數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢

1、封面文章COVER STORY封面文章COVER STORYDigital Factory: Its Application Situation and Trend華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院張國軍黃剛封面文章COVER STORY封面文章COVER STORY張國軍教授、博士生導(dǎo)師，教育部新世紀(jì)優(yōu) 秀人才獲得者，南粵百杰人才?，F(xiàn)任華 中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院副院長、東莞華中 科技大學(xué)制造工程研究院常務(wù)副院長、 制造裝備數(shù)字化國家工程研究中心副 主任、中加合資艾普工華公司董事長等。 長期從事“數(shù)字化工藝與制造過程優(yōu)化” 方面的研究工作，牽頭國家863計(jì)劃重 點(diǎn)項(xiàng)目離散制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，參與制

2、定MES國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)的汽車行業(yè) MES在我國自主品牌汽車企業(yè)廣泛應(yīng)用， 獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，省部級(jí)科 技進(jìn)步一等獎(jiǎng)多項(xiàng)。發(fā)表SCI/EI論文 40余篇，獲得專利10余項(xiàng)。在我國，面對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、工業(yè)與信息化融合的 戰(zhàn)略發(fā)展要求，大力開展對(duì)于數(shù)字化車間技術(shù)系統(tǒng)的研究、 開發(fā)與應(yīng)用，有利于推動(dòng)實(shí)現(xiàn)制造過程的自動(dòng)化和智能化， 并可望有效帶動(dòng)整體智能裝備水平的提升。34航空制造技術(shù)2013年第8期現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)歷了機(jī)械化、電氣化 革命，未來的第三次工業(yè)革命必然 是以機(jī)、電、信息相結(jié)合的智能化制 造革命。經(jīng)濟(jì)學(xué)人2012年4月發(fā) 表的第三次工業(yè)革命：制造業(yè)與創(chuàng) 新專題報(bào)道中闡述了目前由技術(shù)

3、 創(chuàng)新引發(fā)的制造業(yè)深刻變化，其中， 數(shù)字化與智能化的制造技術(shù)是“第 三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。作為數(shù)字化與智能化制造的關(guān) 鍵技術(shù)之一，數(shù)字化工廠是現(xiàn)代工業(yè) 化與信息化融合的應(yīng)用體現(xiàn)，也是實(shí) 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(shù)，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2 O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。今年來，隨著國際 競爭的不斷加劇和我國制造業(yè)勞動(dòng) 力成本的不斷上升，對(duì)設(shè)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(jī) 械、航空

4、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(shè)。數(shù)字化工廠的若干關(guān)注點(diǎn)根據(jù)在范圍、階段、視角上的關(guān) 注點(diǎn)存在差異，對(duì)于數(shù)字化工廠也有 不同提法，比如可視化工廠（Visual Factory、）智慧工廠（Smart Factory、）智能工廠(Intelligenee Factory、數(shù)字 化制造(Digital Manufacturing、虛擬 工廠(Virtual Factory等。各個(gè)概念 在關(guān)注點(diǎn)上也存在不同程度的交集， 如智能工廠和數(shù)字化制造的交集就 是以智能裝備為核心的制造工藝過 程智能化，特別是對(duì)制造裝備本身的 智能化。而上述各種提法之間除明 顯的交集之外也各有側(cè)重，比如

5、可視 化工廠側(cè)重于數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)前期 的數(shù)據(jù)采集和透明化，而智能工廠更 側(cè)重于后階段的數(shù)據(jù)分析與決策。上述提法中比較典型的有3類:基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制，基 于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字化模擬工廠 和基于制造過程管控與優(yōu)化的數(shù)字 化車間。從制造管理的層次和從設(shè) 計(jì)到制造的過程2個(gè)維度來看，它們 涉及的業(yè)務(wù)范圍大致如圖1所示。企業(yè)層/規(guī)劃設(shè)備層/控制基于三維模 型的數(shù)字化基于虛擬仿真技術(shù)的 數(shù)字化模擬工廠協(xié)同研制基于制造過程管控與優(yōu)化的數(shù)字化制造車間車間層/執(zhí)行設(shè)計(jì)工藝圖1典型數(shù)字化工廠提法的主要業(yè)務(wù)范圍生產(chǎn)基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制在設(shè)計(jì)部分，三維CAD系統(tǒng)的 應(yīng)用已相當(dāng)普及。1997年,美國

