3D可以吗

2008年是否会是控制工程师最终从产品生命周期管理(PLM)软件中获得所需的一年?三维建模和工作单元模拟在今天提供了真正的好处。汽车原始设备制造商和航空航天公司正在推动更多的功能，并要求他们的供应商加入这一追求。

通过芮妮·罗宾斯，控制工程二八年二月一日

栏:
“并行”以提高灵活性
虚拟调测逐步进行

2008年是否会是控制工程师最终从产品生命周期管理(PLM)软件中获得所需的一年?

三维建模和工作单元模拟在今天提供了真正的好处。汽车原始设备制造商和航空航天公司正在推动更多的功能，并要求他们的供应商加入这一追求。机器制造商和系统集成商正在了解3D生产线模拟如何帮助他们赢得下一份工作，并更快地交付工作。但早期采用者想要更多，小公司想要分一杯羹。所有公司都被要求比以往任何时候都更加灵活和高效，他们正在寻找集成软件来帮助他们做到这一点。PLM软件供应商正在竞相回应。

“PLM环境的目标是为来自多个领域的全新用户群提供模型和模拟，将3D信息转化为有效的交流工具，”巴西航空工业公司(Embraer)的产品开发工程师朱利亚诺·门东卡(Giuliano Mendonca)说。Embraer是一家总部位于巴西圣保罗的商用、行政和军用飞机制造商。据报道，这家拥有2400名员工的公司拥有巴西最大的工程人员，该公司使用达索系统的Catia V5 3D产品建模软件，以及基于关系设计和组装模拟的设计到变更建模方法。Mendonca是巴航工业公司首次进入轻型和非常轻型公务机市场的工程工具团队的领导者，他在产品开发早期阶段增加了制造模拟和基于3d的工艺规划的使用。他说，使用“从早期设计阶段开始的制造模拟”，“大大减少了装配错误和昂贵的返工。”

PLM是一种战略业务方法，由多个软件应用程序支持，其目标是协同创建、管理、传播和使用产品数据，其中包括CAD/CAE[计算机辅助设计/工程]数据和制造数据。

“从软件的角度来看，CAD/CAE工具被用来帮助定义要构建的‘什么’。然后，这些数据自动传输到制造执行系统[MES]，以管理实际生产。PLM骨干解决方案提供了这些工具和流程的集成和管理，”CIMdata公司(一家专门从事PLM解决方案的咨询公司)的研究主管Ken Amann解释道。

PLM起源于20世纪80年代为工程部门开发的产品数据管理(PDM)应用程序，但已经发展到包括从产品设计到制造到维护和重新设计的工作流程和流程。过程建模和制造仿真是关键组成部分，因此被称为“数字化制造”。

自信地处理变化

西门子PLM软件Tecnomatix营销副总裁Alain Iung表示，这些工具和软件的进步带来的好处是生产线设计的灵活性更大，“能够在高度自信的情况下快速进行更改”。无论是对正在生产的产品的变更、新产品或改进产品的引入、对子组件的意外变更，还是在持续改进计划中利用最佳实践，处理变更的能力都是关键。

仿真和建模的点解决方案简化了单个手工任务或工作单元的工作，并通过机器人技术获得了成功。CAD系统提供机器人工作单元的设备模型、行为和机械仿真。下一步是集成来自多个单元的数据并模拟控件，以创建系统级的PLM方法。

“工厂模拟，物料流动，如何优化工厂车间，材料在哪里，它是正确的材料。这一切都是为了确保工厂能够盈利。”“模拟方法中的点解决方案是不够的。你可以做一个完美的布局，一个完美的工作单元，一个完美的产品设计，但是你还需要对系统的可见性来预测变化。客户对更好的产品信息捕获和流程重用感兴趣。只有通过一个综合的解决方案，这才有可能。”

位于底特律的库卡北美系统公司是库卡集团的系统集成部门，深知变革和灵活的必要性。该公司为汽车、航空和生产转移行业的客户招标。工程总监Jim Pacyga说:“我们报价1000份工作，一年可能做50份。工程就是这样，当我们设计过程时，人们仍然在设计产品。我们需要的工具能够使这些过程同时发生。事实上，我们发现oem在我们赢得订单之前，就已经提前通过了工艺验证阶段。”

库卡的提案工程师团队聚集在一起，回顾其他行业的最佳实践，寻找经过验证的新技术，并提出流程模型。“我们的内部流程使我们高效，但3D建模和仿真工具使一切都发生得更快，”Pacyga说，“我们将工具推向了极限。”

