制造企业大规模定制化智能制造的实施

◎文/ 维谛技术有限公司 吴颖

传统制造模式下的企业正在缓慢进入生命周期的后端，企业的经营收入增速下降、获利能力承受着前所未有的压力。客户需求的个性化、营销方式的多样性与传统计划预测订单生产方式的矛盾冲突越来越大。数字化技术、云计算、大数据、物联网技术的应用，为企业带来了崭新的数字化时代。

维谛技术有限公司是一家跨国的通信设备的制造商，也是一家传统的设备制造商。企业同样经历着传统制造业向定制化大生产的转型期。如何从大批量低成本的订单生产转向以用户需求为中心的大批量的定制化生产？如何采用数字化技术快速响应客户的定制化需求，缩短产品的交付周期，实现柔性化的精益生产？如何通过智能生产方式降低制造的周期和成本是近年来企业一直努力探索的方向。

由于客户需求的多样性，产品的交付以多品种小批量的定制化模式为主。面对激烈的市场竞争，企业制定了长期的战略转型的实施方案。重点打造以及产品主数据、主运营数据和制造工艺数据为一体的企业级主数据管理体系，构建企业与客户的商机的协同平台，研发设计协同平台、柔性制造平台、供应商协同平台。采用全局规划，分步实施，边实施边总结的原则。经过多年的持续推行，取得了很大的阶段性成效。

定制化大批量的生产方式转型的变革需要企业采用全面的创新的理念进行全方位的变革，新技术的引用是变革的原动力，组织的变革及流程的变革构建新的业务模式是变革的保障。创新的信息管理能力是成功的关键突破点。

图1 – 业务类型与竞争力分析

企业的大规模定制的关键技术应用

大规模定制化生产方式是在标准化技术、模块化技术、现代设计技术、并行工程和可重组制造系统等技术与方法的支持下，将定制产品的生产问题，通过产品结构和制造过程的重组，全部或部分地转化为批量生产，使其既具有大批量生产的高效率、低成本，又能满足客户的个性化需求。

大规模定制以灵活性和快速响应来实现多样化和定制化。大规模定制可发生在产品策划、设计与开发、制造过程设计、生产过程的确认和销售等各个过程中。企业采用的定制类型随产品性质、企业的技术能力、供应商的参与程度及顾客要求的不同而不同。对顾客而言，所得到的产品是定制化的，对企业而言则是采用大批量生产方式制造成熟的产品。

从大规模定制化的实现方法不难理解大规模定制化生产的关键就是要实施企业的数字化的转型，实现企业全流程的数字化运作模式，提升销售、研发，制造等环节批量处理能力。数字化制造是在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库等技术支撑下，根据用户的需求对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，数字化制造系统是连接数字化设计与制造的桥梁。构建数字化制造系统需要建立以产品主数据、运营主数据和制造工艺主数据为一体的高度集成的数据管理模式，并在统一的MBD主数据模型下进行异构系统之间的数据交换，数据协同。实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品的整个制造过程。

数字化的企业应该具备以下能力：

1.数字化的产品设计方式以及在线时时仿真的能力

2.设计、制造的全流程的数字化管理；

3.跨领域主系统平台的紧密集成PLM/ERP/CRM/MES；

4.应用管理系统与智能设备的集成应用；

5柔性制造能力；

6.提供智能化的产品服务能力；

7.大批量定制产品的生产能力。

这些能力对于企业实现数字化能力是相辅相成互为因果条件的,企业需要着眼全局进行全面的系统和业务的战略升级，进行全面的全方位的战略转移规划。

规划应该包括三方面：

1.新技术、新方法、新工具的引进和推广使用规划。

2.适应于数字化架构组织架构与业务流程的变革的规划。

3.工业知识与信息管理、新技术新的工具技术结合的创新性应用。

维谛技术着眼于企业全局数字化能力整合，从订单的全流程着手打造各领域的数字化能力及各领域的协作能力。从核心功能开始实施并逐步进行扩展。企业针对大规模批量生产模式转型的目标制订了长期的详细规划，并制订了详细的推行计划和实施阶段，通过重点业务区块的数字化功能的打造逐步实施业务的转型。数字化转型只是企业的宏观目标，要落实企业的转型除了有创新的思维还要有具体落实目标和具体的落地方案。维谛技术为此制订了企业的数字化转型的分解目标。

