中国汽车制造行业与数字化制造

1、1 / 37中国汽车制造行业与数字化制造1 1引言中国的汽车制造业正处在一个机遇与危机并存的关键发展阶段。 一方 面，资金的大量投入和消费市场的持续繁荣带动了汽车制造业的迅猛发展， 20062006 年中国汽车总产量达 700700 万辆，居世界第三，汽车销量居世界第二，仅 次于美国；另一方面，汽车制造能力“大而不强”的现象非常突出，表现为： (1)(1) 整车制造资源分散。20052005 年底中国有上百家整车厂，但普遍规模很小； (2)(2) 自主创新能力欠缺。 国内制造的一些较高档次的汽车从车型设计到生产线 布置 ( ( 含设备和布局规划 ) ) 基本上都自国外引进； (3)(3) 汽车

2、产品的国际竞争力 弱，难以走出国门。随着国内市场日趋饱和，汽车利润率也将逐步降到全球行 业的平均水平，汽车厂家的生存受到严重威胁。在这种严峻形势下，国内汽车 制造企业在管理和技术上寻求革新势在必行。放眼全球，汽车工业也一直在困难和挑战中前进。供应链全球化、客 户定制化以及日益苛刻的环境与安全法规使汽车制造厂家处在一个前所未有 的不利环境之中。 为了提高核心竞争力， 许多企业都致力于学习和推广先进的 管理理念， 并与先进的制造技术及信息技术相结合来创造新价值。 在这些先进 的理念和方法中，精益生产或 JIT(JustJIT(Just InIn Time)Time) 是影响深远的常青树，基于 产品

3、生命周期管理 (PLM:(PLM:ProductProduct LifecycleLifecycle Management)Management) 策略的数字化制造 (DM:Digital(DM:Digital Manufacturing)Manufacturing) 技术则是后起之秀。今天的国外领先汽车制造公 司都在矢志不渝地推动数字化制造技术的应用，由此获得的投资回报令人鼓 舞，表 1 1 展示了几个案例 ( ( 包括整车厂和零部件供应商 ) ) 。 CIMdataCIMdata 咨询公司 的调查(2003)(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

4、加了 30%30%，重复设计减少了 65%65%，生产规划流程精简了 40%40%，平均产量增长了 15%15%数字化制造技术在国外的成功应用给国内的汽车制造厂家树立 了很好的榜样。2 / 37表 1 1 应用数字化制造带来了有目共睹的效益GOODAudi匸艺理划比以IB加快卿缸灵髙了标准化q产司甌毎四毎牛门1专呱目节酌了连3 ntft片1ft 幣个护展里企 业内支持白车谢工艺的协同设计JK22怀的工艺规划时囲;节対的不宓魏产能,节書珈的WetMKta布幵5%投赛忱用*域少吩更箕理贾用t降低10%的调试与试运忏册用；二-产生于二十世纪末的“产品生命周期管理”概念是产品数据管理向规划和制造环节的

5、延伸。以前的PDM(ProductPDM(Product DataData Management)Management)基本上只关注产品设计数据，而 PLMPLM 则要对产品整个寿命阶段的数据、技术、工艺、制 造、流程、物料、维修以及报废进行全面的管理。在 PLMPLM 集成平台上，不但设计、工艺和制造之间易于实现协同，而 且虚拟环境下的制造过程仿真分析和优化也变得更加方便。将数字化建模和仿真技术应用到规划和制造过程中，就形成了“数字化制造”。作为 PLMPLM 策略 的核心组成部分，数字化制造之所以近来逐渐引起关注，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

6、毫无意义， 并且制造过程的成本通常占总成本的 7070 沖上，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 CIMdataCIMdata 预 计，20072007 年-200-2009 9年，中国的 PLMPLM 市场每年将以 29%29%勺增长率增加，制造企 业每年在数字化制造能力方面的投资增长将超过25%25%基于 PLMPLM 的数字化制造技术在国外汽车制造公司的成功应用离不开 一些优秀软件产品的支持，比如 UGSUGS 公司的 TecnomatixTecnomatix 解决方案就已经有了 许多成功的案例。在国内，由于观念和技术上的落后，各大软件

