中国汽车制造行业与数字化制造1.docx

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中国汽车制造行业与数字化制造1

中国汽车制造行业与数字化制造

 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，2006年中国汽车总产量达700万辆，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）整车制造资源分散。

2005年底中国有上百家整车厂，但普遍规模很小；

（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）汽车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（JustInTime）是影响深远的常青树，基于产品生命周期管理（PLM:

ProductLifecycleManagement）策略的数字化制造（DM:

DigitalManufacturing）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展示了几个案例（包括整车厂和零部件供应商）。

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%。

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。

表1应用数字化制造带来了有目共睹的效益

    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延伸。

以前的PDM（ProductDataManagement）基本上只关注产品设计数据，而PLM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PLM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PLM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CIMdata预计，2007年-2009年，中国的PLM市场每年将以29%的增长率增加，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%。

    基于PLM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UGS公司的Tecnomatix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，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UGS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．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）汽车制造企业面临的内外压力

    加入WTO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：

图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100万辆，2006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，特别是制造成本，减少库存积压，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2004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2005年底发改委的一份统计报告仍显示中国汽车产能过剩200万辆，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1000万辆。

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——2004年10月，《缺陷汽车产品召回管理规定》正式生效，截至2006年2月的统计数据，已先后有30家国内外汽车制造商实施了41次主动召回，涉及车型48种，共召回近40万辆车。

2006年，全国22家汽车制造厂主动召回了28万辆，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80％的产能情况下，不允许新建生产线）、对国产比例不低于80％的要求等等，都给汽车厂家以很大的制约。

    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80％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）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DFX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。

    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%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，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95％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，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）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）、预装配、干涉检查与动力学分析（CAE）、产品数据和流程管理（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）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100～1000倍以上；

（2）需要以全面的数字化设计为基础；（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．数字化制造的内涵及其在汽车行业中的发展现状

    1）数字化制造的内涵

    CIMdata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DP4R，即数字化产品定义（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。

图2汽车产品生命周期中的数字化制造

    如图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）国外领先汽车制造企业数字化制造应用成果展示

    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15大汽车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所示。

    表2 数字化制造在国外汽车行业内的价值体现

价值点

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

DaimlerChrysler公司在汽车装配之前的仿真，节省了操作时间，优化了工艺，并使得工艺几乎达到100％准确

提高最佳知识的可重用性

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80％的发动机生产设备模型，节省了大量的时间和投资

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，提高了设计和工艺的“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60％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查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

DaimlerChrysler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

有利于并行工作的开展

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开展，这自然大大加快了新产品上市速度

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2/3，现只需13个月

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资金，3年的预算削减了$30M

制造过程的优化

工艺规划人员为产品设计人员提供制造过程的计算机仿真手段，通过仿真识别制造瓶颈以及设备利用率低下等问题，能够更好地利用制造设备，减少机器加工和待工时间；在做出采购决定之前对新工具和制造过程进行仿真

GETRAGFORD使用了仿真软件后，只用一个夹具就可制造离合器，而以前要三个夹具。

仅此一项，零件的制造成本降低了10％，生产规划效率也提高了18％

装配序列和装配工步的优化

通过数字化制造环境下的虚拟装配分析，不但装配序列的可行性得到了验证，而且生产线的平衡也更容易实现

福特公司将新车投产的计划周期减少了50%的时间，并减少了5%的投资成本

有助于通过生产重组来提高生产效率

在软件平台中设计和分析生产过程，以虚拟方式评估备选布局及物流方案，在变动生产布局前对变动结果进行预测。

这样在搬迁或整合工厂时，生产重组过程就变得简单而可靠

MACK卡车公司只花了14个月时间就完成工厂整合，避免了无效的生产布局调整，节约了数百万美元

方便通讯和信息交流

工厂、规划、生产、物流等制造信息实现了电子化管理，大大方便了数据的共享和流程互操作，不但工厂之间，而且整车厂和供应商（零部件供应商、生产线制造商等）之间的信息交流都变得更加方便

