2.2 研發過程：圖紙繪制 (V)
在工業産品的研發過程中，必然會涉及到各種技術資料，而圖紙是其中非常重要的一種。早期的機械零件圖、裝配圖、電氣原理圖均使用 2D檔案進行描述，而今天則逐漸開始使用 3D 格式的圖形檔案，西門子有自己的解決方案,就是 NX for Design （NX 的 CAD 設計軟體）
圖2：使用 NX CAD 建構産品的 3D 模型
其實在做産品設計時建構 3D 模型圖已經是很常見的技術，這裡着重強調這一方面的主要考慮如下：
- 3D圖紙可以快速轉換成各種 2D 格式的圖紙，便于和沒有 3D 軟體的外協機關溝通。
- 便于銜接後續的仿真過程(CAE)，運動機構幹涉檢查過程(NX MCD-機電一體化概念設計)，試制和批量生産過程(CAM+金屬切削機床/增材加工裝置)，工藝檔案标準化過程（例如：生産部門根據E BOM開發後續的M BOM）等。這需要提到了數字化的第二個便利，就是虛拟化(Virtualization)。也就是通過計算機輔助的手段，在零件實體開發出來之前即可判斷可能出現的問題，然後在軟體環境中不斷改進和疊代 (如靈活開發模式中的“Scrum”)，最終確定試制的實體樣機是盡可能正确的。
1.2.3 研發過程：基于設計圖進行模拟分析 (V)
這部分就是之前提到的 CAE（Computer Aided Engineering）, 對機械零件設計中的實體特性，如因為受力，受迫振動引發的形變量；由于發熱産生的散熱量；由于電路中金屬導線的空間位置産生的信号失真性；由于不同的繞組設計對感生磁場的強度帶來的影響等等，原先這些都需要通過複雜且多次的實體計算才可以完成結果的校核，影響開發時間。
西門子有各種針對不同工況開發的 CAE 軟體，在這裡僅僅試舉幾例：
- NX Simcenter 中的Amesim（Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems）套件，主要針對機電液一體系統化中的相關工況提供模拟解決方案。
圖3：使用 NX Simcenter Amesim 對液壓系統進行測試仿真
- NX Simcenter 中的 Nastran 套件主要針對機構件的熱變形，力學的撓曲變形進行有限元分析。
圖4：使用 NX Simcenter Nastran對機械部件的應力情況進行分析
- NX Simcenter 中的 FloTHERM 主要用來進行電子電路中功率闆部分散熱的仿真模拟。
圖5：使用NX Simcenter 的FloTHERM 軟體對電路闆的散熱情況進行分析
1.2.4 研發過程：制造原型機（V,A）
完成了設計和仿真的工作後，對于機電類産品的開發還是需要進行原型機的制作，以保證在真實世界裡完成相關後續的測試和驗證。
注意：CAE 軟體知識起到了輔助作用, 是以不可把虛拟世界中的結果當成真實實體世界中的事實。是以我們還是需要制作真實的樣機完成實際驗證。
但也不要是以陷入“不可知論”，認為軟體模拟沒有用處，畢竟 CAE 軟體也是大型公司投入巨資和人力經過各種工況驗證的智力成果。
在原型機開發過程中，可能涉及到兩種數字化的技術：
- NX MCD + Sizer 完成傳動系統的電氣選型 (V): 對于機械産品，可根據機電一體化概念設計軟體搭配選型工具完成電氣傳動系統的選型。例如我們在 NX MCD 中完成裝置的機械運動機構幹涉檢查後，利用 Sizer 軟體完成該機械系統的伺服驅動和伺服電機選型工作。而這部分屬于虛拟化（Virtualization）的範疇。
圖6：使用 NX MCD+Sizer 軟體，對旋轉工作台的工作機制 進行分析，進而選擇出合适的伺服電機
- 增材加工(Additive Manufacturing) (A)：對于原型機本身的制作，某些大型的結構件可以采用 3D列印，CNC數控機床直接加工，制作快速模具的方法完成制作。這個過程中需要高效,成本上就要多付出;需要省費用，項目時間就要足夠充裕。不過有了之前的 CAE過程，原型機的可靠性得到了很大的提高。對于一些電子類裝置使用的結構件，可采用塑膠材質的 3D 列印裝置完成的殼體。由此可見，3D列印最大的好處在于節省的時間。而且在測試階段如果發現問題，則可以在調整設計模型後重新“列印”一個新零件即可，省去了修改模具的時間。進而實作快速疊代，靈活（Agile）開發，這是數字化的第三個便利。
圖7：通過增材加工（Additive Manufacturing） 對樣機中的結構件進行列印加工，節省原型機的制作周期
1.2.5 研發過程：測試原型機 (V)
在對于一些大功率電子産品的測試中，由于測試環境的電壓比較高，拖動的負載比較大，是以完成一個測試案例（Test case）往往需要投入巨資，而且人員還有危險(例如強電壓)。
根據這種情況，通過硬體在環技術(Hardware in the loop),也就是把真實的控制單元(Control Unit)加入到通過硬體在環技術模拟出的功率輸出（Power Unit）部件上，再将回報結果(連回電腦螢幕)，觀察測試裝置的負載變化，進而完成測試工作。
圖8:使用硬體在環技術（Hardware in the loop）對功率 器件的輸出特性進行仿真，進而完成對控制部件的測試工作
如上圖所示，是德國的 dSPACE 公司的一種适用于上述測試場景的硬體在環測試裝置。做伺服驅動器設計的工程師在設計控制闆時，可以在上述裝置（如上圖所示的dSPACE components）上使用 Matlab 程式設計模拟功率部分帶入負載後的工作狀态，不同的測試案例(Test Case)隻需要調整不同的模組化程式即可（例如拖動不同的負載，或控制不同的電機）。這樣在測試時，隻需要通過 PC 機（host PC）給出指令信号，通過硬體裝置（包括待測試的控制闆和作為測試硬體的 dSPACE Components）即可在 PC 機上看到功率部分的輸出相應模拟。無需去真實搭建每一個測試場景。
同之前采用 CAE 仿真一樣，在完成了上述硬體在環測試并通過之後，還是需要在真實的測試場景下（使用真實的負載和功率單元）對硬體進行最終效果的驗證，不過測試的一次通過率提高了很多。
總結
到此為止，涉及産品的開發部分中使用到的數字化技術的介紹就暫時告一段落。
然而在産品開發的同時，生産線的開發工作也在同步展開，這個随後的内容請移步西門子工業支援中心平台「連結」。大緻了解一些産線設計中會遇到的數字化技術和工具：
- 生産導入階段必需的三個清單：物料清單BOM(Bill of Material), 資源清單(Bill of Resource),工藝清單(Workflow altenatives ）
- 生産過程中的價值流分析 (Tecnomatix Plant simulation)
- 生産線的虛拟現實仿真（VR +NX Line designer）
- 生産過程的模拟(Tecnomatix Process simulate)
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