• 采用MBD的主数据定义方法，建立以PLM为产品主数据中台、以ERP为主运营数据中台，以MES为制造工艺主数据中台的三位一体的集成的企业的数据管理体系。
• 推行MES制造系统的工序全覆盖，确保制造过程的数字化管理。
• 构建企业跨大部门的协同业务的环境，完成PLM/ERP/CRM/MES的集成和协同。
• 引进先进的工业软件及最佳实践，提升设计和制造的效率强化设计、制造过程中CAD/CAM/CAPP辅助设计和制造的应用。
• 统一订单的业务操作标准，建立基于产品设计数据驱动模式下的拉式订单业务交付流程。
• 构建智能的产品服务平台，提升客户对企业的满意度。
• 构建与供应商的B2B协作平台，保障物料供应的及时性和齐套性。
• 构建与客户进行产品需求沟通的协作平台，快速捕捉客户需求。

通过以上重点项目的实施，从数据层面解决了设计、制造数据源统一的问题。奠定了数字化解决方案的基础。跨部门异构系统的集成建立了企业跨部门的协作和沟通。以研发和制造系统为重点打造智能化设计和制造的能力提升了订单执行关键环节的敏捷能力。客户及服务功能的提级重点提升客户的满意度。与供应商B2B 解决与供应商的协作能力形成共赢模式。通过全方位的分阶段，重点功能优先的原则实施。

从方法论层面上，重点构建创新型的数据驱动业务的模式。将数字化管理贯穿订单执行的全过程。打通订单执行过程的线上信息沟通的渠道。制造生产线强化制造过程信息的自动化、设备的智能化。建立跨部门的异构系统的协同的环境，消除跨领域的沟通障碍。

图2-数字化转型的驱动力

企业级的大规模定制生产方案的实施

企业的大规模定制化生产的方案是企业内部端到端的系统化重点突破的方案。方案包括了市场、研发、制造和交付等四个领域的解决方案的整合。包括：1.参数化的快速产品需求的定制。2.基于标准产品的变种产品的快速开发和发布。3.基于研发设计模型驱动的智能制造系统的实施。4.订单交付后的产品在线支持功能的实现。

方案实施的目标是在数字化功能基本具备的条件下，对关键领域的关键功能点进行重点突破，从而实现大规模定生产的转型。在构建了基本的数字化能力的基础上，通过四部分功能的实施进行全局业务的拉通，形成数字化驱动能力，提升企业对定制化产品的响应和交付的速度，提升客户订单服务的满意度。

图3-大规模定制化生产的蓝图

参数化的快速产品需求的定制

配置器是快速进行产品需求配置的工具，但配置器的应用有很大的局限性，比较成功的应用主要集中在汽车，家电等产品标准化程度较高的领域。由于工业产品的复杂性及客户需求的多样性以及制造过程中结构和电子功能组件的高藕合性，很多情况下必须进行产品设计改制才能达到客户的需求。为了准确捕捉客户的需求，快速向研发传递产品的规格信息。企业建立了快速的参数化形式定义产品规格的方法，客户通过系统提供的配置导引从产品功能特性直接进行产品需求的定义，并基于标准产品规格或寻找相似配置的方式引导客户快速的完成进行产品需求的填写。参数化产品配置的功能实现了客户需求与研发设计的线上的沟通，强化了客户、销售与研发的协同。同时也为研发的快速响应争取了时间。

