工业4.0实战：装备制造业数字化之道

德国“工业4.0”实现组领军企业 西门子中央研究院、西门子工业软件权威解密

西门子数字化工厂全球样板的实战经验和核心技术

国内企业解决“工业4.0”个性化大生产时代如何成功转型、如何实现生存和发展、如何落地的实战指南

自2012年以来，全球主要工业国的产业界、学术界、政府对“工业4.0”描绘的宏大愿景迅速达成某种程度的共识，除德国外，中国制定的“中国制造2025”，美国主张的“工业互联网”，各种相关文章、研讨、研究、试验等令人目不暇接。众多制造业企业感觉到，在新一轮工业革命中，现有的成功产品、业务模式和市场地位可能无法继续，急需解决如何在“工业4.0”个性化大生产时代成功转型、如何实现生存和发展、“工业4.0”如何落地等问题。

“工业4.0”的必由之路是打造数字化企业，即利用广泛的无缝连接技术，将数字化产品的使用和运行数据持续反馈给产品创新部门，驱动新的创意产生，并提供无限的创意素材。有了伟大的产品设计，还需要高效、高质量、灵活和快速地交付产品，所以必须采取一体化的整体思路，在产品创意设计、生产制造、运行使用等方面实行全面数字化和自动化，这样才能快速实现个性化创新到交付的高速迭代，持续满足客户的个性化多变需求，储备强大的可持续发展的竞争力。这正是本书阐述的核心内容。

实现“工业4.0”是一个长期的进程，需要全产业链整体提升：企业转型为数字化企业、工厂转型为自组织生产的数字化工厂、产品转型为数字化产品，并通过自动化、数字化、人工智能技术的深入应用，革命性地提升生产率。其中，建设基于模型的数字化企业(Model Based Enterprise)是每一家装备制造业企业迎接“工业4.0”时代的必修功课。

本书的作者均来自德国西门子工业软件公司和西门子中央研究院，是名副其实的建设数字化企业的实战派，主要执笔人在西门子工作达20年左右，有丰富的工作经验。

作为世界最大的工业技术公司和世界领先的自动化、工业软件提供商，西门子在今天已经为“工业4.0”的全面实现打下了坚实基础。工业软件创新将在“工业4.0”实施中起到决定性作用，尤其在实施产品生命周期和生产生命周期的整合、实现研发与生产的全面优化等方面。西门子工业软件公司拥有世界最齐全、应用最为广泛的“数字化企业软件套件”，涵盖数字化设计、仿真、试验、制造和执行软件，在全球拥有700多万用户。同时，西门子自身是一个制造业公司，拥有约300家工厂，涉及中国、德国乃至全球范围，在产品/工厂全生命周期方面更是精益求精，其中西门子工业自动化产品——德国安贝格+中国成都数字化工厂堪称全球样板。

本着“理论与实践相结合，科学性与通俗化，系统性与模块化，前瞻性与可实施性相结合”的原则，本书内容分为愿景篇、方案篇和实践篇。愿景篇主要包括“工业4.0”——制造业的未来、企业实施MBD 的实践与挑战、西门子MBE 解决方案综述等内容；方案篇主要阐述基于模型的系统工程、三维产品设计、机电一体化系统工程、全生命周期质量管理、工装设计、零件工艺、装配工艺、质量检测、作业指导书、制造执行管理、实物样机测试、MBE 供应链和数字化服务管理、复杂产品的构型管理等实践解决方案；实践篇包括众多实际案例的背景、问题解决过程、采取的方案，以及取得的效果，还包括了西门子自身的样板工厂介绍。

本书主要受众是装备制造业企业的有关领导、负责数字化和自动化的架构师、实施人员，以及研究机构、大专院校，还有对“工业4.0”、“中国制造2025”、“智能制造”、“数字化制造”、产品全生命周期管理（PLM）、制造操作系统（MOM）或制造执行系统（MES）有兴趣的各界人士。

西门子工业软件公司

始终致力于为中国用户提供领先的技术与服务，帮助中国企业加快创新产品设计，降低开发成本，提升其市场竞争实力，加速实现数字化制造。” 西门子数字化工厂集团旗下机构Siemens PLM Software是全球领先的产品生命周期管理（PLM）和生产运营管理（MOM）软件、系统与服务提供商，拥有900万套已发售软件，全球客户数量达77000家。公司总部位于美国德克萨斯州普莱诺市。Siemens PLM Software与企业客户充分合作，为其提供领先的行业软件解决方案，帮助其通过革命性创新获得可持续性竞争优势。欲详细了解Siemens PLM Software的产品和服务，敬请访问： www.siemens.com.cn/plm。

