數(shù)字化工廠及關(guān)鍵技術(shù)研究

孫柯?趙洋

摘要：數(shù)字化工廠是企業(yè)數(shù)字化輔助工程新的發(fā)展階段，包括產(chǎn)品開發(fā)數(shù)字化、生產(chǎn)準(zhǔn)備數(shù)字化、制造數(shù)字化、管理數(shù)字化、營銷數(shù)字化。除了要對產(chǎn)品開發(fā)過程進行建模與仿真外，還要根據(jù)產(chǎn)品的變化對生產(chǎn)系統(tǒng)的重組和運行進行仿真，本文重點就數(shù)字化工廠及關(guān)鍵技術(shù)做一探討和分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠；關(guān)鍵技術(shù)；制造數(shù)字化

數(shù)字化工廠是以制造產(chǎn)品和提供服務(wù)的企業(yè)為核心，由核心企業(yè)以及一切相關(guān)聯(lián)的成員構(gòu)成，使所有運營信息數(shù)字化的動態(tài)“組織”。通過數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)有效地組織控制人流、物流、資金流和信息流，實現(xiàn)組織內(nèi)部所有成員之間的高度協(xié)作和資源共享，為客戶提供滿意的產(chǎn)品和服務(wù)。而數(shù)字化工廠工作流管理系統(tǒng)作為數(shù)字化工廠信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是協(xié)調(diào)數(shù)字化工廠成員內(nèi)部、成員相互間的各項活動的具體執(zhí)行者。數(shù)字化工廠是指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計算機仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時具有其鮮明的特征。它的出現(xiàn)給基礎(chǔ)制造業(yè)注入了新的活力，主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的橋梁。

一、數(shù)字化工廠概述

數(shù)字化工廠（DF）以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。在設(shè)計部分，CAD和PDM系統(tǒng)的應(yīng)用已相當(dāng)普及；在生產(chǎn)部分，ERP等相關(guān)的信息系統(tǒng)也獲得了相當(dāng)?shù)钠占?，但在解決“如何制造→工藝設(shè)計”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，大部分國內(nèi)企業(yè)還沒有實現(xiàn)有效的計算機輔助治理機制，“數(shù)字化工廠”技術(shù)與系統(tǒng)作為新型的制造系統(tǒng)，緊承著虛擬樣機（VP）和虛擬制造（VM）的數(shù)字化輔助工程，提供了一個制造工藝信息平臺，能夠?qū)φ麄€制造過程進行設(shè)計規(guī)劃，模擬仿真和治理，并將制造信息及時地與相關(guān)部分、供應(yīng)商共享，從而實現(xiàn)虛擬制造和并行工程，保障生產(chǎn)的順利進行?！皵?shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)通過同一的數(shù)據(jù)平臺，通過具體的規(guī)劃設(shè)計和驗證預(yù)見所有的制造任務(wù)，在進步質(zhì)量的同時減少設(shè)計時間，加速產(chǎn)品開發(fā)周期，消除浪費，減少為了完成某項任務(wù)所需的資源數(shù)目等，實現(xiàn)主機廠內(nèi)部、生產(chǎn)線供給商、工裝夾具供給商等的并行工程。數(shù)字化工廠（DF）是企業(yè)數(shù)字化輔助工程新的發(fā)展階段，包括產(chǎn)品開發(fā)數(shù)字化、生產(chǎn)準(zhǔn)備數(shù)字化、制造數(shù)字化、管理數(shù)字化、營銷數(shù)字化。除了要對產(chǎn)品開發(fā)過程進行建模與仿真外，還要根據(jù)產(chǎn)品的變化對生產(chǎn)系統(tǒng)的重組和運行進行仿真，使生產(chǎn)系統(tǒng)在投入運行前就了解系統(tǒng)的使用性能，分析其可靠性、經(jīng)濟性、質(zhì)量、工期等，為生產(chǎn)過程優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)制造提供支持。

二、數(shù)字化工廠的關(guān)鍵技術(shù)