图4-参数化的产品需求定制平台

快速的产品设计实施

基于Siemens Teamcenter 协同设计平台，采用并行设计及面向制造的设计理念构建ECAD/MCAD的协同开发环境。基于3D模型的数据定义为基础，采用面向制造和维护的设计方法。在产品设计过程中为设计人员提供智能化的辅助工具实现器件的优选功能，接线图到3D自动布线的无缝衔接。

并行设计技术的应用实施

企业内部完成了PLM与ECAD/MCAD/MES/ERP/CRM系统的集成。打造了以SIEMENSE TC 平台为产品数据中台的跨领域的协同设计的平台。在客户完成产品定制需求的同时，设计团队具备同步启动设计的同时，制造部门同步进行制造工艺准备及采购关键物料的备料。设计周期和设计质量对定制产品的及时交付起着至关重要的作用。协同的集成平台保障了市场、研发，采购等功能团队在订单履行的过程中，数据源的高度的统一，建立数据驱动业务的模式，实现订单全流程的数字化管协同和管理，大大的减少了线下沟通的机会，确保计单执行过程中时间、资源、质量的可控性。

图5-并行设计方法

打造智慧设计平台

为工程团队提供浸入式设计环境

大批量定制流程实施的最大瓶颈是定制产品设计周期和制造周期。提升设计效率和制造的效率是及时交付的关键。工欲善其事，必先利其器。提高设计效率除了引进先进的设计工具外，最关键的还是要将设计平台和研发积累的知识和经验及最佳设计方法与工具端进行全面的集成。为研发提供沉浸式的开发环境，V8工程引擎就是维谛打造的集成的工程设计和制造的平台。将辅助设计工具，功能、设计规范及设计知识库集成在设计环境中，使得不同专业的工程技术人员可以沉浸在设计环境中完成相应的设计工作，将重复、繁琐的开发过程进行简化，设计人员专注于产品的开发。

图6-构建企业智能设计和智能制的引擎

制造核心柔性能力的提升

多品种小批量的制造方式对制造系统的柔性能力和制造的敏捷程度有着较高的要求。龙其对于高科技电子行业，客户的个性化需求变化较快，市场对产品的需求难以准确的预测。对于定制化的产品多采用见单生产。因为产品的耦合性较强，制造的离散程度高，产品的模块化程度较低。FMS技术很难以大面积推广实施。长期以来，钣金加工的自动化能力，产品族的预测冲减功能成为制造端大批量定制化生产的瓶颈，也是企业内部柔性化生产需要突破的关键点

以MES为制造中台实施

钣金加工的自动化突破

钣金加工是维谛技术产品加工的瓶颈，订单的多品种小批量，订单量的不均衡，产能不均衡，外协资源的协作能力等问题都极大影响了订单及时交付。产品导入主要通过人工串行方式，很难形成批量作业的规模效应。使得生产的柔性能力难以进行有效的提升，为此维谛在成立专门的小组进行业务的调研和技术的攻关在这两方面完成了突破。

钣金的自动化加工

实施的重点是打破研发设计与制造的数据传输的壁垒，以研发3D模型数据驱动钣金的制造。将PLM系统与MES系统直接对接，以生产订单触发读取PLM系统中的制造数据。PLM端的设计过程充分考虑制造工艺，制造设备对数据的要求。建立设计校验，数据转换的能力。保障制造端的快速、批量的导入。减少从研发到制造的大量的数据转换的时间和资源。实现研发和生产无缝对接。

MES端基于ERP生成订单的交期，综合考虑钣金的标准工时定义，自动计算钣金的工时数据标准工序定义以及设备资源的定义进行生产计划的排排程，自动生成工艺流转卡和车间生产制令单。车间现场操作人员可以通过终端设备查看，当天要完成的工作并通过系统终端进行自动报工，MES 自动进行制造工时的统计和核算。