7、公司还没能推 出成熟的国产数字化制造软件产品。随着国际汽车巨头逐步将国外实施成功的数字化制造解决方案移植 到国内的合资工厂，以及国内的工业界、软件公司和学术界对数字化制造的认 识和重视，3 / 37在未来的若干年内，国内的数字化制造市场将蓬勃发展，越来越多 的汽车制造企业也将从实施数字化制造中受益。本报告是 UGSUGS 与华中科技大学合作，在深入多家国内汽车制造企业（包括整车厂和供应商）内部进行详实调研的基础上而形成的， 其目的是为国内 汽车制造企业实施数字化制造提供指导和建议。本报告的结构如下：首先对国 内外汽车制造企业面临的压力和采取的应对措施进行了详细的分析，阐述了针对汽车行业的数字化

8、制造解决方案的内涵和特点，然后总结了实施数字化制造的需求、挑战性和实施现状，最后对未来的实施方向和实施步骤提出了若干建 议。2 2 汽车制造企业面临的挑战汽车制造企业的生存环境如图 1 1 所示，内外压力促使企业不断进行管理和技术创新，汽车制造业的整体发展趋势则给国内企业指引了前进的方 向。1 1 ）汽车制造企业面临的内外压力加入 WTOWTO 后，国际汽车巨头纷纷进入中国合资办厂，竞争的加剧使得汽车制造商面临的压力与日俱增，这些来自企业内外部的压力无疑也是企业进行变更和持续改进的源动力，它们可以大致细分为以下几种类型：_ 丁J-匚：内外压力发鹿趋舞赢別时压力用业生产、产岛臼粘的压力.1h工艺

9、H趙曩皐(瓏空雷求們压力 1V产寵逹暫的压力定单生产J豪假址和召闵压勺/政笔注規的压力彷鼻找水广奁血咼全球化制迪的压力制遥辻醉咕怡北一匸匸二图 1 1 汽车制造企业的生存环境赢利的压力 国内市场走向饱和的直接后果就是汽车产品不断降 价，这使得制造商的赢利空间日趋缩小。 国际上公认的维持一个汽车制造公司 生存的生产规模至少为 100100 万辆， 20062006 年国内还没有一家厂家达到了这样的 水平。既然通过高价来赢利已成为明日黄花，汽车厂家就只有三条出路：其一 是在扩大生产规模的前提下，加快新车型上市速度，从而提高市场占有量；其 二是想方设法地降低成本，4 / 37特别是制造成本，减少库存

10、积压，加快资金流转； 其三是制造出更高品质的汽车，早日走出国门。产品创新的压力 要实现汽车从“中国制造”到“中国创造”的 转变，关键在于创新，创新是企业长久生存的基础。创新体现在多方面，比如 产品设计创新、工艺创新、管理创新等，目前国内厂家很多还处在完全引进或 模仿学习的阶段，自主完成产品创新的能力非常有限。在目前的市场情况下， 一种新车型的生产寿命最多也就两三年， 因此要求企业拥有持续的创新产品开 发能力。顾客需求的压力 中国的汽车市场已从卖方市场变为买方市场。 顾 客的眼光越来越挑剔，个性化要求越来越多，对汽车性能 （ 安全性、油耗、驾 驶舒适性等 ）的要求越来越高。 因此汽车厂家必须推出

11、结构越来越复杂的产品， 增加配置选项，严格确保产品的质量，提高售后服务水平。产能过剩的压力 即使 20042004 年出台的汽车产业发展政策为汽 车业设立了极高的准入门槛，但 20052005 年底发改委的一份统计报告仍显示中国 汽车产能过剩 200200 万辆，并预测按照目前情况发展下去，“十一五”结束时 产能过剩将达到10001000 万辆。产能过剩的状况迫使汽车制造商在现有的生产线 上同时生产更多类型的汽车，这对生产线的柔性提出了高要求。质量保证和汽车召回制度的压力 20042004 年 1010 月，缺陷汽车产 品召回管理规定正式生效，截至 20062006 年 2 2 月的统计数据，

