前言
随着经济全球化趋势的加剧，数字化制造越来越引起人们的关注，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%以上，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。据报道，运营好的企业约有50%使用数字化虚拟制造系统支持产品设计流程、制造流程的并行开发，使工艺人员在产品开发前期，就参与产品研发，提高产品可制造性；约有45%的企业对制造工艺和过程重用，避免所有设计都从头开始。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%。
中国制造业正处于由‘中国制造’向‘中国创造’调整和转型的关键时期，智能制造已上升为国家战略。目前，我国的制造业多停留在低端加工阶段，基础工业、核心技术、制造工艺、信息化智能化技术与发达国家还有较大差距，特别是制造工艺的仿真分析优化还处于初级阶段，导致设计出的同样产品，由于未能经过充分的制造工艺优化，造成制造可靠性得不到保证，故障率居高不下，使产品的竞争优势大打折扣。随着动力换挡、无级变速拖拉机产品的日趋复杂，自动化、智能化程度越高，建立数字化制造仿真分析平台，通过定量手段，对制造工艺和过程进行成本、变更的优化分析，保证可制造性前提下，实现快速、低成本、高质量的制造，提高企业核心竞争力。
1 数字化制造概念
1.1 数字化制造
数字化制造是利用数字化技术的工具软件在实物产品被生产制造出来之前，进行工艺规划、设计、仿真和管理的过程。数字化制造的内涵即数字化产品 (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。数字化制造技术弥补产品设计与制造之间的鸿沟，使得在虚拟环境中开发设计的产品，在被投入车间正式生产之前，可以在虚拟环境中进行工艺规划、设计和仿真。产品设计保证产品能够达到性能上的要求，解决做什么产品问题；数字化制造保证产品制造能够达到设计上的技术参数和精度要求，又要高效保质低成本，解决了如何制造问题。在进入产品的制造周期，数字化制造与制造执行系统(MES)有着紧密的联系。MES系统按照数字化制造规定的工艺完成实际的制造过程。因此MES与数字化制造系统需要实现双向的信息集成。在产品实施过程中，约有40%～60%的时间要用于工艺规划生产准备。见图1。
1.2 数字化工厂
数字化工厂布局规划是数字化制造的一部分，通过利用三维方式快速设计高效工厂的布局；利用物流软件分析优化发现设计缺陷和瓶颈，提高规划的准确性和效率；一次建模可以在产品全生命周期过程中需要提高产能或增加产品种类时，进行产量仿真；并能最大限度地减少资本投资和提高生产效率。
2 数字化工厂软件选型的经验
2.1 需求分析
目前拖拉机企业的产品设计层和企业管理层的数字化具备了一定基础，产品研发基本实现了3D设计与仿真分析；但生产工艺规划部分设计手段严重滞后，尚未实现数字化。对于产品而言，一个完整的生命周期应该包括产品设计、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。
随着动力换挡拖拉机等产品技术含量越来越高，对车间的自动化智能化程度要求也越高，制造工艺日趋复杂，目前采用的2D设计方式，很难进行各专业协同交流和工艺评审，导致工厂建成后发现干涉和瓶颈时而难以纠正。
工艺材料研究所承担着一拖集团公司制造技术进步的技术支撑职能，采用先进的设计分析工具和技术，为公司新建、扩建技术改造项目的重组和运行进行仿真分析其可靠性、经济性、质量、工期等，使生产线在投入运行前就了解系统的使用性能，为生产过程优化提供支持和依据。
2.2 品牌选择
2.2.1 调研
目前数字化工厂技术在全球范围内的汽车、航空航天机器人等行业得到了广泛应用并创造了可观效益，如BMW、Ford、大众等公司普遍采用数字化工厂技术，德国大众汽车公司从2002年就开始使用西门子Tecnomatix解决方案，将其用于支持产品分析、工厂建模和工艺规划等领域。一汽大众采用Tecnomatix数字化工厂技术成功完成了其AUDI A6L白车身生产线的建模和优化仿真解决方案。三一集团运用达索、交大江衡数字化工厂系统在14个事业部/公司先后进行了23项数字化工厂技术应用探索。
截至2010年底，三一集团运用数字化工厂系统在14个事业部/公司先后进行了23项数字化工厂技术应用探索，通过数字化工厂的成功应用，起重机二期基建周期相对于一期缩短了50%、降低设备投资4000余万元、降低基建成本100多万元、厂房设备空间占用率提升了14%、物料库存占用率降低了11%、大件物流软件路线缩短了15%、仓库日配送减少570多次。
德国大众汽车公司的工程师们在认识到生产规划软件的使用可以帮助提高效率之后，开始研究和比较各类生产规划软件。“在车身制造、物流软件及机器设备规划方面，Siemens的Tecnomatix解决方案力克群雄”。他们通过应用认识到，“在项目初期的虚拟规划做得越详细、越精确，开始实际生产时的出现的问题就会越少，成本会越低“。
通过以上调研，大众等汽车行业主要使用西门子的Tecnomatix中的工厂快速建模与物流软件优化三个模块，航空航天、三一等使用达索DELMIA中的车间物流软件仿真与分析模块。国内交大江衡研发的数字化工厂软件主要用于上飞、三一昆三等项目上。