引进辅助制造的CAM工具,实施钣金的自动套料，NC代码的自动生成，现场模拟制造过程，大大提升了生产的效率及原材料的利率。

将设计、制造、设备进行无缝的集成，由设计数据驱动，MES进行制造资源的管控，CAD端进行设备端的自动。形成了制造的柔性能力。

图7-MES 智能制造平台

产品族的预测冲减功能的实施

定制化产品订单的占比加大对实施大批量生产是个非常大的挑战。定制化产品很难进行市场的精准预测，市场只能依据标准产品进行总量的预测，但在实际加工过程中需要基于标准产品进行计划冲减。由于单个产品的订单量减少，按传统的方式见单生产，无法形成规模生产的优势，大大的增加了制造成本。通过对成组技术的应用，建立产品族的定义管理，对所有定制化产品进行成组定义，最大化的找出不同定制产品的共性，对以标准产品进行预测，通过产品族定义定制化产品与标准产品的关联关系，从而自动进行预测的冲减。合并不同定制产品的相同的组件，使生产形成批量化的规模优势。

图8-产品族的预测冲消管理

智能化产品服务平台的实施

保障客户的设备永远在线

定制化产品的占比增大增加了客户端产品在线维护的难度。尤其是工业产品的维护生命周期可长达五十年。为了保障维护期内的产品可靠性需要为维护团队提供智能化的产品维护信息的支撑平台。为达到这一目标企业以Teamcenter 产品数据为主数据，关联制造的过程信息，构建服务的在线支持平台。平台能力包括：

• 基于现场条码查找产品的关键规格信息，包括，产品的关键功能，技术图纸，安装说明等。服务人员可接采用手机终端现场。
• 产品的技术资料保持出厂时的版本，与产品的技术状态保持一致，支持所有版本数据的查询。
• 产品的软件安装代码可基于产品的版本线上下载，安装。
• 通过软件下载安装，了解客户端的软件版本的安装情况，对软件产品的确定适合的版本切换计划。
• 服务可基于现场的问题反馈，可直接进行问题的解决。

坚持数字化的创新

是企业实现大规模定制化生产的必由之路

采用现代管理模式将信息化技术与制造技术相结合达到改善制造企业营销、研发和制造各环节的运作效率。通过产品的设计创新，管理创新，制造技术创新以及企业协同关系的创新从而全面提升企业的核心竞争力。数字化转型是企业创新能力的体现，也是企业转型的必由之路。但智能化决不是单纯的制造的自动化，真正的智能化是在智能设计方式下通过设计数据驱动的柔性制造,是企业的软实力。以订单执行过程为主线建立客户、研发、制造、采购、交付紧密的协同，通过数字化的手段对业务过程进行跟踪、控制。确保订单执行过程中业务操作的透明度，及企业对订单问题处理的响应的及时性。

实现产品的批量化定制生产方式的转移，核心是要构建订单驱动的能力,从订单执行流程的表面来看，制造部门是订单流程的核心，但真正能够提升制造柔性的是研发设计。基于MBD的数据定义及DFM的设计方法，设计仿真技术的应用使得研发的设计结果可以直接满足加工设备端的数据需求，直接将设计与制造设备对接，减少导入过程中制造人员的人工干预。

智能制造的兴起，给传统制造业带来了新的机遇，但很多企业分不清智能制造和制造自动化的区别，纷纷投入大量的资金和人力在产线自动化设备的建设上，但如果没有智能设计的实施，设备的自动化只能成为摆设，无法实施真正的智能化生产。

数字化企业的基础是数字化的信息的建设，没有标准化、科学化的数据管理架构，严谨的数据治理的机制，任何数字化的功能都只是空中楼阁，中看不中用，

建立以客户为中心的智能化生产方式，必须建立企业的设计创新、业务创新、制造创新的软实力。这些能力没有办法直接照搬照抄，要脚踏实地，逐步摸索，同时还要长期坚持培养扎根企业的专家团队。维谛技术经过多年的摸索和实践，形成了适用于企业的路线规划和实施方法，也取得了很大的成效，但距离企业的目标还有很大的差距，但企业坚信努力的方向是正确的，需要的是砥砺前行不懈的努力和持续的投入。（本文完）