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數(shù)字化工廠技術發(fā)展與展望摘要:制造業(yè)對一個國家的經(jīng)濟和政治地位至關重要,以及它在21世紀工業(yè)生產(chǎn)中的決定性的地位和作用,很多國家尤其是美國等西方發(fā)達國家都把制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略列為重中之重。隨著各種現(xiàn)代制造技術與軟件系統(tǒng)產(chǎn)生、研究與實踐的不斷深入,“數(shù)字化工廠”(MPM)技術與系統(tǒng)也就應運而生了,“數(shù)字化工廠”技術與系統(tǒng)作為新型制造技術與系統(tǒng),是制造業(yè)迎接21世紀挑戰(zhàn)的有效手段。本文通過對數(shù)字化工廠技術的關鍵技術及其發(fā)展趨勢進行討論,可以為在國內(nèi)應用推廣數(shù)字化工廠技術提供參考。關鍵詞:數(shù)字化工廠 虛擬制造 仿真技術1 數(shù)字化工廠的概念制造技術已從物質(zhì)形式的制造向信息制造轉(zhuǎn)變,產(chǎn)品中知識信息的價值占據(jù)越來越高的比例,這不但反映在產(chǎn)品本身,而且體現(xiàn)在產(chǎn)品的整個生命周期,特別是生產(chǎn)制造環(huán)節(jié),隨著信息技術的發(fā)展,不斷出現(xiàn)了新的制造理念和制造系統(tǒng),如FMS、CIMS、敏捷制造和網(wǎng)絡化制造等。這些技術從制造的現(xiàn)實出發(fā),對制造過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化,并對它們進行加工處理,產(chǎn)生相關信息,在制造系統(tǒng)中進行存儲和交換,并直接應用于對生產(chǎn)過程的管理和控制,進一步可對信息進行分析加工產(chǎn)生相關知識,使制造系統(tǒng)的“智能”得到提高,通常把這種生產(chǎn)方式稱為數(shù)字化制造。另一方面,隨著仿真技術的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實技術的產(chǎn)生,另一種概念的數(shù)字化工廠隨之產(chǎn)生,這個工廠生存于數(shù)字信息世界,在真實工廠或生產(chǎn)過程還沒有開始前,這個工廠在虛擬空間中運作,對真實工廠進行虛擬現(xiàn)實的仿真,提供優(yōu)化的結果,這是現(xiàn)在數(shù)字化工廠主要研究和應用的內(nèi)容1。作為數(shù)字化與智能化制造的關鍵技術之一,數(shù)字化工廠是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應用體現(xiàn),也是實現(xiàn)智能化制造的必經(jīng)之路。數(shù)字化工廠借助于信息化和數(shù)字化技術,通過集成、仿真、分析、控制等手段,可為制造工廠的生產(chǎn)全過程提供全面管控的一種整體解決方案。早在2000年前后,上汽、海爾、華為和成飛等制造企業(yè)均已開始著手建立自己的數(shù)字化工廠。近年來,隨著國際競爭的不斷加劇和我國制造業(yè)勞動力成本的不斷上升,對設備效率、制造成本、產(chǎn)品質(zhì)量等環(huán)節(jié)的要求不斷提高,離散制造業(yè)中以汽車、工程機械、航空航天、造船為代表的大型企業(yè)已越來越重視數(shù)字化工廠的建設2。數(shù)字化工廠最主要解決產(chǎn)品設計和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”,如圖1所示為從工藝設計到產(chǎn)品設計的數(shù)字化仿真圖。以前產(chǎn)品設計完成后,沒有一個科學的轉(zhuǎn)化渠道,僅僅憑借工藝人員、制造工程師和管理人員的經(jīng)驗知識進行生產(chǎn)工藝安排、生產(chǎn)計劃制訂,然后直接投入制造系統(tǒng)進行制造,對出現(xiàn)的問題只有在生產(chǎn)過程中解決。圖1 從工藝設計到生產(chǎn)制造仿真圖隨著全球化競爭的加劇,產(chǎn)品的更新?lián)Q代和設計制造周期縮短以及客戶化定制生產(chǎn)方式的形成,給制造企業(yè)帶來越來越大的競爭壓力。以下原因促使數(shù)字化工廠概念的產(chǎn)生:(1)產(chǎn)品越來越復雜,不但零件的形狀,而且產(chǎn)品中包含的零件個數(shù)非常多、零件之間的裝配關系復雜。在設計時的微小錯誤,就可能造成產(chǎn)品開發(fā)的失敗,或是不能按期交貨。另一方面可能由于使用前沒有發(fā)現(xiàn)的微小缺陷,造成重大事故。(2)生產(chǎn)設備和制造系統(tǒng)日益趨向復雜和昂貴,生產(chǎn)制造系統(tǒng)的布局和配置是否適應所制造的產(chǎn)品,是否是優(yōu)化的布局和配置?