數(shù)字化工廠的實(shí)現(xiàn)方式與應(yīng)用分析

王新政

摘 要 為解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃與制造之間的不確定性，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，人們提出了數(shù)字化工廠概念，文章從概念和技術(shù)兩個(gè)層面敘述了數(shù)字化工廠的實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)數(shù)字化工廠的結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)仿真等技術(shù)的進(jìn)行了分析研究。最后，以汽車(chē)生產(chǎn)制造企業(yè)的數(shù)控加工車(chē)間應(yīng)用為例，提出了相應(yīng)的數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)計(jì)設(shè)想，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化工廠概念的拓展，為數(shù)字化工廠的進(jìn)一步應(yīng)用提供思路借鑒。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化工廠；數(shù)字化建模；數(shù)字化仿真；虛擬制造

中圖分類(lèi)號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）222-0133-03

當(dāng)今時(shí)代，產(chǎn)品的更新?lián)Q代與設(shè)計(jì)周期日益縮短，各企業(yè)也紛紛加速響應(yīng)市場(chǎng)需求，生產(chǎn)能力與生產(chǎn)效益不斷提高。隨著信息技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，制造技術(shù)已經(jīng)從物質(zhì)形式制造向智能制造轉(zhuǎn)變。采用最快的速度、最低的成本推出高質(zhì)量的產(chǎn)品來(lái)占領(lǐng)市場(chǎng)，才有可能讓企業(yè)處于不敗之地[ 1 ]。雖然許多企業(yè)不斷引進(jìn)新的生產(chǎn)系統(tǒng)，但是由于缺乏有效的集成，生產(chǎn)車(chē)間高度自動(dòng)化設(shè)備與管理系統(tǒng)并沒(méi)有效地合，與此同時(shí)建造一種數(shù)字化的工廠可以對(duì)制造過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)化，就像是連通所有數(shù)據(jù)的一座橋梁，并通過(guò)設(shè)定好的程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、加工、處理，直接對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行管理和控制[2]。減少產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的錯(cuò)誤，提升生產(chǎn)的效率，達(dá)到機(jī)器控制機(jī)器的生產(chǎn)效果，節(jié)省了大量的人力，降低了生產(chǎn)所需的成本，從而提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 數(shù)字化工廠技術(shù)

1.1 數(shù)字化工廠概念

想了解數(shù)字化工廠應(yīng)該先了解什么叫做數(shù)字化，所謂數(shù)字化，是將各種形式的信息轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)臄?shù)字化模型，對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制代碼（用0和1表示），從而引入計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行統(tǒng)一處理。數(shù)字化的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，隨著以計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字化技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用（利用計(jì)算機(jī)將復(fù)雜多變的聲音、圖像數(shù)字化），才有了數(shù)字化工廠的概念。數(shù)字化工廠是指以產(chǎn)品或服務(wù)全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，因此數(shù)字化工廠又被稱(chēng)為“虛擬工廠”。數(shù)字化工廠是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各組分進(jìn)行相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及信息的交流，從而實(shí)現(xiàn)虛擬制造，利用實(shí)際運(yùn)作中的信息，通過(guò)設(shè)定好的程序調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的失誤，實(shí)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)作的數(shù)字化。

1.2 數(shù)字化工廠結(jié)構(gòu)

數(shù)字化工廠有狹義和廣義之分，狹義數(shù)字化僅僅是指工廠生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化，而廣義數(shù)字化是更加全面的數(shù)字化，包括前期的市場(chǎng)需求數(shù)字化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化、生產(chǎn)加工數(shù)字化、企業(yè)管理數(shù)字化等。整個(gè)數(shù)字化工廠系統(tǒng)就形成了對(duì)實(shí)際企業(yè)的虛擬映射，以最快的時(shí)間滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程所涉及的質(zhì)量和動(dòng)態(tài)性能，從而更好地投入市場(chǎng)[ 3 ]。

為便于概念的理解，本文主要以廣義的數(shù)字化工廠為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。廣義數(shù)字化工廠包括一切與制造有關(guān)的活動(dòng)過(guò)程，主要包括原料供應(yīng)、制造企業(yè)、銷(xiāo)售部門(mén)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

原料供應(yīng)：為制造企業(yè)提供原料的環(huán)節(jié)，需要原料供應(yīng)商提供各種原材料、半成品、零件等。這里通過(guò)虛擬技術(shù)將可能花費(fèi)的費(fèi)用進(jìn)行分析，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)選取最廉價(jià)的材料，并虛擬供應(yīng)，分析可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行解決。

