數(shù)字化工廠的應用現(xiàn)狀與前景展望

田建忠

[摘 要] 為了促進我國工業(yè)化與信息化的高度融合，推進我國工業(yè)化發(fā)展的進程，加快傳統(tǒng)工業(yè)的轉型升級，建立數(shù)字化工廠系統(tǒng)并進行深入研究與探索，將有助于促進我國整體制造水平智能化的全面提升，為實現(xiàn)由“中國制造”向“中國創(chuàng)新”邁進的戰(zhàn)略發(fā)展要求，奠定堅實的基礎。

[關鍵詞] 數(shù)字化工廠；應用現(xiàn)狀；前景展望

[中圖分類號] TQ162 [文獻標識碼] A [文章編號] 1671-0037（2017）5-35-3

Abstract： In order to promote a high-degree integration of industrialization and Informatization in China and promote the development of China's industrialization process， and speed up the transformation and upgrading of traditional industries， establishing digital factory system and conducting in-depth study and exploration， will help promote the overall level of intelligent manufacturing in our country， and lay a solid foundation for the realization of strategic development need， from "made in China" to "China innovation"，.

Key words： digital factory； application status； prospect

數(shù)字化工廠融合了計算機仿真技術、大數(shù)據(jù)傳輸應用、可視化集中聯(lián)控等先進技術，使企業(yè)超越了傳統(tǒng)的加工制造模式，為產(chǎn)品全生命周期可視化、集成化、智能化管控提供了。數(shù)字化工廠的出現(xiàn)，順應了時代發(fā)展的潮流，也為我國加工制造業(yè)技術的轉型升級創(chuàng)造了極為有利的條件。

1 數(shù)字化工廠的概念

數(shù)字化工廠是以產(chǎn)品制造過程中的相關數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)虛擬制造原理，在計算機仿真技術的支撐下，對整個生產(chǎn)制造過程包括設計、制造、裝配、質量控制、產(chǎn)品檢測等各個階段進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到產(chǎn)品全生命周期的新型組織型式，是現(xiàn)代數(shù)字制造技術與計算機仿真技術相結合的產(chǎn)物[1]。數(shù)字化工廠為產(chǎn)品設計和生產(chǎn)制造之間搭建了便捷的橋梁與扭帶，為降低產(chǎn)品從設計到制造過程之間的不確定性，大幅度地壓縮生產(chǎn)制造過程，提高系統(tǒng)的成功率和可靠性，滿足節(jié)能高效、優(yōu)質創(chuàng)新的要求提供了有力的保障。數(shù)字化工廠方案所包含的內容見圖1所示。

近幾年來，國內加工制造業(yè)在計算機輔助設計CAD應用方面已得到大面積普及，在生產(chǎn)制造階段也普遍采用了CAM計算機輔助加工技術，有些企業(yè)還引入了CAE計算機輔助工程分析技術，對產(chǎn)品進行有限元特性分析，

降低了產(chǎn)品設計和制造的風險，但在解決集成管控與聯(lián)機組成方面，還遠遠未能達到普及的程度。數(shù)字化工廠作為智能化的管理與制造模式，為企業(yè)搭建了工藝制造快速響應的平臺，能夠對加工制造過程進行有效的設計籌劃、動態(tài)仿真和綜合管控，并將過程控制的信息及時反饋給系統(tǒng)內的管理人員進行資源共享，使設計部門對制造過程的不確定性進一步降低，實現(xiàn)各部門之間的協(xié)同配合與并行作業(yè)，因此我們說數(shù)字化工廠是實現(xiàn)智能化制造的必由之路。

2 數(shù)字化工廠的應用特點

數(shù)字化工廠集成了產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)庫，有效地解決了制造業(yè)生產(chǎn)流程中的程序傳輸和現(xiàn)場管理問題，大大壓縮了生產(chǎn)準備時間、提高了設備的有效利用率，通過先進的可視化仿真技術和圖文檔管理模式，對提高產(chǎn)品動態(tài)特性管理、縮短產(chǎn)品投放市場周期起到了至關重要的作用[2]。具體來講，數(shù)字化工廠大致有以下幾個特點：