這些問題的解決,使制造商能夠在科學的指導下進行投資,以小風險獲取大的收益。(3)一般的制造系統(tǒng)是非線性離散化的系統(tǒng),生產(chǎn)制造系統(tǒng)的魯棒性如何?在某些意外發(fā)生的情況下,制造系統(tǒng)是否能夠滿足生產(chǎn)需求?(4)專業(yè)人員在設備的安裝、使用和維修中僅僅依靠產(chǎn)品圖紙文檔,使工作效率低下,而且對人員的專業(yè)技能要求很高。數(shù)字化工廠技術就是為解決以上問題而提出,目前國內(nèi)外還沒有一個統(tǒng)一的概念,一般可以認為數(shù)字化工廠技術能實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的制造、裝配、質(zhì)量控制和檢測等各個階段的功能,主要解決工廠、車間和生產(chǎn)線以及產(chǎn)品的設計到制造實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化過程,使設計到生產(chǎn)制造之間的不確定性降低,在數(shù)字空間中將生產(chǎn)制造過程壓縮和提前,使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以檢驗,從而提高系統(tǒng)的成功率和可靠性,縮短從設計到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時間3。數(shù)字化工廠技術帶來的好處如下:(1)縮短新產(chǎn)品的上市周期;(2)減少新產(chǎn)品的開發(fā)成本和風險;(3)優(yōu)化產(chǎn)品設計以利于加工;(4)優(yōu)化生產(chǎn)線配置和布局,減少生產(chǎn)線準備和停機時間;(5)增加生產(chǎn)線設備生產(chǎn)力,大大提高生產(chǎn)率;(6)改善工人的勞動環(huán)境,提高產(chǎn)品質(zhì)量。 2 數(shù)字化工廠的結構和主要關鍵技術數(shù)字化工廠技術在虛擬現(xiàn)實技術和仿真優(yōu)化技術的基礎上發(fā)展起來,數(shù)字化工廠目前已經(jīng)成為現(xiàn)代制造領域中的一個新的研究應用領域。針對制造系統(tǒng)體系結構設計及優(yōu)化、生產(chǎn)系統(tǒng)的功能分解以及過程組織、生產(chǎn)流程設計的技術正在不斷出現(xiàn)。毫無疑問,這些技術將有助于規(guī)劃、分解工廠的結構、生產(chǎn)設備和制造原料的維護和儲存、企業(yè)物流系統(tǒng)的設計以及確認企業(yè)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)瓶頸所在。同樣的,在過程組織和生產(chǎn)流程設計方面,也發(fā)揮出很大的作用。除此以外,為了解決復雜的設計功能,人們還采用了對生產(chǎn)流程進行模擬的方法。與此同時,還有采用3D動畫方式把生產(chǎn)設備及其工作方式,以及由此而產(chǎn)生的對外部環(huán)境的影響真實再現(xiàn)出來的3D虛擬現(xiàn)實設備和軟件。圖2展示了數(shù)字化工廠的結構,圖中線框內(nèi)為數(shù)字化工廠的主要內(nèi)容,通過建模技術對真實工廠的制造資源和工藝數(shù)據(jù)進行分析,在計算機內(nèi)建立真實工廠的數(shù)字化模型。CAD數(shù)據(jù)、加工工藝和預計的生產(chǎn)計劃作為輸入,通過優(yōu)化仿真系統(tǒng)進行制造過程的模擬,對產(chǎn)品的設計和制造過程進行評價?,F(xiàn)在越來越多的優(yōu)化仿真系統(tǒng)還采用虛擬現(xiàn)實技術進行可視化仿真,并給出優(yōu)化仿真結果。數(shù)字化工廠技術對生產(chǎn)工程的各個環(huán)節(jié),在不同的層次,小到操作步驟,大到生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線乃至整個工廠進行設計、仿真、分析和優(yōu)化。它從并行工程的基本觀點出發(fā),在產(chǎn)品設計階段就同時考慮和解決生產(chǎn)工程的問題,包括工藝過程設計、工藝裝備、機床設備、刀具、生產(chǎn)線或加工單元的布局、人體工程學、生產(chǎn)調(diào)度、物料管理等,實現(xiàn)數(shù)字化的制造。其結果用于真實工廠的生產(chǎn)制造,如可生成PLC、機器人和數(shù)控機床等的程序,控制相關設備完成生產(chǎn)制造。圖2 典型數(shù)字化工廠結構要建立數(shù)字化工廠,必須要采用虛擬制造技術4。