马自达公司采用数字化制造后，在发动机生产线设计过程中，与生产线制造商的之间商讨时间减少了48%

提高生产的柔性

通过生产线的柔性设计，在一条生产线可以生产更多类型的汽车，从而大大提高了生产线的利用率，并大幅节约成本、缩短时间，在开发新车的过程中获得更多回报

在福特的Dearborn卡车工厂，所有型号使用80%相同的工艺，生产线成本降低10%，生产线改造节省55%

供应商提高应对挑战的能力

标准化的过程使规划效率提高；跨部门间实现更好的协作；数据流贯穿开发和规划阶段，生产响应速度更快，能更好地满足客户需求

HELLA用同等数量的规划人员换来了更高的规划质量以及更高的生产质量

    由此可见，数字化制造在国外的实施成效是非常显著的，这给国内汽车制造企业实施数字化制造提供了很大的吸引力和许多可以借鉴的经验。

    3）国内汽车制造企业中数字化制造的认知及应用现状

    除部分合资公司以外，国内大多数汽车制造企业接触到“数字化制造”这个概念的时间还不长，因此对“数字化制造”的认识还停留在初级阶段，表3列举了我们的一些调查结果。

    表3 国内汽车制造企业对数字化制造的认识及问题分析

问题点

企业的认识或现状

我们的分析

“数字化制造”的起始点和主要内容

数字化制造的起点是开始工艺规划的时刻，终点是产品正式批量生产，主要指在计算机中进行的虚拟制造工作，包括可制造性的仿真分析、生产线虚拟规划等等

数字化制造作为产品生命周期过程的一部分，其范围不仅限于工艺规划，也包括设计过程中的工艺性评价、生产管理和质量的分析验证等阶段

“数字化制造”和“CAD/CAM的关系

认为数字化制造中的工艺仿真分析就是或类似于在CAD/CAM中进行的拆装分析和装配干涉检查以及NC代码生产等等

数字化制造中的工艺仿真是在一个由工厂产品、工艺和资源构成的平台上进行的，相比CAD/CAM而言这显然更接近于真实的制造环境

“数字化制造”和“CAPP”的关系

一般都应用了国产CAPP软件，CAPP在工艺信息管理和工艺报表输出方面发挥了积极作用，因此觉得数字化制造的意义不大

CAPP不支持三维平台，且不具备工艺分析和验证功能（运动干涉检查、可接近性和可装配性检验、机器人运动路径优化和离线编程等），因此CAPP无助于工艺优化和改进

对于在三维环境下进行工厂设计和生产线布局优化的重要性认识不足

开发了一种新车型后，一般需要对现有的生产线进行工位调整或者引进新的生产线，目前这些工作基本上都是在二维环境下进行的，也能较好的完成工作

为确保设计的合理性，需要在有丰富经验工程师的参与下进行多轮次的评审和修改，周期一般在半年以上。

如果在三维平台上开展这些工作，不但通过可视化而加快了设计速度，而且可以通过仿真的手段及时发现错误

对制造执行系统（MES）的认识停留在初级阶段

认为MES是一种位于ERP与底层设备自动控制系统（DCS）之间的、面向车间层的管理系统，仅关注如何从设备自动化的角度去提高生产效率并解决生产线上的瓶颈问题

除了连接ERP和DCS的功能之外，MES更是企业整个PLM战略的重要一环，它管理着所有的车间级生产活动的实时记录和数据，在PLM中扮演承前（设计、工艺）启后（服务、维护）的角色，是实施企业协同必不可少的环节

对数字化制造的价值认识停留在感性阶段

数字化制造技术虽已在国外汽车公司广泛应用，但在国内还是一个新生事物，鲜有成功案例，汽车公司对数字化制造的价值认识停留在感性阶段，缺乏真实体验

汽车制造企业一方面对它心驰神往，另一方面又对自己的信息化基础和人员素质缺乏自信，不清楚应如何实施数字化制造，不清楚实施数字化何时才能见效，也不清楚数字化制造到底能给企业带来多大的实际利益

    为了加快新产品上市速度、提高产品质量并降低生产成本，国内的汽车制造企业正在积极学习国外同行先进的管理理念和技术手段，比如并行工程、产品生命周期管理、精益制造、全面质量管理、六西格玛等等。

下面列举了国内三类典型的汽车制造企业，可以看出，它们的在制造技术（含数字化制造）应用方面的发展现状存在一定的差异。

    合资整车企业——典型代表是一汽大众、上汽大众、上海通用等，它们是国内汽车制造的龙头企业，其特点和现状如下：

（1）人员素质高，工厂设备先进，生产线自动化程度高；

（2）较好地掌握了国外先进的管理经验，精益制造、准时生产、全面质量管理等管理策略实施得比较成功；（3）所生产的大部分车型是从国外引进的（可能已经销售过），设计和工艺比较成熟，因此在投产前需要自主改进的地方不多，变更较少。

近几年，它们获得了对部分老车型的自主改型设计权利，并积极参与到一些新车型的全球化设计开发中来，因此公司在设计和工艺方面的能力正在逐步提高；（4）普遍缺乏自主的工厂规划设计能力，生产线一般从国外引进，在国内进行安装和调试，此时需要进行一些工艺规划的调整和优化工作；（5）生产过程中质量检测手段比较先进，质量控制严格；（6）一般都从国外母公司引入了信息系统，比如文档管理系统、工程变更管理系统、产品配置系统、生产管理系统等等。

    自主品牌整车企业——国内有相当数量的自主品牌整车企业，它们分布在轿车、卡车、微型车、商务车、客车等多个领域，典型企业如奇瑞、江淮和吉利等。

这些企业的境况如下：

（1）除了少量领先企业外，大部分企