第一，根據(jù)生產(chǎn)部門的不同需求，搭建多樣化的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，消除不同生產(chǎn)部門普通設備與數(shù)控設備相互之間信息傳遞的斷裂，徹底扭轉過去所有設備的單機通訊聯(lián)絡模式，全面實現(xiàn)設備成組的集中管理與有效控制。

第二，按照生產(chǎn)流程對NC程序進行規(guī)范化管理，通過對程序傳輸和用戶權限進行有效管控，實現(xiàn)產(chǎn)品質量的可追溯性以及全生命周期的跟蹤服務。

第三，數(shù)據(jù)集中存放于終端服務器，任何客戶端查詢和調用的數(shù)據(jù)均來源于系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)服務器，如果數(shù)據(jù)服務器中的程序進行更新，客戶查詢和調用所得到的信息也將隨之改變，并與之始終保持同步。

第四，系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)任務和作業(yè)計劃，對設備進行能力平衡計算，可減少數(shù)控設備的準備時間，最大限度地提高數(shù)控設備的有效利用率，實現(xiàn)均衡生產(chǎn)。

第五，采用集中聯(lián)控手段，可有效避免程序出錯和各種誤判動作，從管理層面和技術手段上使產(chǎn)品質量有了根本的保障，確保產(chǎn)品的合格率不斷攀升，為實現(xiàn)節(jié)能降耗帶來好處。

第六，由于實現(xiàn)了遠程的數(shù)據(jù)傳輸和集中控制，操作者能夠便捷地完成對程序的遠程調用、遠程比較和遠程上傳等工作，同時生成各種即時的數(shù)據(jù)報表和計劃調度單，實現(xiàn)協(xié)同管理與并行作業(yè)，明顯降低了作業(yè)人員的勞動強度，提高了工作效率。

第七，通過對NC程序進行集中傳輸和有效管控，使得生產(chǎn)現(xiàn)場不再需要大量的臺式計算機和數(shù)據(jù)傳輸裝置，取而代之的是整潔、美觀的現(xiàn)場觸摸屏等數(shù)顯裝置，生產(chǎn)現(xiàn)場顯得更加整潔、有序，符合現(xiàn)代企業(yè)精細化生產(chǎn)管理的要求。

第八，車間生產(chǎn)現(xiàn)場的通訊數(shù)據(jù)與企業(yè)的信息化管理系統(tǒng)集成應用，實現(xiàn)節(jié)能、高效的資源共享，為企業(yè)實現(xiàn)擴能改造和創(chuàng)新活動預留數(shù)據(jù)接口，搭建一體化的數(shù)字化工廠網(wǎng)絡管理平臺。

數(shù)字化工廠的信息化需求見圖2所示。

3 數(shù)字化工廠應用現(xiàn)狀

從二十世紀末以來，一些發(fā)達國家率先采用了數(shù)字化工廠的解決方案，如美國的波音公司在波音777大型客機和F35隱形戰(zhàn)機的研制過程中，利用數(shù)字化技術實現(xiàn)了飛機的“無紙化”設計和生產(chǎn)，產(chǎn)品研制過程中，采用數(shù)字化模塊式組合型式，通過集成控制的數(shù)據(jù)從上游向下游暢通傳遞，有效地減少了飛機在加工、組裝、測試等方面的作業(yè)周期，對降低生產(chǎn)制造成本，縮短研制開發(fā)時間，起到了難以估量的作用。

在國內，數(shù)字化工廠技術的應用還處于起步階段，目前僅在航空、航天、汽車、船舶以及機器人智能制造等領域得到應用，如國內航天事業(yè)的發(fā)展，由于采用了數(shù)字化設計、制造和管理的一覽子方案，重點解決了產(chǎn)品加工、裝配、檢測等裝備的數(shù)字化協(xié)同問題，實現(xiàn)了關鍵裝備從設計、制造到裝配一次成功，為我國航天事業(yè)的發(fā)展與進步起到了巨大的助推作用，重點項目取得了突破性進展。上述應用目前已推廣至汽車、造船等其他領域，特別是國產(chǎn)航母在短短幾年內就能很快建成下水試航，譜寫了世界造船史上的新篇章，更是突顯了網(wǎng)絡化、數(shù)字化、模塊化應用管理平臺所帶來的卓越功能和豐碩成果。