序

致　谢

愿　景　篇

第1章　“工业4.0”——制造业的未来 3

1.1　第四次工业革命——“工业4.0” 3

1.2　中国制造2025规划 7

1.2.1　中国制造2025的五项重大工程 7

1.2.2　中国制造2025的九大任务 7

1.3　西门子的“工业4.0”最佳实践 8

1.4　西门子助力中国“工业4.0” 9

第2章　从MBD走向MBE 11

2.1　概述 11

2.1.1　基于模型的工程MBe 13

2.1.2　基于模型的数字化制造MBM 15

2.1.3　基于模型的维护MBS 16

2.2　中国企业实施MBD的实践与挑战 20

2.2.1　MBD技术应用状况 20

2.2.2　MBD技术对产品研发模式的影响 23

2.2.3　MBD实现的挑战与对策 25

2.2.4　MBD的实施建议 27

2.3　MBD标准规范及在西门子软件系统中的实现 29

2.3.1　ASME Y14.41简介 29

2.3.2　ISO-16792简介 30

2.3.3　GBT 24734-2009简介 30

2.3.4　基于西门子软件的MBD规范 32

2.3.5　基于西门子软件的MBD应用系统 33

2.4　西门子MBE解决方案综述 43

2.4.1　引言 43

2.4.2　西门子MBE解决之道 44

2.4.3　西门子MBE解决方案 47

2.4.4　西门子MBE解决方案的价值定位 60

方　案　篇

第3章　基于模型的系统工程解决方案 65

3.1　业务挑战 65

3.2　解决方案 66

3.3　价值定位 74

第4章　基于模型的三维产品设计解决方案 75

4.1　MBD模型定义的挑战 75

4.2　MBD模型定义的解决方案 76

4.3　价值体现 88

第5章　基于模型的设计分析应用解决方案 90

5.1　设计分析业务挑战 90

5.2　解决方案 90

5.3　价值体现 92

第6章　基于模型的机电一体化系统工程解决方案 100

6.1　业务挑战 100

6.2　解决方案 101

6.3　价值定位 106

第7章　基于模型的验证管理解决方案 107

7.1　验证管理的业务挑战 107

7.2　解决方案 109

7.2.1　仿真数据流程管理方案概览 110

7.2.2　1D系统行为模型数据管理方案 111

7.2.3　3D仿真数据流程管理方案 114

7.2.4　试验数据流程管理方案概览 119

7.3　价值体现 124

第8章　基于模型的全生命周期质量管理解决方案 125

8.1　业务挑战 125

8.2　解决方案 126

8.2.1　Tecnomatix VATM 127

8.2.2　NX CMM 130

8.2.3　尺寸规划和验证DPV 133

8.3　价值体现 136

第9章　基于模型的工装设计解决方案 138

9.1　业务挑战 138

9.2　解决方案 139

9.2.1　愿景目标 139

9.2.2　系统构架 140

9.2.3　应用场景 149

9.3　价值体现 151

第10章　基于模型的零件工艺解决方案 152

10.1　业务挑战 152

10.2　解决方案 153

10.3　价值定位 160

第11章　基于模型的装配工艺解决方案 162

11.1　业务挑战 162

11.2　解决方案 163

11.3　价值定位 170

第12章　基于模型的数字化制造——质量检测解决方案 172

12.1　业务挑战 172

12.2　解决方案 173

12.3　价值体现 178

第13章　基于模型的作业指导书解决方案 179

13.1　业务挑战 179

13.2　解决方案 180

13.3　价值体现 183

第14章　基于模型的制造执行管理 185

14.1　业务挑战 185

14.2　解决方案 186

14.3　价值体现 196

第15章　基于模型的实物样机测试——集成的振动噪声及疲劳耐久性解决方案 197

15.1　业务挑战 197

15.2　解决方案 197

15.3　应用领域 201

15.4　价值体现 202

第16章　基于模型的MBE供应链管理 204

16.1　业务挑战 204

16.2　解决方案 204

16.3　价值体现 211

第17章　基于模型的MBE数字化服务管理 212

17.1　业务挑战 212

17.2　解决方案 212

17.3　价值体现 217

第18章　复杂产品的构型管理解决方案 218

18.1　构型管理概述 218

18.1.1　构型管理的发展史 218

18.1.2　构型管理的名词和性质 219

18.1.3　构型管理与其他系统的管理 219

18.1.4　构型管理的研究主题 219

18.2　解决方案：业务流程和构型管理方法 220

18.2.1　构型管理业务组成 220

18.2.2　产品结构的建立和层级的划分 221

18.2.3　产品结构的设计原则 222

18.2.4　构型项的定义 222

18.2.5　有效性和构型管理 223

18.2.6　变更管理 224

18.2.7　产品结构的演变 224

18.3　解决方案：构型在Teamcenter系统中的实现 225

18.3.1　真正的全生命周期平台 226

18.3.2　最佳的产品配置器 226

18.3.3　符合CMII的更改管理 228

18.3.4　端到端的关联与追溯 229

18.3.5　MBD模型的单一数据源 230

18.4　效益 231

实　践　篇

案例一　西门子EWA数字化工厂 235

案例二　中国燃气涡轮研究院：动力源于内在数据有效管理 241

案例三　黎明公司的新产品开发引入了精益计划 244

案例四　BAE：加快英国陆军野战队急需的功能强化和紧急变更 247

案例五　Teamcenter助力奇瑞获取更大市场份额 251

案例六　海尔集团借助Teamcenter加快创新步伐 254

案例七　沃尔沃航空发动机公司利用NX知识驱动自动化技术打造产品优势 257

案例八　ATK通过标准化的PLM战略推进MBE能力建设 259

案例九　皮拉图斯飞机有限公司利用MBD技术实现并行工程 264

案例十　苏霍伊设计局基于Teamcenter/NX实现全面的数字化样机研发模式 266

案例十一　BSH公司PLM应用实践 270

案例十二　福特汽车公司利用Teamcenter仿真过程管理快速取得成效 277

缩略语 284