虛擬制造技術(virtual manufacturing technology,VMT)是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術為基礎,對產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模,在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品從設計、加工和裝配、檢驗、使用整個生命周期的模擬和仿真。虛擬制造技術可以提供關鍵的設計和管理決策對生產(chǎn)成本、周期和能力的影響信息,以便正確處理產(chǎn)品性能與制造成本、生產(chǎn)進度和風險之間的平衡,作出正確的決策;也可提高生產(chǎn)過程開發(fā)的效率,可以按照產(chǎn)品的特點優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)的設計;并通過生產(chǎn)計劃的仿真,優(yōu)化資源的利用,縮短生產(chǎn)周期,實現(xiàn)柔性制造和敏捷制造;而且可以根據(jù)用戶的要求修改產(chǎn)品設計,及時作出報價和保證交貨期。圖3 虛擬制造流程數(shù)字化工廠在基于虛擬制造技術下的關鍵技術有:(1)數(shù)字化建模技術: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(制造設備、原材料、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)的限制和約束關系)。數(shù)字化工廠是建立在模型基礎上的優(yōu)化仿真系統(tǒng),所以數(shù)字化建模技術是數(shù)字化工廠的基礎。(2)優(yōu)化仿真技術:很早就開展起來了,隨著虛擬設計技術的發(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)控加工模擬技術以及CAE工程分析技術不斷發(fā)展和完善,這種技術進一步向制造過程領域發(fā)展。在數(shù)字化建模的基礎上,對制造系統(tǒng)進行運動學、動力學、加工能力等各方面進行動態(tài)仿真和優(yōu)化。(3)虛擬現(xiàn)實技術:文本信息很難滿足制造業(yè)的需求,隨著三維造型技術發(fā)展,三維實體造型技術已得到普遍的應用。具有沉浸性的虛擬現(xiàn)實技術,使用戶能身臨其境地感受產(chǎn)品的設計過程和制造過程,使仿真的旁觀者成為虛擬環(huán)境的組成部分;(4)軟件之間的重組和集成:數(shù)字化工廠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。(5)應用工具:產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集、各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具、設備控制程序的生成器、各種報表的輸出工具等。3 數(shù)字化工廠技術的研究與應用數(shù)字化工廠技術已成為國內(nèi)外研究的一個熱點,這個概念處在逐漸被接受的階段,而虛擬制造技術可以說是數(shù)字化工廠技術的前身和基礎5。目前基于虛擬制造技術的研究很多,如美國國家標準及技術局(NIST)制造工程實驗室()、美國Michigan大學虛擬現(xiàn)實實驗室(www-VRL.umich. edu)、美國政府能源部TEAM(技術使能的敏捷制造)計劃、Purdue大學工學院協(xié)同制造研究中心(www.ccm.ecn. )、日本大坂大學機械工程系制造工程及系統(tǒng)研究室、清華大學CIMS工程研究中心虛擬制造研究室、上海交通大學CIM研究所和同濟大學CIMS研究中心都開展了數(shù)字化工廠相關技術的研究。美國Tecnomatix技術公司和美國Delmia公司等長期致力于虛擬制造的研究,開發(fā)出滿足虛擬制造要求的數(shù)字化工廠軟件,這些公司都是經(jīng)過重新重組將許多小的專業(yè)軟件公司組合起來,形成數(shù)字化工廠的成套系列軟件。如工廠及生產(chǎn)線規(guī)劃仿真、工藝規(guī)劃、質(zhì)量控制和生產(chǎn)工具等軟件模塊,可以滿足不同需求的用戶。目前數(shù)字化工廠技術在汽車、航空航天、能源、制藥、重型設備、電子和家用電器、機器人等行業(yè)得到了廣泛應用并創(chuàng)造了可觀效益,一大批著名企業(yè)和部門,如BMW、Ford、Honda、波音公司、歐洲航天局、ABB、Robotics。上海大眾采用數(shù)字化工廠軟件成功進行了發(fā)動機生產(chǎn)線的設計并優(yōu)化,一汽大眾成功完成了其車身解決方案。 三一首先在起重機事業(yè)部引入“數(shù)字化工廠”這一新要素。目前,三一數(shù)字化工廠正逐漸從工廠、人機裝配、物流仿真階段向數(shù)字制造延伸。一個虛擬的數(shù)字化企業(yè)初見雛形,未來它必將與實體企業(yè)深層互動,從而引領新一輪的創(chuàng)新潮流。