6、機(jī)械工程師協(xié)會(huì)ASME就開始了全三 維設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作，并 于 2003 年頒布了“ Y14.41( DigitalProduct Definition Data Practices ” 標(biāo) 準(zhǔn)，把三維模型和尺寸公差及制造要 求統(tǒng)一在一個(gè)模型中表達(dá)。在生產(chǎn) 部分，各類數(shù)控設(shè)備在加工精度和智 能控制水平上近年來都得到飛速發(fā) 展?；谌S模型的單一數(shù)據(jù)源和 數(shù)控設(shè)備的廣泛應(yīng)用使得從設(shè)計(jì)端 到制造端的一體化成為可能?；谌S模型的數(shù)字化協(xié)同研 制應(yīng)用的嘗試始于航空航天制造領(lǐng) 域。由于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料成本、成 型技術(shù)和制造精度方面具有相對(duì)更 苛刻的要求，航空航天領(lǐng)域在加工和 裝配制造工藝上整

7、體領(lǐng)先于其他行 業(yè)，這為基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同 研制奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前，世界先進(jìn)的飛機(jī)制造商已 逐步利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的 “無紙化”設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，美國波音公司 在波音777和洛克希德馬丁公司 在F35的研制過程中，基于三維模型 的數(shù)字化協(xié)同研制和虛擬制造技術(shù)， 縮短了 2/3的研制周期，降低研制成 本50%同。波音公司在研制 X-32飛 機(jī)時(shí)也是如此，借助于統(tǒng)一模型，輔 助裝配系統(tǒng)能把裝配順序和裝配好 的部件狀態(tài)投射到正在裝配部件的上方，讓工人方 便直觀地進(jìn)行 裝配工作，無需 再細(xì)讀圖紙和 翻閱工藝文件， 使裝配周期縮 短50%,成本降 低 30%40%4。 在飛機(jī)總裝線 上，在機(jī)身與機(jī)身

8、還是機(jī)翼與機(jī)身都實(shí)現(xiàn)了高度自 動(dòng)化的校準(zhǔn)和對(duì)接，波音和空客兩大 航空制造公司生產(chǎn)的波音737/787A320/A380系列飛機(jī)無一例外地采 用全數(shù)字化樣機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)和輔助裝 配5，如空客A380采用4臺(tái)Leica 激光跟蹤儀可完成數(shù)字化裝配6。數(shù)字化產(chǎn)品的數(shù)據(jù)從研制工作的上 游暢通地向下游傳遞，還有助于大幅減少飛機(jī)裝配所需的標(biāo)準(zhǔn)工裝和 生產(chǎn)工裝。借助于飛機(jī)的數(shù)字化模 型，法國達(dá)索公司在裝配小型公務(wù)機(jī) Falcon時(shí)，其傳統(tǒng)的工裝已減到零， 對(duì)降低新機(jī)研制成本，縮短研制周期 起到了難以估量的作用。該技術(shù)還 能夠大幅度提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量， 如波音747機(jī)翼裝配精度由原來的 10.16mm提高到 0.

9、25口卅7。在國內(nèi)，中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì) 研究院2000年在“飛豹”飛機(jī)研制 中已全面采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和 管理技術(shù)。航天科技 211廠通過普 及基于單一數(shù)據(jù)源的三維模型，制定 了 “三維到工藝”、“三維到現(xiàn)場”、“三 維到設(shè)備”的步驟發(fā)展策略，重點(diǎn)解 決了基于三維模型的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同 工作模式和三維設(shè)計(jì)文件的信息傳 遞、生產(chǎn)現(xiàn)場無紙化和航天產(chǎn)品的加 工、裝配、檢測等裝備的數(shù)控化問題。新支線飛機(jī)ARJ21的研制100%采 用三維數(shù)字化定義、數(shù)字化預(yù)裝配和 數(shù)字化樣機(jī)問。上海商飛公司利用 數(shù)字化設(shè)計(jì)、分析、仿真等技術(shù)手段， 實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、零件制造以及裝配一次 成功。上述應(yīng)用目前已開始推廣至 工程