4 數(shù)字化工廠的前景展望

工業(yè)制造數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化已是世界范圍內新一輪科技革命的核心技術，作為承載智能制造的數(shù)字化工廠，則是國家“兩化融合”路略發(fā)展要求的重要應用體現(xiàn)，更是實現(xiàn)智能化工廠的必由之路，它的出現(xiàn)給基礎制造業(yè)注入了新的活力[3]?？梢灶A見，未來幾年數(shù)字化工廠將主要朝著以下幾個方向發(fā)展：

第一，企業(yè)通過局域網(wǎng)實現(xiàn)由傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉變，達到模塊化、集成化、數(shù)字化的綜合協(xié)同管理，搭建Internet虛擬結構模式，實現(xiàn)跨區(qū)域的資源共享。

第二，通過各種加工制造先進技術的融合，將實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM/CAE各功能軟件技術的一體化，使產(chǎn)品制造的現(xiàn)場管理向無紙化的互聯(lián)網(wǎng)輔助制造方向發(fā)展。

第三，數(shù)字化工廠的系統(tǒng)將實現(xiàn)智能化的快速響應執(zhí)行能力，系統(tǒng)更具自主決策能力，能夠采集與理解外部的信息資訊，并加以智能化的分析判斷，規(guī)劃出自身的優(yōu)化結構型式。

第四，數(shù)字化工廠系統(tǒng)的協(xié)調、重組及擴充能力將進一步提高，依據(jù)工作任務，系統(tǒng)可自行組成最佳的結構型式。

第五，結合訊號處理、預測、仿真及多媒體技術，將實現(xiàn)從設計到制造過程的可視化實境展示。

第六，數(shù)字化工廠系統(tǒng)將根據(jù)設備的使用情況自動執(zhí)行故障診斷，故障排除、設備維護、異常情況通報的執(zhí)行能力。

第七，利用互聯(lián)網(wǎng)+技術催生的各種實用新型應用技術，必將促使加工制造企業(yè)向構建一個節(jié)能高效、環(huán)保綠色、舒適宜人的人性化工廠邁進，最終實現(xiàn)智慧化工廠的目標。

數(shù)字化工廠作為一項系統(tǒng)工程，消除了設計、制造、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的信息孤島，保證了各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整性和一致性，形成一體化的數(shù)字化管理模式，建立起穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸、采集監(jiān)測、制造過程管理等功能的信息化管理平臺，從而實現(xiàn)數(shù)字化工廠的先進制造模式，這一模式也必將成為未來數(shù)控加工技術的主流發(fā)展方向。可以預見，未來的數(shù)字化工廠將向著更高集成化、更高智能化、更高可靠性方向發(fā)展，數(shù)字化工廠的建立與逐步普及也必將彰顯出科技引領未來的時代發(fā)展趨勢。

5 結語

隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術的不斷發(fā)展和應用，融合多學科技術的數(shù)字化工廠建設也已成為加工制造企業(yè)轉型升級的主流方向，同時利用國外先進技術優(yōu)勢來提升我國企業(yè)的生產(chǎn)制造能力和核心競爭力，也必將促進我國數(shù)字化工廠技術的研究和應用向更高水平大步邁進。

參考文獻：

[1] 劉志.關于數(shù)字化工廠建設的探索與實踐[J].科學與財富，2014（4）：132.

[2] 展如.數(shù)字化工廠：工業(yè)新革命[N].經(jīng)濟觀報.2010-10-30（048）.

[3] 李明貴，徐成威.反映現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展趨勢的先進制造技術[J].機電工程技術，2014（3）：14-15.