圖4 三一重工起重機機加區(qū)模擬仿真圖實施數(shù)字化工廠是一個復雜的系統(tǒng)工程,而且數(shù)字化工廠軟件在現(xiàn)階段還比較昂貴,如果采用的技術手段和實施方法不合適,還會存在著非常大的風險6。特別是在信息技術不斷發(fā)展、市場環(huán)境發(fā)生變化時還要能夠根據(jù)新的需求進行快速重組,以及數(shù)字化工廠軟件模塊之間,和其他軟件系統(tǒng)的集成,所有這一切都對系統(tǒng)的設計實施提出了非常高的要求。4 數(shù)字化工廠技術的發(fā)展數(shù)字化工廠技術技術已在航空航天、汽車、造船以及電子等行業(yè)得到了較為廣泛的應用,特別是在復雜產(chǎn)品制造企業(yè)取得了良好的效益,據(jù)統(tǒng)計,采用數(shù)字化工廠技術后,企業(yè)能夠減少30%產(chǎn)品上市時間;減少65%的設計修改;減少40%的生產(chǎn)工藝規(guī)劃時間;提高15%生產(chǎn)產(chǎn)能;降低13%生產(chǎn)費用7。毫無疑問,設計層發(fā)布的三維模型是后續(xù)仿真規(guī)劃分析的基礎,而車間生產(chǎn)狀態(tài)又可以反過來驅(qū)動生產(chǎn)模型,作為分析工廠運作的數(shù)據(jù)源;數(shù)字化車間需要智能裝備的支撐,而要想最大限度地發(fā)揮智能裝備的效益,則需要數(shù)字化車間提供全局的信息和基于全局信息的決策。圖5 “數(shù)字化工廠”技術在上海大眾-VW的應用在我國,面對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、工業(yè)與信息化融合的戰(zhàn)略發(fā)展要求,大力開展對于數(shù)字化車間技術系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應用,有利于推動實現(xiàn)制造過程的自動化和智能化,并可望有效帶動整體智能裝備水平的提升8。隨著電子信息技術的進步,信息化技術已深入到制造業(yè)的各個層面。數(shù)字化工廠技術狹義上來講就是本文提到的概念,從廣義上來講數(shù)字化工廠就是覆蓋產(chǎn)品的整個生命周期的數(shù)字化技術,實現(xiàn)設計數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化,并通過集成實現(xiàn)整個工廠數(shù)字化9。對于設備控制層的數(shù)字化越來越多地采用嵌入式系統(tǒng),并以現(xiàn)場總線為其信息通道,和上層以Internet/Intranet為基礎的制造信息分析和處理層結合,形成廣義上的數(shù)字化工廠信息構架,從而實現(xiàn)整個企業(yè)、企業(yè)之間的數(shù)字化。各國目前都非常重視制造業(yè)的信息化和數(shù)字化,在我國十五期間,科技部將在九五CAD/CIMS應用示范工程的基礎上,從863計劃和攻關計劃中拿出8億元作為引導資金,組織實施制造業(yè)信息化關鍵技術研究及應用示范工程,同時在國際合作領域也開展工作,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。這必將促進我國數(shù)字化工廠技術的研究和應用的發(fā)展。5 總結工業(yè)4.0是今年的一大熱詞。其實,不管是全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡、德國工業(yè)4.0,還是正在醞釀的中國制造2025規(guī)劃,都說明了一個問題:下一輪工業(yè)升級已經(jīng)提上日程。數(shù)字化工廠技術必然會成為今后制造業(yè)發(fā)展的關鍵技術。自動化與信息技術的發(fā)展促進了數(shù)字化工廠的發(fā)展。數(shù)字生產(chǎn)的過程使人可以更多地擺脫生產(chǎn)物質(zhì)的約束,進行創(chuàng)造性工作,企業(yè)也可以在新產(chǎn)品開發(fā)、成本、價格、質(zhì)量和服務方面提升競爭力。未來的中國將是世界制造中心,為此中國的制造企業(yè)對采用信息技術來帶動企業(yè)發(fā)展具有很高的需求預期,這為數(shù)字化工廠技術應用打開了廣闊空間。參考文獻:1 魏娜. 數(shù)字化工廠的提出及其關鍵技術J. 科技創(chuàng)新導報,2009(2):238.2 許立,李瑋峰,施志輝等. 三維仿真技術在車間布局設計中應用的研究J. 機床與液壓,2004(8):63-65.3 季金花,陸劍峰,朱志浩等.數(shù)字化工廠技術在汽車制造企業(yè)布局規(guī)劃中的應用研究J. 汽車工程,2009,31(11):1103-1107.4 趙榮泳,張浩等. 數(shù)字化工廠與虛擬制造的關系研究J. 計算機集成制
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