10、機(jī)械、造船等其他領(lǐng)域?；谔摂M仿真技術(shù)的數(shù)字化模擬工廠數(shù)字化模擬工廠是數(shù)字化工廠 技術(shù)在制造規(guī)劃層的一個(gè)獨(dú)特視角。 基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字化模擬工 廠是以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù) 為基礎(chǔ)，采用虛擬仿真技術(shù)對(duì)制造環(huán) 節(jié)從工廠規(guī)劃、建設(shè)到運(yùn)行等不同環(huán) 節(jié)進(jìn)行模擬、分析、評(píng)估、驗(yàn)證和優(yōu) 化，指導(dǎo)工廠的規(guī)劃和現(xiàn)場改善。由于仿真技術(shù)可以處理利用數(shù) 學(xué)模型無法處理的復(fù)雜系統(tǒng)，能夠準(zhǔn) 確地描述現(xiàn)實(shí)情況，確定影響系統(tǒng)行 為的關(guān)鍵因素，因此該技術(shù)在生產(chǎn)系 統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段有著重要的 作用。正因?yàn)槿绱耍瑪?shù)字化模擬工廠 在現(xiàn)代制造企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng) 用，典型應(yīng)用包括：(1) 加工仿真，如加工路徑規(guī)劃 和驗(yàn)證

11、、工藝規(guī)劃分析、切削余量驗(yàn) 證等。(2) 裝配仿真，如人因工程校核、 裝配節(jié)拍設(shè)計(jì)、空間干涉驗(yàn)證、裝配 過程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等。hirumsl Electronic Publishing House. All ricih2013年第8期航空制造技術(shù)35(3) 物流仿真，如物流效率分析、 物流設(shè)施容量、生產(chǎn)區(qū)物流路徑規(guī)劃 等。(4) 工廠布局仿真，如新建廠房 規(guī)劃、生產(chǎn)線規(guī)劃、倉儲(chǔ)物流設(shè)施規(guī) 劃和分析等。通過基于仿真模型的“預(yù)演”， 可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題，減少建 造過程中設(shè)計(jì)方案的更改。韓國三 星重工利用DELMIA軟件建立了完 整的數(shù)字化造船系統(tǒng)，建立了虛擬船 廠，可在虛擬環(huán)境下模擬整個(gè)造船 過

12、程。這套系統(tǒng)預(yù)計(jì)每年為企業(yè)減 少730萬美元的開支 同。通過模擬 仿真技術(shù)能夠迅速發(fā)現(xiàn)在持續(xù)運(yùn)行 的過程中出現(xiàn)的問題，而如果想要在 現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)這些問題，需要長 期測試，花費(fèi)高昂的成本。南車青島 四方機(jī)車采用虛擬仿真技術(shù)對(duì)高速 列車生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行了建模，并實(shí)現(xiàn)了 建模裝配仿真及物流仿真，減少了因 零件返工配送不足造成的停工現(xiàn)象， 減少了因工藝欠佳導(dǎo)致的裝配干涉 產(chǎn)品返工的問題。三一重工開發(fā)了 OSG技術(shù)的三維工廠布局規(guī)劃平臺(tái) (VR Layout )10，在集團(tuán)內(nèi)部首次應(yīng) 用于其寧鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)園的工廠布局規(guī)劃， 縮短了工廠建設(shè)周期， 并節(jié)省了因 設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生的成本，如圖2所示。 2011年，國內(nèi)各

13、工程設(shè)計(jì)院已逐步 開始采用數(shù)字化工程設(shè)計(jì)及規(guī)劃技 術(shù)來輔助規(guī)劃和建設(shè)新工廠，降低工 程設(shè)計(jì)與規(guī)劃風(fēng)險(xiǎn)。在仿真工具方面，工廠仿真領(lǐng)域 的相關(guān)技術(shù)基本被國外產(chǎn)品壟斷，如 達(dá)索公司的 Delmia/Simulia Siemens 公司的Tech no matix和PTC公司的 Ployplan等11。這些產(chǎn)品的特點(diǎn)在 于與其同公司CAD/PLM系列產(chǎn)品 的緊密集成。用于制造領(lǐng)域的仿真 軟件還有很多，如用于裝配仿真的 EM Assembly、DMU用于公差分析 的3DCS eM-TolMate等，用于車間 物流仿真的 Plant Simulation Quest、 Flexsim Witness Au