库卡系统使用西门子的Tecnomatix过程设计器和过程模拟软件创建3D系统布局，称为虚拟系统表示或vsr。库卡高级工艺规划专家丹尼斯·卡帕(Dennis Capa)表示，在汽车行业工作意味着“我们必须为生产线上的第四个车型进行规划，而产品设计师甚至不知道第四个车型是什么样子。”

当一个新项目开始时，库卡的工程师们并不一定是从零开始。“库卡擅长开发脚本，以及购买与其他工程软件通信或翻译的软件。这使得库卡能够利用我们工厂的当前信息和以前工作的历史数据，”Capa说。“我们还会在不同的供应商网站上下载可用的数据(模型)信息，这样就不需要重新创建。关于最新的技术进步，有很多可用的信息，我们的工作就是找到这些信息并有效地利用它们。”

对于用户来说，更好的集成PLM软件将减少自定义翻译和网站搜索的需求。去年年底，当达索系统和罗克韦尔自动化宣布他们打算将Delmia Automation的PLM软件与罗克韦尔的RS Logix软件集成时，罗克韦尔的Martin Canell表示，他们的客户已经在进行这样的集成。“这不是什么新鲜事。他们(已经)建立了自己的工作流程和标准操作程序。我们正在做的是真正完成这一点，帮助他们在软件结构中管理一个真正的系统，并从信息中获得真正的利益。”

如何为灵活性做计划

2007年11月，阿伯丁集团(Aberdeen Group)的一份报告讲述了一流制造商(“一流”)如何使用数字化制造工具和技术，以及其他人如何获得这些成功。研究和服务总监查德•杰克逊(Chad Jackson)表示:“在改善制造计划方面，各个绩效框架下的公司都关注同样的优先事项。”“佼佼者和落后者之间的区别在于，佼佼者将产品设计和流程集成在一个并行的产品开发方法中....”

并行开发在产品设计阶段考虑了制造工艺规划。这种方法通过在协作环境中协调产品工程师、制造工程师和制造人员的知识，使公司能够在产品设计周期的早期验证可制造性并开发生产流程。最终的设计可以更快速、更高效地完成，从而实现快速增产、提高产量和整体更快的上市时间。”Jackson说。

GME IS&S制造工程总监理查德•伍德海德(Richard Woodhead)表示，通用汽车是一家“越来越多地依赖数字流程模型进行启动流程和制造执行”的一流公司，他的团队负责通用汽车的全球IT基础设施。他说，这种基础设施是必要的，可以使制造工程师独立工作，并在全球11个设计中心、13个工程中心和160多家制造工厂中使用最佳实践。

Woodhead在2007年德尔米娅全球客户大会上的一次演讲中说:“许多汽车制造商正在对他们的流程进行根本性的重新设计。在过去的7-8年里，我们取得了巨大的进步。我们处于2D绘图环境中，需要大量手工工作，数据在抽屉和本地文件系统中进行本地管理。现在，我们已经消除了所有的手工起草过程，以及我们的大部分物理和制造账单。”

伍德海德说，这需要“对我们的业务流程进行根本性的重新设计”，这是“全球副总裁们个人努力传达数字化制造重要性的结果”。他说，通用汽车致力于为全球所有地区提供全球相同的多供应商基础设施和应用计划。因此，这也意味着除了与达索系统的合作，通用汽车还采用西门子/UGS解决方案。

Woodhead说:“我们从产品工程开始，然后转向制造工程，现在我们进入了拥有数据库和可视化基础设施以及IT/网络基础设施的工厂。”制造工程包含了比产品工程更复杂的环境。这促使我们找到了多个合作伙伴，促使我们找到了班里最好的。重要的问题是，它能否无缝集成?”

根据伍德海德和其他人的说法，答案是肯定的，而且回报似乎很大。在虚拟3D环境中操作允许GM:

创建系统的数字虚拟评估，确保产品和工艺设计能够满足通用汽车的制造需求;
首先数字化构建，这样就不需要多次物理构建组件、车辆、工具或组装过程;
消除生产中的变更请求;而且
整合特定工厂人员的经验，无需经常出差。

Woodhead说:“我们已经实现了虚拟评估室，工厂的团队参与数字设计审查，制造团队使用数字制造工具和信息来验证[他们的工作]。”他说:“两三年前，我们在开业前会先把几十人或几百人空运到现场。虚拟化已经成为我们能够完成的最佳转换的巨大促成因素。我们的核心流程90%以上已经从手工迁移到数字化。”

