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數(shù)字化工廠

數(shù)字化工廠（DF）以產(chǎn)品全生命周期的相關(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)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。

數(shù)字化工廠（DF）是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)具有其鮮明的特征。它的出現(xiàn)給基礎(chǔ)制造業(yè)注入了新的活力，主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的橋梁

工廠由來

在設(shè)計(jì)部分，CAD 和 PDM系統(tǒng)的應(yīng)用已相當(dāng)普及；在生產(chǎn)部分，ERP等相關(guān)的信息系統(tǒng)也獲得了相當(dāng)?shù)钠占埃诮鉀Q“如何制造→工藝設(shè)計(jì)”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，大部分國(guó)內(nèi)企業(yè)還沒有實(shí)現(xiàn)有效的計(jì)算機(jī)輔助治理機(jī)制，“數(shù)字化工廠”技術(shù)與系統(tǒng)作為新型的制造系統(tǒng)，緊承著虛擬樣機(jī)（VP）和虛擬制造（VM）的數(shù)字化輔助工程，提供了一個(gè)制造工藝信息平臺(tái)，能夠?qū)φ麄€(gè)制造過程進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，模擬仿真和治理，并將制造信息及時(shí)地與相關(guān)部分、供應(yīng)商共享，從而實(shí)現(xiàn)虛擬制造和并行工程，保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)通過同一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過具體的規(guī)劃設(shè)計(jì)和驗(yàn)證預(yù)見所有的制造任務(wù)，在進(jìn)步質(zhì)量的同時(shí)減少設(shè)計(jì)時(shí)間，加速產(chǎn)品開發(fā)周期，消除浪費(fèi)，減少為了完成某項(xiàng)任務(wù)所需的資源數(shù)目等，實(shí)現(xiàn)主機(jī)廠內(nèi)部、生產(chǎn)線供給商、工裝夾具供給商等的并行工程。

數(shù)字化工廠（DF）是企業(yè)數(shù)字化輔助工程新的發(fā)展階段，包括產(chǎn)品開發(fā)數(shù)字化、生產(chǎn)準(zhǔn)備數(shù)字化、制造數(shù)字化、管理數(shù)字化、營(yíng)銷數(shù)字化。除了要對(duì)產(chǎn)品開發(fā)過程進(jìn)行建模與仿真外，還要根據(jù)產(chǎn)品的變化對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的重組和運(yùn)行進(jìn)行仿真，使生產(chǎn)系統(tǒng)在投入運(yùn)行前就了解系統(tǒng)的使用性能，分析其可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等，為生產(chǎn)過程優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)制造提供支持。

工廠內(nèi)涵

德國(guó)工程師協(xié)會(huì)定義：數(shù)字化工廠（DF）是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò)，包含仿真和3D/虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，通過連續(xù)的沒有中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。

數(shù)字化工廠（DF）集成了產(chǎn)品、過程和工廠模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過先進(jìn)的可視化、仿真和文檔管理，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程所涉及的質(zhì)量和動(dòng)態(tài)性能：

●提高盈利能力

●提高規(guī)劃質(zhì)量

●縮短產(chǎn)品投產(chǎn)時(shí)間

●交流透明化

●規(guī)劃過程標(biāo)準(zhǔn)化

●勝任的知識(shí)管理

虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)

主要環(huán)節(jié)

主流市場(chǎng)觀點(diǎn)認(rèn)為，數(shù)字化工廠主要涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃與生產(chǎn)執(zhí)行三大環(huán)節(jié)，數(shù)字化建模、虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)/加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）等技術(shù)包含在其中。

1. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)——三維建模是基礎(chǔ)

在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)利用數(shù)字化建模技術(shù)為產(chǎn)品構(gòu)建三維模型，能夠有效減少物理實(shí)體樣機(jī)制造和人員重復(fù)勞動(dòng)所產(chǎn)生的成本。同時(shí)，三維模型涵蓋著產(chǎn)品所有的幾何信息與非幾何制造信息，這些屬性信息會(huì)通過PDM/cPDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理/協(xié)同產(chǎn)品定義管理)這種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，伴隨產(chǎn)品整個(gè)生命周期，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同研制、產(chǎn)品從設(shè)計(jì)端到制造端一體化的重要保證。

例如，美國(guó)波音公司在其737-NX和787的設(shè)計(jì)制造中，利用數(shù)字化建模技術(shù)，不但有效縮短了研制周期，大幅降低了研制成本，而且通過PDM/cPDM，有效實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)的信息協(xié)同，從而大幅提高了生產(chǎn)效率。