12、已先后有 3030 家 国内外汽车制造商实施了 4141 次主动召回，涉及车型 4848 种，共召回近 4040 万 辆车。20062006 年，全国 2222 家汽车制造厂主动召回了 2828 万辆，数量呈大幅上升。 汽车召回数量逐年递增反映了消费者对汽车质量更高的要求， 也反映了汽车工 业在数量高速增长的同时，在质量方面给生产厂家提出了更高的要求。国家政策法规的压力 中国汽车产业的政策和相关法规日趋严格， 对汽车污染排放物的规定、对汽车安全性能的规定、对产能利用率的规定（ 低于 8080的产能情况下， 不允许新建生产线 ） 、对国产比例不低于 8080的要求等 等，都给汽车厂家以很大的制约

13、。分工细化和全球化制造的压力 汽车制造企业已告别“大而全” 的年代， 整车厂家纷纷将零部件的工艺和制造包给独立的供应商， 自己则集中 力量进5 / 37行新车型的开发、四大工艺 （ 冲压、车身焊装、涂装和总装 ） 的改进以及 若干关键零部件的制造，比如发动机和变速箱等。目前，基本上8080以上的零部件制造都是供应商完成的， 因此，整车厂家必须紧密地维系和更多供应商 之间的合作关系，确保配件质量符合要求并准时供货。另外，在全球化制造越 来越明显的今天，国内的一些大型汽车制造企业比如上汽集团、奇瑞、南汽等 都在全球拥有一些研发机构或者制造工厂， 如何确保这种“多地设计， 多地制 造”环境下的协同无

14、差错工作，是汽车厂家亟待解决的难题。以上这些内外压力必然会促使汽车制造企业不断改进产品的制造过 程，提升技术含量，这带动了汽车制造技术向集成化、数字化、敏捷化的方向 发展。2 2 ）汽车制造技术的总体发展趋势汽车制造技术的创新是先进制造技术发展的缩影， 它整体上呈现出下 面的发展趋势：面向产品生命周期的精益生产 精益生产最初的目标是杜绝生产 过程浪费， 并进行持续的制造过程改进， 如今精益生产的思想已推广到整个产 品生命周期，具体体现为：通过并行工程缩短产品开发时间， 利用 DFXDFX 技术（ 面 向制造/ /装配/ /的设计）提高产品的可制造性和可装配性，减少变更；缩短生 产线布局设计和调

15、试时间；优化制造工艺，提高制造效率；缩短产品试制时间 和达到量产规模的时间；提高产品质量，实现无缺陷生产等等。制造工艺日趋复杂， 技术含量越来越高 汽车产品的设计复杂度在 不断提高， 轻量化要求也使得汽车需要使用更多种类的材料， 这相应增加了车 身焊接和总装工艺的复杂性。 一些先进的制造工艺技术比如激光焊接逐渐应用 到汽车的车身拼焊和零件焊接中来， 它具有减少零件和模具数量、 减少点焊数 目、优化材料用量、 降低重量、 降低成本和提高尺寸精度等好处。 此外，喷漆、 弧焊、点焊、装配、搬运等机器人的广泛采用也增强了技术含量。生产线的柔性和标准化程度在提高 混流生产成为生产过程的基 本特征，这对生

16、产线的布局设计和产品设计都提出了很多约束。目前，总装和 涂装工艺比较容易实现混流生产， 而白车身工艺则困难许多， 需要建立模块化 和标准化的焊接工位， 加强机器人之间的分工协作， 并采用新的工具和手段来 增加制造柔性。6 / 37个性化定单生产的普及消费者选择所喜爱的车型配置并填写定 单，厂家接到定单和预付款后再进行生产。 这种方式增加了消费者选择的余地， 能更好地满足他们的需求，并利于厂家减低现金流压力。在欧美，实现 100%100% 的定单生产正成为一种趋势。面向定单生产给汽车制造企业提出了很多挑战， 一方面，企业要提供更多的配置选项，这增加了产品的复杂性；另一方面，出 于准时交货的要求，

