以数字化制造与创新平台引领制造业高质量发展

发布时间：2023-06-16 浏览次数：421 来源：数字化企业

当前，越来越多的国家把发展数字化制造作为推动传统产业改造升级的重要途径，积极推动新一代信息技术和制造业深度融合。在对数字经济的探索中，国内制造企业在数字化、智能化业务场景方面正走在世界前列。中国市场规模大、产业环境复杂等特性促使用户选择极具特性的个性化需求，以适配国内日益变化的消费环境。

◎ 文/ e-works评测小组

所谓数字化制造，是以信息和知识的数字化为基础，以现代信息网络为主要载体，运用数字化、智能化、网络化技术来提升产品设计、制造和营销的全新制造方式，包括数字化设计、数字化工艺、数字化加工、数字化装配、数字化管理等。发展数字化制造是培育制造业发展新动能的重要一环，在新一轮科技革命和产业变革加速发展的背景下，数字化制造的应用，能够促进制造业产业链各个环节的高度融合，显著加快战略性新兴产业的技术创新步伐，缩短产品上市周期，为制造业高质量发展带来新活力。

发展数字化制造，必须坚持问题导向，找准着力点，精准施策。研发设计作为数字化制造的源头，也是企业的核心竞争力之一。打造数字化制造与创新平台可以帮助企业在虚拟环境中研发设计产品，在被投入车间正式生产之前，可以在虚拟环境中进行工艺规划、工艺设计和工艺仿真。制造企业在产品设计完成后，可以通过数字化制造技术来验证产品设计和制造的可行性，结合产品的工艺特征在虚拟环境下系统地规划整条生产线布局，利用最新的衍生式设计完成产品结构定型并规划工艺路线、生成加工方法等。

在国内制造业低成本比较优势逐步减弱的背景下，要进一步提高产业发展质量，重塑竞争优势，就必须强化打造企业数字化制造与创新平台，促进新产品、新业态、新模式的涌现，为制造企业高质量发展带来新活力。对此，企业除了积极利用专业研发设计软件解决问题，还需要借助计算能力更强、能长时间稳定可靠运行的专业硬件支撑，拥有强大的数据运算与图形、图像处理能力的工作站无疑是企业研发创新之路上的最佳伴侣。

表1. 惠普Z8 G5 台式工作站配置表

本次评测选取数字化制造在研发设计和生产工艺规划的主要应用场景，包括实体建模与装配、工艺仿真、机电一体化设计、仿真分析，衍生式设计等，结合惠普Z8 G5台式工作站（具体配置见上表1），基于欧特克Fusion（试用版）进行评测，验证其对于数字化制造的支撑和促进作用。

图1. 惠普Z8 G5 台式工作站

本次测试模型选取为某公司产品装配体模型（仅供测试学习使用），零件数量为7,413pcs，属于中型装配体模型。结合制造行业实际应用场景，评测将尽可能的模拟真实应用环境，旨在为大家呈现出真实的数据表现。

#01

实体建模与装配

数字化制造离不开对产品的三维实体建模与装配，这同时也是企业后期开展产品创新、虚拟验证的基础。评测小组基于欧特克Fusion平台，将评测环节分为数据载入和模型显示两个阶段，数据载入阶段主要考验工作站内存处理能力，而模型显示阶段则更加注重CPU和GPU的运算能力。在本次测试中，模型的数据载入时间用时较少，相较于一般高性能PC动辄半小时，且容易出现因模型零件数过大而程序无法响应的情况而言，惠普Z8 G5 台式工作站能够流畅的完成载入工作，整体载入时间为8分10秒，凸显出惠普Z8 G5 台式工作站强大、稳定的工作性能。

图2. 模型载入示意图

在模型显示阶段，可见产品完整清晰的显示效果。为了进一步验证惠普Z8 G5 台式工作站性能，测试小组对模型进行了旋转、拖动、缩放、零件定位等一系列基本操作，鼠标指针均能够在复杂的环境下快速定位设计区域，轻松的对模型各部位进行编辑，测试过程中各项操作均未出现延迟的现象，画面流畅度令人满意。