制造企業(yè)：進(jìn)行虛擬管理，調(diào)整人才分布狀態(tài)、設(shè)備功效等，以保證生產(chǎn)能夠以最快最好的效益進(jìn)行，防止因?yàn)榭陀^原因?qū)е律a(chǎn)不能高效進(jìn)行。虛擬制造分為設(shè)計(jì)虛擬以及生產(chǎn)虛擬，設(shè)計(jì)虛擬對(duì)產(chǎn)品制造材料、工藝進(jìn)行分析，生產(chǎn)虛擬則根據(jù)數(shù)字化模型進(jìn)行仿真虛擬，給出虛擬的生產(chǎn)過(guò)程與虛擬產(chǎn)品，同時(shí)也可以通過(guò)修改生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)虛擬生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整和優(yōu)化。

銷(xiāo)售部門(mén)：分析潛在的市場(chǎng)，對(duì)可能市場(chǎng)的銷(xiāo)售方法、服務(wù)方式進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)客戶(hù)，為客戶(hù)提供數(shù)字化訂單服務(wù)。同時(shí)能夠得知產(chǎn)品的庫(kù)存情況，參與數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售服務(wù)，提供市場(chǎng)需求等數(shù)字化信息，向企業(yè)傳達(dá)數(shù)字化訂單?？蛻?hù)是制造企業(yè)的產(chǎn)品和服務(wù)的受體，是企業(yè)利潤(rùn)的來(lái)源。

1.3 數(shù)字化工廠關(guān)鍵技術(shù)

從1.2的分析可知，數(shù)字化工廠的技術(shù)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)字化計(jì)算機(jī)建模與數(shù)字化計(jì)算機(jī)仿真[1，4]。

1）數(shù)字化建模。由于數(shù)字化工廠需要采用適當(dāng)?shù)慕７椒?，?duì)建模結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與簡(jiǎn)化，最后通過(guò)建立數(shù)字化工廠的企業(yè)模型，作為企業(yè)信息系統(tǒng)的建立運(yùn)行的基礎(chǔ)。企業(yè)數(shù)字化建模是借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化描述、存儲(chǔ)和表達(dá)實(shí)際產(chǎn)品，其中主要包括產(chǎn)品的外觀、性能和狀態(tài)等關(guān)鍵信息，以便在軟件系統(tǒng)中進(jìn)行各種數(shù)字仿真和分析，因此，模型的精準(zhǔn)程度影響到對(duì)真實(shí)情況的反應(yīng)，對(duì)于后續(xù)的工作以及精確的模擬仿真有著很大的影響，可以說(shuō)這是數(shù)字化工廠技術(shù)的基礎(chǔ)，起著十分關(guān)鍵的作用。本質(zhì)上是在生產(chǎn)過(guò)程中采用多視圖和復(fù)合模型進(jìn)行描述，如采用三維數(shù)字化技術(shù)。從產(chǎn)品信息、產(chǎn)品生產(chǎn)、流水線工程等多方面分別進(jìn)行描述，通過(guò)集成化方法產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的視圖，并按照加工過(guò)程的特點(diǎn)，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行建模和仿真，即對(duì)生產(chǎn)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。

2）數(shù)字化仿真。數(shù)字化仿真是虛擬制造的基礎(chǔ)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)虛擬制造出一個(gè)環(huán)境，這個(gè)環(huán)境是虛幻的，但是人們對(duì)于這種環(huán)境的感覺(jué)（視、聽(tīng)、觸等）是逼真的，最重要的是人們可以通過(guò)一些行為（肢體語(yǔ)言、口頭語(yǔ)言等）與這個(gè)環(huán)境進(jìn)行交互，同時(shí)環(huán)境還可以實(shí)時(shí)地做出相對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。虛擬的對(duì)于數(shù)字化工廠而言，這個(gè)系統(tǒng)可以是真實(shí)工廠的映射，也可以是客觀不存在但是可以制造出來(lái)或者將來(lái)可以存在的工廠?？蓪?duì)工廠設(shè)備、流水線等進(jìn)行詳細(xì)剖析展示，由外而內(nèi)表現(xiàn)工廠的客觀情況，并可通過(guò)鳥(niǎo)瞰、內(nèi)部漫游、自動(dòng)動(dòng)畫(huà)播放等形式對(duì)設(shè)備逐一表現(xiàn)，從而決定是否使用模型，大大提高了設(shè)計(jì)規(guī)劃的質(zhì)量與效率。同時(shí)數(shù)字化仿真和虛擬制造加強(qiáng)了工廠數(shù)據(jù)采集、分析、處理的能力，可以減少?zèng)Q策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，使工業(yè)設(shè)計(jì)的手段和思想發(fā)生質(zhì)的飛躍，更加符合社會(huì)發(fā)展的需要，所以說(shuō)在工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是可行且必要的。