17、整车厂家和供应商之间的物流联系要求更严格。车间的自动化程度在提高，设备价值昂贵 以白车身生产线为例， 目前主要采用自动化手段来传输、 抓取、 夹持金属薄板并将其焊接成复杂的白 车身结构， 在夹具以及传输和夹持零件所需的自动化设备、 进行焊接作业的机 械手、验证质量所需的测量 / / 测试设备等方面投资巨大，因此必须对设备的布 局和配置进行分析优化，提高设备的柔性、运行可靠性和利用率，实现现有资 本设备的价值最大化。虚拟仿真技术的广泛采用 为了保证更好的产品设计和工艺规划 质量，要求超过 9595的实际制造过程能够被模拟和仿真，以实现制造工艺的 分析和优化、精确的设备设计和模拟、精确的生产节拍，

18、从而缩短调试与试运 行时间，减少变更的影响。制造过程的网络化 整车厂与零件制造厂分离， 组建跨地区的企业 动态联盟已成为汽车制造业产业结构调整的必然趋势。 整车厂之间、 整车厂和 供应商之间的协作交流都是通过网络来完成的， 大量的产品信息和制造信息在 网络上传递， 为了保证准时生产， 厂家之间的流程共享和互操作也变得越来越 迫切。由此可见， 国内汽车制造企业要想发展壮大， 就必须顺应汽车制造业 的这些发展趋势， 不断学习国外的成功经验， 通过采用更多先进的数字化制造 技术来提升企业竞争力。3 3 )基于产品生命周期的数字化制造是汽车制造企业应对挑战的必然选择 推广数字化应用是汽车制造企业提升核

19、心竞争力的重要手段， 数字化 的范畴远不限于数字化设备， 事实证明， 先进管理方法和先进制造技术无一例 外都需要通过数字化的途径才能发挥其最大价值。 以并行工程理念为例， 如果 不能建立产品的三维数字化模型， 要想在设计阶段验证产品的可制造性和可装 配性就非常困难，这样就不得不7 / 37试制更多成本昂贵的物理样车。此外，协同设 计、虚拟产品开发和网络制造等也都以数字化技术为基础。 和产品相关的数据 经过数字化描述后， 其优点是多方面的：其一，便于信息的管理、 一致性维护、 查询统计和重复利用；其二，便于产品和制造过程的虚拟分析和验证，有助于 优化设计方案和工艺方案；其三，便于信息的网络共享和

20、协同工作。调查显示，目前国内汽车制造企业离数字化的全面应用还有很长的距 离，人们所认识到的数字化主要体现在产品的设计阶段， 比如产品三维数字建 模(CAD)(CAD)、预装配、干涉检查与动力学分析(CAE)(CAE)、产品数据和流程管理(PDM)(PDM) 等等。数字化发展的基本方向是产品全生命周期的数字化实现， 对于汽车产品 而言，一个完整的生命周期应该包括设计、 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。然而， 实施制造过程的数字化应用即数字化制造具有相当的难度，这主要是因为： (1)(1

21、) 信息量巨大造成的数据管理困难。据通用汽车公司统计，和 产品生产过程相关的数据量是设计数据流的10010010001000 倍以上；(2)(2)需要以8 / 37全面的数字化设计为基础；（3 3）牵涉面大（涉及设计、规划、生产、物流等许 多部门），对企业的综合素质要求高，需要进行流程重组。因此，企业慎重地 选择一个优秀的数字化制造解决方案，并采取合理的实施策略是非常关键的。3 3 数字化制造的内涵及其在汽车行业中的发展现状1 1）数字化制造的内涵CIMdataCIMdata 将“数字化制造”定义为：一套支持设计和制造工程团队之 间进行协同工艺规划的解决方案，它采用最切实可行的流程，允许访问包