图3. 模型剖切测试示意图

值得一提的是，在三维设计过程中，模型未完成装配和渲染之前都将以线框模式显示。为了保证线条边缘的光滑，模型在旋转、拖动的过程中都需要CPU和GPU进行大量的计算工作，对线条进行矢量化处理，以保证线条边缘不会出现锯齿状边缘现象。在本次测试中，评测小组基于惠普Z8 G5工作站对模型进行草图绘制/转换以观察线条的边缘光滑度，并未出现明显的锯齿状边缘，且拖动、旋转、缩放、编辑等过程都十分流畅。

图4.草图设计示意图

#02

工艺仿真

数字化制造中的工艺仿真过程是连接设计与制造的桥梁，为帮助生产人员对产品的工艺过程有更直观的了解，并对产品的加工制造过程进行虚拟验证，需要借助三维数字化工艺手段来进行全过程的展现。

图5. 工艺仿真规划示意图

工艺仿真对硬件的性能需求体现在较强的三维实时图形建模、几何计算和渲染能力，要保证整个工艺规划和验证过程的流畅，避免出现因计算能力不足、内存空间太小等问题导致系统卡顿、死机等情况。本次评测小组凭借搭配高性能GPU的惠普Z8 G5台式工作站，对刀具加工的工艺仿真过程进行了模拟，整个工艺仿真过程耗时仅需46分钟，仿真过程刀具运行轨迹清晰流畅，刀具切换无卡顿现象产生，对于7,413零件数的模型而言能够稳定、快速完成求解任务，大幅缩短研发设计人员的处理等待时间，提升了企业研发效率。

#03

机电一体化设计

机电一体化设计是企业研发创新中的重要环节，研发工程师会在产品设计的同时进行仿真渲染，将产品设计、电气原理图设计、仿真、渲染等步骤合并，其中会涉及到多层线路图的布置，尤其在渲染输出阶段非常依赖GPU，属于设计阶段比较耗费硬件性能的场景。为了测试惠普Z8 G5台式工作站在机电一体化设计方面的应用效果，评测小组将三维PCB布局图与电气原理图进行了转换，更新过程并无卡顿，整体操作十分流畅。

图6. 机电一体化设计示意图

在机械制造过程中应用机械制图,可以促使技术人员全面了解产品的实际制造过程。因此除电气部分外，机械工程制图在实际研发制造场景中应用较多。对此，评测小组首先进行了三维模型转二维工程图测试，该过程需要将三维模型整体导入到工程图模版中，生成主视图、俯视图、左视图等不同方位的工程视图。由于导入后将产生大量的矢量线条，因此非常考验工作站的性能。经测试惠普Z8 G5台式工作站仅花费42秒，十分迅速的完成导入模型工作，对于内部结构的复杂剖切视图也能快速呈现，剖切视图等待用时仅1-2秒，基本属于无等待时间，更易于研发工程师对复杂结构进行尺寸标注等工作。

图7. 工程图设计示意图

#04

仿真分析

通过对产品仿真优化，研发工程师可以在多个现实场景中测试设计迭代，这有助于降低成本、降低物理投入和财务风险，并加快设计流程。为了测试惠普Z8 G5台式工作站对于仿真优化的处理能力，评测小组选取了模型中的一个注塑件，并采用欧特克中Moldflow进行仿真分析，仿真注塑加工过程，模拟注塑成型过程中塑件内部和外部的温度分布情况，以及塑件内部多种材质的实际流动状态。

图8. 零部件流体仿真缺陷分析示意图

通过对注塑件建立复杂网格结构，设定不同的材料和参数，将获得注塑件内部和外部的温度分布图，从而模拟出注塑件成型状态并捕获部位缺陷数据信息。进行此类CAE数据密集型运算时，十分依赖工作站的CPU处理能力、内存处理能力和高速I/O传输能力。测试过程中惠普Z8 G5台式工作站用时43分钟，这也是产品设计阶段研发工程师最为耗时的工作场景之一，面对7,413零件数的模型，惠普Z8 G5台式工作站用时不到1小时就完成了整个仿真求解工作，体现了惠普Z8 G5台式工作站的多核优势，可以在仿真的数据预处理、初始化、求解器并行求解过程各个阶段保证计算结果的快速呈现。