14、tomod 等。目前 相關(guān)產(chǎn)品都在向三維模型方向發(fā)展， 使得這些仿真工具展現(xiàn)方式更加靈 活，分析功能更加強(qiáng)大12。基于制造過程管控與優(yōu)化的數(shù)字化車間在制造企業(yè)，車間是將設(shè)計(jì)意圖 轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。車間制造 過程的數(shù)字化涵蓋了生產(chǎn)領(lǐng)域中車 間、生產(chǎn)線、單元等不同層次上設(shè)備、 過程的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化。其 發(fā)展趨勢也分別體現(xiàn)在底層制造裝 備智能化、中間層的制造過程優(yōu)化和 頂層的制造績效可視化3個(gè)層次。圖2三一重工生產(chǎn)線規(guī)劃中的物流仿真在底層制造裝備方面，數(shù)字化工 廠主要解決制造能力自治的問題。 設(shè)備制造商不僅持續(xù)在提升設(shè)備本 身高速、高精、高可靠等性能方面不 斷取得進(jìn)展，同時(shí)也越來越重視設(shè)

15、備 的感知、分析、決策、控制功能，比如 各種自適應(yīng)加工控制、智能化加工編 程、自動(dòng)化加工檢測和實(shí)時(shí)化狀態(tài) 監(jiān)控及自診斷/自恢復(fù)系統(tǒng)等技術(shù) 在生產(chǎn)線工作中心及車間加工單元 中得到普遍運(yùn)用。如日本 Moriseiki 的最新機(jī)床產(chǎn)品上安裝的操作系統(tǒng) MAPPS該系統(tǒng)內(nèi)置了森精機(jī)的操 作編程維修軟件，具有很高的開放 性，具有對(duì)話式編程，三維切削模擬 和維修指導(dǎo)畫面，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控功能 方便維修服務(wù)，并且可以直接進(jìn)行切 削仿真。制造裝備的另一個(gè)趨勢是 把機(jī)床設(shè)備和相關(guān)輔助裝置(如機(jī)械 手)進(jìn)行集成，共同構(gòu)成柔性加工系 統(tǒng)或柔性制造單元。也有不少廠商 支持將多臺(tái)數(shù)控機(jī)床連成生產(chǎn)線，既 可一人多機(jī)操縱，又可

16、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管 理。上文提到的 MAPPS系統(tǒng)就可 以通過使用CAPS-NET網(wǎng)絡(luò)軟件建 立基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，從而可以對(duì) 作業(yè)狀況和生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行一元化管 理。MAZAK公司在單機(jī)的智能化、 網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，開發(fā)了智能生產(chǎn)中心 (CPC管理軟件，一套軟件便可管理 多達(dá)250臺(tái)的數(shù)控機(jī)床，使得生產(chǎn)的 過程控制由車間級(jí)細(xì)化到每臺(tái)數(shù)控 機(jī)床，為客戶的工廠實(shí)施數(shù)字化制造 提供了前提。在制造過程管理層次，隨著精細(xì) 化生產(chǎn)的需求越來越突出，近年來MES/MOM逐漸被制造企業(yè)所接受。 MES/MOM可分為車間生產(chǎn)計(jì)劃與 管理和現(xiàn)場制造采集與控制兩部分。 車間生產(chǎn)計(jì)劃與管理主要完成車間 作業(yè)計(jì)劃的編排、平衡、分派，

17、同時(shí)涉 及到相關(guān)制造資源的分配和準(zhǔn)備13。 國內(nèi)外已有較多提供 MES/MOM解 決方案的產(chǎn)品提供商，如艾普工華在 離散制造業(yè)特別是汽車及零部件、工 程機(jī)械、航空等行業(yè)，Camstar在太 陽能、電子行業(yè)，寶信在鋼鐵行業(yè)，石 化盈科在石油化工行業(yè)，西門子在制 藥、煙草行業(yè)等，這些產(chǎn)品依托自身 對(duì)制造業(yè)務(wù)的深刻理解，已確立了 在這些行業(yè)的領(lǐng)先地位。RockwellWonderware和GE依托在自動(dòng)化領(lǐng) 域的優(yōu)勢，也已逐步 向MES延伸。目前 各廠商在研發(fā)高性 能高可靠的系統(tǒng)平 臺(tái)和模塊化產(chǎn)品方 面投入巨大，上述平 臺(tái)和產(chǎn)品提升了快 速搭建MES/MOM 解決方案的能力?，F(xiàn)場制造數(shù)據(jù) 采集的一個(gè)