22、括工 具和制造流程设计在内的完整的数字化产品定义，它由一系列支持工具设计、 制造流程设计、可视化、仿真和其它优化制造过程所必须的分析活动的工具集 组成。更广义的“数字化制造”概念是指将数字技术应用于产品的工艺规划和 实际的制造过程中，通过信息建模、仿真分析和信息处理来改进制造工艺，提 高制造效率和产品质量，降低制造成本所涉及的一系列活动的总称。数字化制造的内涵可理解为 DP4RDP4R 即数字化产品定义（ProductProduct）、数 字化工艺流程规划（ProcessProcess）、数字化工厂布局规划（PlantPlant）、车间生产数字化 管理（ProductionProduction

23、）和数字化制造资源（ResourceResource），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。报捷it理 与循坏利用图 2 2 汽车产品生命周期中的数字化制造如图 2 2 所示，数字化制造跨越了产品生命周期的产品设计、工艺规 划、工艺分析验证、产品制造、质量保证等多个阶段。目前，国际上只有少数 顶尖的软件公司有能力提供完整的数字化制造解决方案。2 2 ）国外领先汽车制造企业数字化制造应用成果展示工艺验证分析汽車产爵的生址周期虞*验证9 / 37到目前为止，数字化制造已经在国外领先汽车制造企业中得到了普遍 应用，调查显示，全球前 1515 大汽车

24、制造企业都在不同范围内采用了数字化制 造解决方案，并获得了降低规划成本、提高规划质量、加快规划时间等多方面 的投资回报。数字化制造给国外汽车制造企业带来的效益如表2 2 所示。表 2 2数字化制造在国外汽车行业内的价值体现价值占八、价值体现案例及时发现并纠正错误产品设计缺陷或者工艺 失误，如果在实际生产过 程中才被发现，代价通常 非常昂贵，利用数字化制 造技术，可以在虚拟环境 里对产品的可制造性和 可装配性、制造流程的合 理性、生产线的效率等进 行仿真分析和验证，从而 及时发现并纠正错误DaimlerChryslerDaimlerChrysler 公司在汽 车装配之前的仿真，节省了 操作时间，

25、优化了工艺，并 使得工艺几乎达到 100100%准 确提高 最佳 知识的可 重用在数字化环境下，已存在 的最佳知识很容易被共 享和重复利用，比如产品 设计、工艺规划和生产线 设计等等通用汽车重用了 8080 %的发 动机生产设备模型，节省了 大量的时间和投资10 / 37性鼓励设计/ /工艺方案的创新由于调整数字模型的代 价小，因此工程师可以通 过不断尝试去寻求和验 证更佳的工艺方案，而在 传统的物理环境中，由于 变化的风险很大，因此工 程师经常拘泥于所认同 的经验，而不敢做创新性 的修改通过数字化工具，在不增加 成本的前提下，大众公司利 用更多的优化方法，使数据 模型更加精确和优化减少变更过

26、多的变更不但加长了 产品开发时间和试制时 间，而且增加了成本。采 用数字化制造后，提咼了 设计和工艺的一次成功 率”变更大大减少通用公司预计通过数字化制造能减少约 6060%的工程变更减少物理样机的数量试制物理样机的目的在 于检杳可制造性和可装 配性，并借助试验来验证 汽车的性能，利用数字化 制造技术后，很多分析和 验证工作都可以通过数 字样机来完成DaimlerChryslerDaimlerChrysler 的数字化 样机比物理样机更为有效，不但大大降低了成本，而且 有助于加快产品上市速度有利于并行工在数字化环境下，从设计开始到汽车上线之间的许多工作都更容易并行丰田公司通过并行工程，减 少从设计定型到开始生产 时间的 2/32/3,现只需 1313 个月11 / 37作的开展开展，这自然大大加快了新产品上市速度生产线设计更加优化生产线布局之前，在虚拟 环境中不断分析、验证和 改进设计方案，这样生产 线规划的质量就大大优 化并减少了许多实施后 调整工作所带来的损失大众公司的每个白车身项目节约了 $2.5M$2.5M 资金，3 3 年的预算削减了 $30M$30M制造过程的优化工艺规划人员为产品设 计人员提供