通常研究的制造系統(tǒng)是非線性離散化系統(tǒng)，需要建立產(chǎn)品模型、資源模型制造設(shè)備、材料、能源、工夾具、生產(chǎn)人員和制造環(huán)境等、工藝模型工藝規(guī)則、制造路線等以及生產(chǎn)管理模型系統(tǒng)的限制和約束關(guān)系。數(shù)字化工廠是建立在模型基礎(chǔ)上的優(yōu)化仿真系統(tǒng)，所數(shù)字化建模技術(shù)是數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)。隨著虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，在計算機中進行產(chǎn)品零件的三維造型、裝配分析和數(shù)控加模擬技術(shù)以及以上程分析技術(shù)不斷發(fā)展和完善，這種技術(shù)進一步向制造過程領(lǐng)域發(fā)展。數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上，對制造系統(tǒng)進行運動學(xué)、動力學(xué)、加工能力等各方面進行動態(tài)仿真優(yōu)化。隨著三維造型技術(shù)發(fā)展，三維實體造型技術(shù)已得到普遍的應(yīng)用。具有沉浸性的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使用戶能身臨其境地感受產(chǎn)品的設(shè)計過程和制造過程，使仿真的旁觀者成為虛擬環(huán)境的組成部分。數(shù)字化工，軟件模塊之間以及和其他軟件模塊之間的信息交換和集成。虛擬環(huán)境的下具集、各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具、設(shè)備控制程序的生成器、各種報表的輸出工具等。

三、數(shù)字化工廠的解決方案

（一）產(chǎn)品研發(fā)的數(shù)字化和虛擬化

數(shù)字化工廠通過使用CAX等軟件，建立產(chǎn)品的邏輯、幾何、功能、性能和關(guān)聯(lián)等模型，實現(xiàn)基于模型的產(chǎn)品定義與關(guān)聯(lián)設(shè)計，在虛擬的數(shù)字世界中完成多學(xué)科優(yōu)化、協(xié)同設(shè)計、優(yōu)化分析、制造試驗仿真及模擬產(chǎn)品的制造和運營過程（包括虛擬工廠、生產(chǎn)線布局、物流等）。同時，通過PLM與ERP/MES等集成，實現(xiàn)三維模型、數(shù)字化工藝指令等信息向生產(chǎn)現(xiàn)場的推送，并與質(zhì)量、采購、物流等部門進行共享。各部門依據(jù)這些共享信息即可開展相應(yīng)的零部件生產(chǎn)、原材料采購、產(chǎn)品驗收和產(chǎn)品確認(rèn)等工作。

（二）生產(chǎn)過程的精益化和標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)字化工廠是按照精益思想建設(shè)的，通過對生產(chǎn)過程進行優(yōu)化整合，并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)程，確保車間生產(chǎn)節(jié)奏更加緊湊和有序。它使用ERP統(tǒng)一管理和下達生產(chǎn)指令，使用MES和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對生產(chǎn)計劃調(diào)度、物料追蹤、數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、工位操作、包裝發(fā)貨等生產(chǎn)運營全過程的管理，并將檢測結(jié)果與PLM中設(shè)計模型進行快速對比，形成從虛擬產(chǎn)品設(shè)計到實際生產(chǎn)制造的閉環(huán)產(chǎn)品質(zhì)量控制，實現(xiàn)從原料進廠到產(chǎn)品出廠的生產(chǎn)過程自動化、裝備制造信息化和智能化、生產(chǎn)過程的高度透明化。

（三）車間生產(chǎn)的自動化和集成化

數(shù)字化工廠車間生產(chǎn)自動化是在統(tǒng)一通信、統(tǒng)一編程以及統(tǒng)一IT架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過高運行可靠性和可用性的數(shù)據(jù)鏈路（物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)網(wǎng)等），把生產(chǎn)制造過程中眾多獨立的產(chǎn)品、工具與關(guān)聯(lián)的服務(wù)進行集成，支持自動化控制、制造執(zhí)行和企業(yè)資源管理等系統(tǒng)的完美整合。并將網(wǎng)絡(luò)與通信、傳感器與感知、自動檢測、人機交互與專家系統(tǒng)等智能化技術(shù)加入車間制造單元與生產(chǎn)線中，實現(xiàn)系統(tǒng)自優(yōu)化、自重構(gòu)、自診斷，形成高度的柔性生產(chǎn)方式，達到信息技術(shù)和制造技術(shù)深度融合的目的，使得高度智能的快速生產(chǎn)成為可能。

四、結(jié)束語

綠色和人文是數(shù)字化工廠的重要特征，所以數(shù)字化工廠的建設(shè)不僅要求體現(xiàn)數(shù)字化、自動化和智能化元素，還要符合綠色人文的需求。它一方面用自動化設(shè)備來減輕人員的體力消耗和精神壓力，以及用持續(xù)的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃來延長員工的工作壽命和工作質(zhì)量。

參考文獻：

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