18、明顯趨 勢是以RFID、無線封面文章COVER STORY封面文章COVER STORY36航空制造技術(shù)2013年第8期封面文章COVER STORY封面文章COVER STORY傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技 術(shù)的應(yīng)用14。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被認(rèn)為是 信息技術(shù)領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，借其 可實(shí)現(xiàn)對(duì)于制造過程全流程的“泛在感知”，特別能夠是利用 RFID無 縫、不間斷地獲取和準(zhǔn)確、可靠地發(fā) 送實(shí)時(shí)信息流。汽車行業(yè)，比如自主 品牌的江淮汽車，在2006年前后就 開始應(yīng)用RFID技術(shù)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的 在制品進(jìn)行跟蹤15。航空航天企業(yè) 由于通常不允許在零部件上附加標(biāo) 識(shí)，因此通常采用以激光標(biāo)刻為代表 的二維碼技術(shù)來

19、實(shí)現(xiàn)WIP和關(guān)鍵零 部件跟蹤。在更細(xì)分的領(lǐng)域，RFID 技術(shù)在刀具、設(shè)備管理方面也有成功 應(yīng)用，主流技術(shù)是利用刀柄上的預(yù)留 空槽置入RFID標(biāo)簽，同時(shí)通過與機(jī) 床刀庫和對(duì)刀儀的集成對(duì)刀具使用、 維護(hù)等進(jìn)行全面管理。如 Balluff的 Fanuc miLink Tool ID系統(tǒng)就可以方 便地連接Fanuc控制器控制的CNC 機(jī)床，自動(dòng)進(jìn)入CNC取得刀具跟蹤 信息。值得一提的是，隨著基于泛在 信息的智能制造系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展，裝 備本身的智能化水平也得到了提升， 這使得MES/MOM執(zhí)行管理系統(tǒng)不 再被動(dòng)地獲取制造數(shù)據(jù)，而是能夠主 動(dòng)感知用戶場景的變化并進(jìn)行提供 實(shí)時(shí)反饋。隨著MES/MOM等軟件

20、的應(yīng)用 推廣，制造企業(yè)已逐步獲得了大量制造數(shù)據(jù)。如何充分利用這些實(shí)時(shí)和 歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過制造績效可視化 提高對(duì)異常狀況的預(yù)知、響應(yīng)和判斷 能力，也是近期發(fā)展趨勢之一。對(duì)于 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主要解決的問題是對(duì)制造 異常事件的敏捷響應(yīng)以及對(duì)制造績 效偏離的快速修復(fù)。自動(dòng)控制系統(tǒng) 中常用的組態(tài)是一個(gè)典型的例子，但 由于組態(tài)通常是桌面應(yīng)用并基于連 續(xù)量的，對(duì)于多客戶端的分布式展示 和多并發(fā)的并行數(shù)據(jù)流支持存在一 定困難。目前的趨勢是利用基于 B/S 的可定制可縮放矢量圖形技術(shù)來動(dòng) 態(tài)刷新來自服務(wù)端的數(shù)據(jù)推送。圖 3是一個(gè)展現(xiàn)5條沖壓線生產(chǎn)實(shí)績 的例子，所展示的生產(chǎn)績效可視化功 能同時(shí)支持了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計(jì)

21、數(shù) 據(jù)，能夠輔助分析出瓶頸環(huán)節(jié)。通過 向管理者推送并共享全方位的實(shí)時(shí) 制造狀態(tài)數(shù)據(jù)，能夠有效消除信息的 不對(duì)稱問題，有助于對(duì)突發(fā)問題快速 達(dá)成解決方案并作出快速響應(yīng)。對(duì)于歷史數(shù)據(jù)，主要解決的問題 是如何從中找出改善未來制造業(yè)務(wù) 的依據(jù)，特別是從質(zhì)量趨勢、物流瓶 頸、計(jì)劃執(zhí)行情況、設(shè)備運(yùn)行歷史等 數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)可能影響未來生產(chǎn)過程 的規(guī)律。這方面的技術(shù)基礎(chǔ)是商業(yè) 智能分析，在ERP系統(tǒng)中已經(jīng)比較 成熟，典型的代表是SAP的BQ由 于MES/MOM實(shí)時(shí)性更強(qiáng)并且事務(wù)Moca Auto China Co.Stamping WorkshopCEESlamipin Lki« <2F.T.Q.13 mlnHECDScMOnjFT.Q62.3%AchKrtdWMtDelKllVE"Tatal Dow rTifiemln97-4%Siampfng Llm 笳Oft235-17753ABTprlfl5 m in圖3生產(chǎn)實(shí)績與警示的動(dòng)態(tài)展現(xiàn)China Ac Acinic Journal E Lcctrotiic PublisfiinQ House, All rights jocservci更頻繁，需要更針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)， 目前這方面的成熟解決方案尚不