數(shù)字化工廠技術(shù)發(fā)展與展望

數(shù)字化工廠技術(shù)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(guān)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(shù)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(shù)與系統(tǒng)也就應(yīng)運而生了，“數(shù)字化工廠”技術(shù)與系統(tǒng)作為新型制造技術(shù)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(shù)的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢進行討論，可以為在國內(nèi)應(yīng)用推廣數(shù)字化工廠技術(shù)提供參考。關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠 虛擬制造 仿真技術(shù)1 數(shù)字化工廠的概念制造技術(shù)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(shù)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(luò)化制造等。這些技術(shù)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(guān)信息，在制造系統(tǒng)中進行存儲和交換，并直接應(yīng)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(guān)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(shù)的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實技術(shù)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(jié)果，這是現(xiàn)在數(shù)字化工廠主要研究和應(yīng)用的內(nèi)容1。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。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(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(shè)2。數(shù)字化工廠最主要解決產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”，如圖1所示為從工藝設(shè)計到產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)字化仿真圖。以前產(chǎn)品設(shè)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(shè)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(shè)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(fù)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(guān)系復(fù)雜。在設(shè)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(shè)備和制造系統(tǒng)日益趨向復(fù)雜和昂貴，生產(chǎn)制造系統(tǒng)的布局和配置是否適應(yīng)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(dǎo)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(shè)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(shù)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(shù)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(shè)計到制造實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化過程，使設(shè)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(shè)計到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時間3。數(shù)字化工廠技術(shù)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)和主要關(guān)鍵技術(shù)數(shù)字化工廠技術(shù)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)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(lǐng)域中的一個新的研究應(yīng)用領(lǐng)域。針對制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計的技術(shù)正在不斷出現(xiàn)。毫無疑問，這些技術(shù)將有助于規(guī)劃、分解工廠的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)設(shè)備和制造原料的維護和儲存、企業(yè)物流系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計方面，也發(fā)揮出很大的作用。除此以外，為了解決復(fù)雜的設(shè)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(shè)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(shè)備和軟件。圖2展示了數(shù)字化工廠的結(jié)構(gòu)，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(shù)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(yù)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(shè)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(shù)進行可視化仿真，并給出優(yōu)化仿真結(jié)果。數(shù)字化工廠技術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)計、工藝裝備、機床設(shè)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(jié)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(guān)設(shè)備完成生產(chǎn)制造。圖2 典型數(shù)字化工廠結(jié)構(gòu)要建立數(shù)字化工廠，必須要采用虛擬制造技術(shù)4。虛擬制造技術(shù)（virtual manufacturing technology，VMT）是以虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，在計算機上實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)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(shù)可以提供關(guān)鍵的設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)下的關(guān)鍵技術(shù)有：(1)數(shù)字化建模技術(shù)：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(shè)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(guān)系)。數(shù)字化工廠是建立在模型基礎(chǔ)上的優(yōu)化仿真系統(tǒng)，所以數(shù)字化建模技術(shù)是數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)。(2)優(yōu)化仿真技術(shù)：很早就開展起來了，隨著虛擬設(shè)計技術(shù)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(shù)以及CAE工程分析技術(shù)不斷發(fā)展和完善，這種技術(shù)進一步向制造過程領(lǐng)域發(fā)展。在數(shù)字化建模的基礎(chǔ)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(shù)：文本信息很難滿足制造業(yè)的需求，隨著三維造型技術(shù)發(fā)展，三維實體造型技術(shù)已得到普遍的應(yīng)用。具有沉浸性的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使用戶能身臨其境地感受產(chǎn)品的設(shè)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(yīng)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(shè)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(shù)的研究與應(yīng)用數(shù)字化工廠技術(shù)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(shù)可以說是數(shù)字化工廠技術(shù)的前身和基礎(chǔ)5。目前基于虛擬制造技術(shù)的研究很多，如美國國家標準及技術(shù)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(shù)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(guān)技術(shù)的研究。美國Tecnomatix技術(shù)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(shù)在汽車、航空航天、能源、制藥、重型設(shè)備、電子和家用電器、機器人等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)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(shè)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(lǐng)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(fù)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(shù)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(shù)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(shè)計實施提出了非常高的要求。4 數(shù)字化工廠技術(shù)的發(fā)展數(shù)字化工廠技術(shù)技術(shù)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(yīng)用，特別是在復(fù)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(shù)后，企業(yè)能夠減少30%產(chǎn)品上市時間；減少65%的設(shè)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(shè)計層發(fā)布的三維模型是后續(xù)仿真規(guī)劃分析的基礎(chǔ)，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(shù)在上海大眾-VW的應(yīng)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(shù)系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應(yīng)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(shù)的進步，信息化技術(shù)已深入到制造業(yè)的各個層面。數(shù)字化工廠技術(shù)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(shù)，實現(xiàn)設(shè)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(shè)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(chǔ)的制造信息分析和處理層結(jié)合，形成廣義上的數(shù)字化工廠信息構(gòu)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(yīng)用示范工程的基礎(chǔ)上，從863計劃和攻關(guān)計劃中拿出8億元作為引導(dǎo)資金，組織實施制造業(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范工程，同時在國際合作領(lǐng)域也開展工作，利用國外先進技術(shù)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(shù)的研究和應(yīng)用的發(fā)展。5 總結(jié)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(luò)、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(shù)必然會成為今后制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。自動化與信息技術(shù)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(wù)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(shù)來帶動企業(yè)發(fā)展具有很高的需求預(yù)期，這為數(shù)字化工廠技術(shù)應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)J. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009（2）：238.2 許立，李瑋峰，施志輝等. 三維仿真技術(shù)在車間布局設(shè)計中應(yīng)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(shù)在汽車制造企業(yè)布局規(guī)劃中的應(yīng)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(guān)系研究J. 計算機集成制