数字化工厂技术发展与展望

数字化工厂技术发展与展望

摘要：制造业对一个国家的经济和政治地位至关重要,以及它在21世纪工业生产中的决定性的地位和作用，很多国家尤其是美国等西方发达国家都把制造业发展战略列为重中之重。随着各种现代制造技术与软件系统产生、研究与实践的不断深入，“数字化工厂”(MPM)技术与系统也就应运而生了，“数字化工厂”技术与系统作为新型制造技术与系统，是制造业迎接21世纪挑战的有效手段。本文通过对数字化工厂技术的关键技术及其发展趋势进行讨论，可以为在国内应用推广数字化工厂技术提供参考。

关键词：数字化工厂虚拟制造仿真技术

1 数字化工厂的概念

制造技术已从物质形式的制造向信息制造转变，产品中知识信息的价值占据越来越高的比例，这不但反映在产品本身，而且体现在产品的整个生命周期，特别是生产制造环节，随着信息技术的发展，不断出现了新的制造理念和制造系统，如FMS、CIMS、敏捷制造和网络化制造等。这些技术从制造的现实出发，对制造过程中产生的数据进行数字化，并对它们进行加工处理，产生相关信息，在制造系统中进行存储和交换，并直接应用于对生产过程的管理和控制，进一步可对信息进行分析加工产生相关知识，使制造系统的“智能”得到提高，通常把这种生产方式称为数字化制造。另一方面，随着仿真技术的发展和虚拟现实技术的产生，另一种概念的数字化工厂随之产生，这个工厂生存于数字信息世界，在真实工厂或生产过程还没有开始前，这个工厂在虚拟空间中运作，对真实工厂进行虚拟现实的仿真，提供优化的结果，这是现在数字化工厂主要研究和应用的内容[1]。

作为数字化与智能化制造的关键技术之一，数字化工厂是现代工业化与信息化融合的应用体现，也是实现智能化制造的必经之路。数字化工厂借助于信息化和数字化技术，通过集成、仿真、分析、控制等手段，可为制造工厂的生产全过程提供全面管控的一种整体解决方案。早在2000年前后，上汽、海尔、华为和成飞等制造企业均已开始着手建立自己的数字化工厂。近年来，随着国际竞争的不断加剧和我国制造业劳动力成本的不断上升，对设备效率、制造成本、产品质量等环节的要求不断提高，离散制造业中以汽车、工程机械、航空航天、造船为代表的大型企业已越来越重视数字化工厂的建设[2]。

数字化工厂最主要解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”，如图1所示为从工艺设计到产品设计的数字化仿真图。以前产品设计完成后，没有一个科学的转化渠道，仅仅凭借工艺人员、制造工程师和管理人员的经验知识进行生产工艺安排、生产计划制订，然后直接投入制造系统进行制造，对出现的问题只有在生产过程中解决。

图1 从工艺设计到生产制造仿真图

随着全球化竞争的加剧，产品的更新换代和设计制造周期缩短以及客户化定制生产方式的形成，给制造企业带来越来越大的竞争压力。以下原因促使数字化工厂概念的产生：（1）产品越来越复杂，不但零件的形状，而且产品中包含的零件个数非常多、零件之间的装配关系复杂。在设计时的微小错误，就可能造成产品开发的失败，或是不能按期交货。另一方面可能由于使用前没有发现的微小缺陷，造成重大事故。

(2)生产设备和制造系统日益趋向复杂和昂贵，生产制造系统的布局和配置是否适应所制造的产品，是否是优化的布局和配置？这些问题的解决，使制造商能够在科学的指导下进行投资，以小风险获取大的收益。

(3)一般的制造系统是非线性离散化的系统，生产制造系统的鲁棒性如何？在某些意外发生的情况下，制造系统是否能够满足生产需求？

(4)专业人员在设备的安装、使用和维修中仅仅依靠产品图纸文档，使工作效率低下，而且对人员的专业技能要求很高。

数字化工厂技术就是为解决以上问题而提出，目前国内外还没有一个统一的概念，一般可以认为数字化工厂技术能实现产品生命周期中的制造、装配、质量控制和检测等各个阶段的功能，主要解决工厂、车间和生产线以及产品的设计到制造实现的转化过程，使设计到生产制造之间的不确定性降低，在数字空间中将生产制造过程压缩和提前，使生产制造过程在数字空间中得以检验，从而提高系统的成功率和可靠性，缩短从设计到生产的转化时间[3]。数字化工厂技术带来的好处如下：

(1)缩短新产品的上市周期；

(2)减少新产品的开发成本和风险；

(3)优化产品设计以利于加工；

(4)优化生产线配置和布局，减少生产线准备和停机时间；

(5)增加生产线设备生产力，大大提高生产率；

(6)改善工人的劳动环境，提高产品质量。

2 数字化工厂的结构和主要关键技术

数字化工厂技术在虚拟现实技术和仿真优化技术的基础上发展起来，数字化工厂目前已经成为现代制造领域中的一个新的研究应用领域。针对制造系统体系结构设计及优化、生产系统的功能分解以及过程组织、生产流程设计的技术正在不断出现。毫无疑问，这些技术将有助于规划、分解工厂的结构、生产设备和制造原料的维护和储存、企业物流系统的设计以及确认企业生产能力和生产瓶颈所在。同样的，在过程组织和生产流程设计方面，也发挥出很大的作用。除此以外，为了解决复杂的设计功能，人们还采用了对生产流程进行模拟的方法。与此同时，还有采用3D动画方式把生产设备及其工作方式，以及由此而产生的对外部环境的影响真实再现出来的3D虚拟现实设备和软件。

图2展示了数字化工厂的结构，图中线框内为数字化工厂的主要内容，通过建模技术对真实工厂的制造资源和工艺数据进行分析，在计算机内建立真实工厂的数字化模型。CAD数据、加工工艺和预计的生产计划作为输入，通过优化仿真系统进行制造过程的模拟，对产品的设计和制造过程进行评价。现在越来越多的优化仿真系统还采用虚拟现实技术进行可视化仿真，并给出优化仿真结果。数字化工厂技术对生产工程的各个环节，在不同的层次，小到操作步骤，大到生产单元、生产线乃至整个工厂进行设计、仿真、分析和优化。它从并行工程的基本观点出发，在产品设计阶段就同时考虑和解决生产工程的问题，包括工艺过程设计、工艺装备、机床设备、刀具、生产线或加工单元的布局、人体工程学、生产调度、物料管理等，实现数字化的制造。其结果用于真实工厂的生产制造，如可生成PLC、机器人和数控机床等的程序，控制相关设备完成生产制造。