正在进行的一个转变是向虚拟调试机器的转变。Woodhead说:“我们在虚拟控制和调试方面有巨大的机会。“我们很自豪能够在软件中验证控件逻辑。我们可以在不运行机器进程的情况下集成plc和hmi。”

虚拟调试

机器的虚拟调试是建模软件的圣杯，部分原因是它有望弥合制造学科之间的鸿沟。Delmia副总裁彼得•施密特(Peter Schmidt)表示:“在美国，设计工程师拥有一切权力。“如果他们说改变(产品)，生产线就改变了。在日本，制造业有力量。他们会说，‘向我证明你的设计改变不会影响我的产品，然后我就让你这么做。虚拟调试解决了这个问题。”

在去年发表在杂志上的一篇论文中生产工程，作者Gunther Reinhart和Georg Wünsch讨论“虚拟调试在机电生产系统中的经济应用”。在其中，他们说“一种被称为虚拟调试的方法[旨在]使控制软件工程在系统设计中占据主动，并在生产设备的设计过程中更早地执行重要活动。”分析了虚拟调试的技术和经济可扩展性，提出了可扩展仿真环境的技术概念。(请在网上查看这篇文章的链接。)

达索系统Delmia解决方案工程师顾问Valerie Duclair表示，在测试和调试控制应用程序以使系统正常工作时，控制工程师总是处于关键位置。有时，他们不能保证生产按时启动，并具有预期的生产性能。她表示，出错的风险和提高效率的时间已成为决定生产率和盈利能力的关键因素。

Delmia V5 Automation软件和Delmia PLM Express软件今天可以实现虚拟调测。智能设备构建器模块允许控制工程师“构建和验证机电智能设备库，并利用虚拟调试知识提高生产效率，”Duclair说。“它使用户能够准备虚拟环境，并在物理集成在车间发生前几周调试和验证它。她说，该软件允许用户:

在虚拟环境中调试和验证PLC代码;
通过模拟缺陷，验证真实单元中可能发生的所有假设场景，例如传感器故障、机械碰撞、紧急停止或电气关闭;
提高生产性能;而且
与市场上任何可用的PLC合作，包括罗克韦尔自动化，三菱电机，欧姆龙，施耐德电气和西门子。

虚拟调试是在单个机器人工作单元上进行的，但在虚拟生产线环境中协调多个单元的机械和电气控制系统仍然是一个挑战。PLC和HMI硬件的多样性只是复杂性的一个方面。但2008年可能会有更多突破。

西门子正在与客户合作，在“阿基米德项目”的旗帜下开发虚拟调试和其他PLM“用例”。达索系统(Dassault systems)和罗克韦尔自动化(Rockwell Automation)的合作有望在今年上半年取得成果，不过两家公司没有透露将启用哪些具体功能。

在通用汽车，Woodhead表示，各种数据集成(包括虚拟调试系统和MES系统的集成)仍然是一个挑战。他的公司正在寻找生命周期特征管理，从设计到生产再到焊接设计，以及最大限度地重用数字设计。

他说:“我们需要更好地利用PDM(产品数据管理)，以及查询和可视化系统，以帮助工程师快速找到相关数据并将其整合。”通用汽车也在寻找数字数据的增值使用和维护。他说:“例如，我们将焊接数据发送到工厂车间，但我们在整个过程中很难在工厂车间更新数据。

库卡系统的控制程序经理罗德·布朗(Rod Brown)表示，他们正在寻找“经过模拟验证的详细操作序列，包括多个模型、周期时间、吞吐量等....我们还在研究不同的工具，以帮助自动从模拟中提取信息，如气缸孔和行程尺寸，以辅助硬件设计人员。”

供应商表示，用户也在软件中寻找更多的智能，包括将所有内容都嵌入并直接放置到模拟器中。他们希望在PC上模拟PLC程序和HMI。他们希望能够在虚拟环境中快速映射IO和信号数据。他们希望所有的项目数据都集中在一个地方，这样他们就可以管理电气和机械数据以及工作流程。他们希望构建模型，在模拟中更准确，并为特定环境预先编写工作流。他们还希望每个座位的软件价格下降。

但是不管用户想要什么，他们现在似乎也在投资于软件——以及为充分利用软件而进行的并非微不足道的内部更改。这种推动力可能来自3D视频游戏和在线虚拟世界的消费激增，或者来自更快适应更多变化的竞争压力，或者来自其他一些因素的组合。但结果是一样的:越来越多的制造商发现了PLM软件的好处，并推动它为他们服务，以提高生产线设计的灵活性。

作者信息

Renee Robbins是《控制工程》的高级编辑。她的电话号码是renee.robbins@reedbusiness.com