通过以上对比分析，达索的DELMIA数字化制造解决方案，广泛用于航空航天高端客户，基于CATIA产品设计软件上进行工艺并行研发，是产品设计向制造数字化的延伸；西门子的Teamcenter数字化制造解决方案，以制造自动控制为基础，集成NX等软件形成的，是自动化制造技术向产品创新、数字化制造、MES的延伸，与制造结合更紧密；江衡自主开发数字化制造解决方案，没有产品与制造的基础，二次开发比较灵活，比较适合中国国情。
2.2.3 选择适合的产品
综合以上的调研和对比，参考我所目前使用的西门子NX设计软件，以及在一拖广泛使用的西门子PLC控制系统 ，从集成性和自动化发展趋势以及与MES的接口方面考虑，选择西门子数字化工厂设计与仿真软件作为我们数字化制造的一个切入点，以便今后在西门子Teamcenter数字化制造平台上扩展虚拟加工、装配、自动化仿真、人机工程等功能。
数字化工厂模拟仿真软件所需的功能包括四方面：
1、快速建立工厂布局模型功能；2、仿真分析功能，通过仿真分析生产线瓶颈并进行优化；3、工厂的生产物流软件可视化； 4、生成数据报表功能。
西门子工厂仿真设计和优化解决方案的优势：
西门子工厂仿真软件提供了方便易用的集成化的图形操作界面，无需编译即可进行操作，可以随时进行建模、仿真、结果评估、动画等工作；集成的“SimTalk”语言，能够让工程师自由地对物流软件策略进行控制；工厂仿真软件提供丰富的结果分析工具，如瓶颈分析、Sankey图分析、Gantt图分析等；采用基于遗传算法的自动优化工具还能够对工厂仿真模型进行高效率的优化，帮助工厂提高工厂产能、提高设备利用率和降低成本；广泛的应用程序接口能够让用户的其他应用系统和工厂仿真软件进行有效的集成，保护用户在已有系统上的投资，扩展工厂仿真的应用领域和范围。
产品品牌确定后，也便于招标时在一个平台上比价。
2.2.4 确定招标要求
1)商务方面：着重强调投标人资格中需经过西门子公司的授权，必须有近二年同类型项目的实施经验以及培训、二次开发能力。
2)技术方面：提供的软硬件产品必须达到招标文件所要求的功能，指导协助甲方完成二条涂装线的数字化建模和仿真分析。采购的软件清单见表2。
2.3 招标定标
按照一拖公司招标流程进行招标公示，对报名的投标方交由纪委进行资格审查，合格后方可参与投标。评标由行业及公司的相关专家组成，对符合条件的四家投标方严格按照公平、公正、公开的原则进行议标，确定中标方。
3 实施效果
项目自合同生效之日起，一个月内供货并安装调试15天培训，100天指导我方完成涂装线的数字化工厂物流软件仿真项目的实施，截至目前已经分别在拖拉机覆盖件和底盘涂装线、工程机械结构件涂装线、消失模铸造生产线上进行了二维物流软件仿真分析、三维虚拟试运行的探索与应用。
使用时，首先在FactoryCAD中构建整个涂装生产线的三维工厂模型，再通过FactoryCAD和Plant Simulation的专用接口将三维模型导入到Plant Simulation进行物流软件分析仿真，指导工程师找出系统运行的瓶颈并且加以优化。
在拖拉机底盘涂装线、消失模生产线上，利用FACTORY CAD软件快速进行了三维布局，并利用工厂仿真软件实现涂装线设备三维动画，祥见图3，仿真涂装线设备工作情况；并采用虚拟现实技术，增加了方案的可视化程度，可以使客户也能身临其境的进行方案评审，增加方案的可读性和直观性，容易与用户交流沟通，方便决策。见图3。
在拖拉机覆盖件涂装线、消失模生产线上，利用物流软件仿真软件检验生产系统中的生产布局、资源利用率、生产节拍、产能和效率、物流软件和供需链、生产线平衡等是否合理，是否存在瓶颈问题，从而更好的优化涂装线，并根据仿真的结果，通过专家系统和优化方法的辅助，修改设计、优选了方案；并将优选方案用于指导拖拉机覆盖件涂装线的项目上，使涂装线在投入运行前就了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产过程优化提供支持和依据。感谢西门子及实施方案对我们的支持。见图4。
结论
本项目根据数字化制造技术发展趋势，以及企业目前的需求，通过调研分析对比，介绍了本企业数字化工厂物流软件仿真分析软件的选型过程与经验，结合企业信息化、自动化应用现状，并考虑长远数字化制造技术的发展及功能的扩展应用，采用了西门子的三维工厂建模软件FactoryCAD、生产线物流软件分析仿真软件Plant Simulation软件，提高了一拖的工厂设计水平，达到了预期目标。
目前使用过程中还存在一些不尽如人意之处，西门子在汽车行业的四大工艺上已经有成熟的数字化工厂解决方案，汽车用户实施时可以借鉴的库和标准相对较多。而针对拖拉机行业品种多、产量不大的制造的特点还未形成成熟的解决方案，加上我们目前主要在涂装线和消失模线上应用，非标设备较多，提供的可供借鉴的工具库不全，因此在FACTORY CAD上快速建立工厂模型的优势还未充分体现；所以物流软件分析多以二维方式进行；企业自建参数化设备模型库需要二次开发，比较麻烦。希望在今后的实施过程中，西门子软件能够针对拖拉机行业特点不断推出完善的解决方案，更易操作，给予农机行业终端用户更多的技术支持，以促进农业机械行业数字化制造技术的进步。