#05

衍生式设计

衍生式设计是在传统的CAD设计基础上，通过计算机进行应力分析和拓扑优化等方式对产品结构进行再设计，例如得到性能相同但重量更轻的结构，进一步优化产品性能。在欧特克的Fusion衍生式设计方法中，以预先定义的规则和算法作为设计起点，可以得到成千上万种设计方案，可以使研发工程师在设计早期阶段尽可能探索更多的设计可行性。测试小组以基准零件模型为样例，设定了重量，成本，材料，体积和强度等约束条件，通过惠普Z8 G5台式工作站得出超过100种衍生设计结果，整体耗时2小时24分钟，平均1种衍生设计结果，仅需1分4秒，大幅度提升了研发人员的工作效率。

图9. 零部件衍生式设计求解结果对比图（非整件）

#06

高性能渲染

通过对模型进行渲染，可以使模型以最终产品方式在现实环境中直观呈现，更加生动形象。在产品渲染的过程中两大重点：材质、灯光，都对GPU处理性能有着较高要求，并且复杂模型的渲染通常需要较长的时间，如果硬件不稳定则很容易出现渲染失败的情况。

本次测试中评测小组采用Fusion对原始模型进行直接的渲染，将参数设置为金属材质、物体本色、无纹理、表面光滑，默认光源为眼光视角。为了充分验证惠普Z8 G5台式工作站，评测小组在渲染结果生成方式处改选为逼真照片模式，此模式能够应用纹理、材料、高亮度反光和阴影，并加入了反锯齿和透明度支持，较一般渲染结果更加耗费GUP资源（渲染效果生成时间较普通模式下延长2~3倍），更能体现工作站对于渲染的真实处理能力。最终惠普Z8 G5台式工作站耗时15分钟顺利完成了整个模型的渲染工作，模型中的每一个零件都呈现清晰、真实的形态，整体栩栩如生，让研发设计人员对产品构造一目了然。

图10. 高性能渲染结果示意图

通过本次评测可以看出惠普Z8 G5台式工作站具有高性能、高稳定性和高可靠性，可以轻松驾驭数字化制造各环节对于工作站的算力需求，覆盖实体建模与装配、工艺仿真、机电一体化设计、仿真分析，衍生式设计、高性能渲染等场景，为企业实现数字化转型打下坚实的基础。

图11. 惠普Z8 G5台式工作站

（内部组件可能与图片所示不同，具体视配置而定）

值得一提的是，惠普坚信可持续发展是企业的核心竞争力所在。目前惠普正将可持续发展理念融入工作站设计、生产、制造、销售的价值链全过程，带动产业链上下游的合作伙伴共同将资源和能源的利用效率最大化，以实现全链路的节能减碳。惠普Z8 G5台式工作站也是惠普绿色节能理念的典范，采用了可持续性包装材料的同时，还具有以下特点：

◉ 不懈动力，卓越的可扩展性：可搭配2个英特尔®至强® CPU（两个CPU共计64核），2个NVIDIA RTX™ A6000或2个AMD Radeon™ Pro W6800 GPU，1TB DDR5内存、120 TB 存储，高效处理繁杂的工作流。具备7个 PCIe 插槽（最高第五代）和2个前置 NVMe SSD，支持随着工作的演进轻松扩展。

◉ 高效散热，静默无声：畅享台式工作站的非凡性能，同时告别干扰噪音。借助20个温度传感器，智能风扇控制可实时调整风扇速度，确保系统静默无声。布局合理的通风孔和通风导管能够优化气流和散热。

◉ 可靠品质，值得信任：无需担心PC在项目运行期间出现故障。惠普Z8 G5台式工作站经过了超过36万小时的严格测试，并通过了美国军工测试和ISV认证。

◉ 可持续发展，助力双碳目标：40%消费后再生塑料、25%ITE衍生闭环塑料；外置电源，90%能效；塑料衬垫含有80%的可回收成分；系统风扇含有准海洋塑料成分；包装盒内模塑纸浆衬垫为全部以可持续方式采购的可回收包装。