2 數(shù)字化工廠應(yīng)用案例分析

2.1 汽車(chē)制造智能數(shù)字工廠應(yīng)用分析

由于數(shù)字化工廠的卓越性，很多知名企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出數(shù)字化工廠所需要的軟件并在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，例如由上海魯班軟件有限公司推出的針對(duì)建筑行業(yè)的全過(guò)程管理解決方案PDPS（Project Data Providing Service）。數(shù)字化工廠可以應(yīng)用在很多生產(chǎn)制造領(lǐng)域中，例如航天制造、汽車(chē)制造、零件生產(chǎn)等。本文以汽車(chē)制造工廠為例進(jìn)行數(shù)字工廠的應(yīng)用分析，一般可設(shè)計(jì)成如圖2所示的三層結(jié)構(gòu)模型，主要采用到的相關(guān)技術(shù)有全廠數(shù)據(jù)采集管理、設(shè)備生命周期管理和3D可視化管理。

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的在線生產(chǎn)管理可以利用制造執(zhí)行平臺(tái)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集引擎或與之同類(lèi)的軟件進(jìn)行采集，借助計(jì)算機(jī)在線搜集生產(chǎn)數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)分析、計(jì)算和統(tǒng)計(jì)等，最終以特定圖形、具體數(shù)字或多維模型等形式展現(xiàn)，并隨時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)的分析對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)采集到的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)以訂單為導(dǎo)向的生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度，為提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供技術(shù)保障。

利用DELMIA等軟件進(jìn)行管理，通過(guò)前端CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合制造現(xiàn)場(chǎng)的資源（2D/3D）。通過(guò)3D圖形仿真引擎對(duì)于整個(gè)制造過(guò)程進(jìn)行仿真和分析。得到最優(yōu)化數(shù)據(jù)，進(jìn)行3D環(huán)境下工藝的詳細(xì)設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證。讓汽車(chē)裝配工人和維修工人對(duì)設(shè)備的了解更加全面，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可視化裝配打好基礎(chǔ)，減少人為失誤，提高汽車(chē)的裝配質(zhì)量，使設(shè)備更方便的按所預(yù)期的效率進(jìn)行運(yùn)作。

2.2 數(shù)字化工廠的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)分析

從對(duì)汽車(chē)制造智能數(shù)字工廠的分析，可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字化工廠可以根據(jù)工廠實(shí)際情況，定制自己的工藝層次結(jié)構(gòu)和資源庫(kù)，減少工藝規(guī)劃時(shí)間，提高規(guī)劃質(zhì)量預(yù)見(jiàn)并減少規(guī)劃風(fēng)險(xiǎn)，減少工程成本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)部門(mén)以及生產(chǎn)部門(mén)的良好的集成，加速產(chǎn)品流入市場(chǎng)，適應(yīng)新時(shí)代的要求，提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)如下兩方面。

1）數(shù)字化工廠的這些技術(shù)的應(yīng)用方面非常廣泛，幾乎所有大型工廠都可以通過(guò)數(shù)字化工廠來(lái)減少多余人員利用、提升生產(chǎn)效率、貼近市場(chǎng)需求，從而提高競(jìng)爭(zhēng)力。

2）數(shù)字工廠可以更好地實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化，自動(dòng)完成產(chǎn)品制造的全部或部分加工過(guò)程。數(shù)字工廠可以用于計(jì)算機(jī)中確認(rèn)自動(dòng)機(jī)械的動(dòng)作設(shè)備聯(lián)動(dòng)、安全關(guān)系等，使系統(tǒng)達(dá)精益階段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中更高程度的自動(dòng)化。

3 結(jié)論

數(shù)字化工廠是集數(shù)字化建模、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為一體的現(xiàn)代化制造新概念，通過(guò)設(shè)備實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)管理集成在一起形成的現(xiàn)代化工廠，是實(shí)際工廠生產(chǎn)在數(shù)字環(huán)境中的描述與表達(dá)。本文基于傳統(tǒng)生產(chǎn)制造過(guò)程中的問(wèn)題和數(shù)字化工廠技術(shù)基礎(chǔ)，闡述了如何具體構(gòu)建數(shù)字化工廠。通過(guò)具體案例的分析達(dá)到對(duì)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)智能系統(tǒng)作用的理解，在數(shù)字化工廠相關(guān)技術(shù)的推動(dòng)下，可使企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)管理智能化、生產(chǎn)線可視化、企業(yè)價(jià)值最大化，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造，幫助更多的企業(yè)跟隨工業(yè)4.0

的發(fā)展潮流[4]。

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