2.生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)——工藝仿真是關(guān)鍵

在生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)，基于PDM/cPDM中所同步的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，利用虛擬仿真技術(shù)，可以對(duì)于工廠的生產(chǎn)線布局、設(shè)備配置、生產(chǎn)制造工藝路徑、物流等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃。

虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、船舶及其他大型設(shè)備制造過程中。例如，大眾汽車公司旗下斯柯達(dá)捷克工廠，即采用西門子的Tecnomatix，利用虛擬仿真工藝路徑規(guī)劃，來減少實(shí)際生產(chǎn)線調(diào)整改進(jìn)所需要花費(fèi)的成本。

3.生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)通

這個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化，體現(xiàn)在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）與其他系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通上。MES與ERP、PDM/cPDM之間的集成，能夠保證所有相關(guān)產(chǎn)品屬性信息從始至終保持同步，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。

瑪莎拉蒂的Bertone工廠即采用上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)Quattroporte與Ghibli兩款不同車型的全自動(dòng)生產(chǎn)與組裝，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)能提升幅度高達(dá)兩倍以上。

 典型應(yīng)用

數(shù)字化工廠（DF）的集成，首先需要強(qiáng)大的界面和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，將不同復(fù)雜層次之間和不同運(yùn)作功能領(lǐng)域之間的實(shí)際數(shù)據(jù)和模塊進(jìn)行聯(lián)合使用，常見的應(yīng)用有：

●布局規(guī)劃與仿真——布局確認(rèn)與優(yōu)化

●零件流的靜態(tài)分析與動(dòng)態(tài)仿真

 數(shù)字化工廠

●裝配過程平衡

●復(fù)雜的物流操作仿真

●機(jī)器人及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)仿真

●零件加工仿真

●人力資源仿真

●人機(jī)工效仿真

●生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真

●控制軟件測(cè)試仿真

●生產(chǎn)動(dòng)作控制仿真

工廠結(jié)構(gòu)原因

在當(dāng)今激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，制造企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到他們正面臨著巨大的時(shí)間、成本、質(zhì)量等壓力。在設(shè)計(jì)部門，CAD & PDM系統(tǒng)的應(yīng)用獲得了成功。同樣，在生產(chǎn)部門，ERP等相關(guān)信息系統(tǒng)也獲得了巨大的成功，但在解決“如何制造→工藝設(shè)計(jì)”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，大部分國(guó)內(nèi)企業(yè)還沒有實(shí)現(xiàn)有效的計(jì)算機(jī)輔助管理機(jī)制，“數(shù)字化工廠”技術(shù)則是企業(yè)迎接21世紀(jì)挑戰(zhàn)的有效手段。

“數(shù)字化工廠”技術(shù)與系統(tǒng)作為新型的制造系統(tǒng)，為制造商及其供應(yīng)商提供了一個(gè)制造工藝信息平臺(tái)，使企業(yè)能夠?qū)φ麄€(gè)制造過程進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，模擬仿真和管理，并將制造信息及時(shí)地與相關(guān)部門、供應(yīng)商共享，從而實(shí)現(xiàn)虛擬制造和并行工程，保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行。在汽車行業(yè)，數(shù)字化工廠更是發(fā)揮著重要的作用。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造開始的工作轉(zhuǎn)換是汽車開發(fā)過程中最關(guān)鍵的步驟之一，“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)可以通過詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和驗(yàn)證預(yù)見所有的制造任務(wù)，在提高質(zhì)量的同時(shí)減少設(shè)計(jì)時(shí)間，從而加速汽車開發(fā)周期；并且還可以消除浪費(fèi)，減少為了完成某項(xiàng)任務(wù)所需的資源數(shù)量等。此外，“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)廠內(nèi)部、生產(chǎn)線供應(yīng)商、工裝夾具供應(yīng)商等的并行工程。

1.全面的制造過程管理

“數(shù)字化工廠”提供了全面的制造過程管理，在實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)前，在計(jì)算機(jī)模擬的環(huán)境中完成虛擬生產(chǎn)全部過程，生成經(jīng)過“數(shù)字化工廠”驗(yàn)證過的、實(shí)際生產(chǎn)所需的各種工藝數(shù)據(jù)和文檔。

2.工作流程

工作流程如圖2所示，下面分別詳細(xì)介紹：

（1）從設(shè)計(jì)部門獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)：

通過系統(tǒng)集成，從設(shè)計(jì)部門的PDM系統(tǒng)中自動(dòng)下載產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)，包括3D模型、裝配關(guān)系等；并在“數(shù)字化工廠”環(huán)境中進(jìn)行工藝審查、公差分析等。

（2）從工裝工具、生產(chǎn)部門獲取資源數(shù)據(jù)（2D/3D）：

通過系統(tǒng)集成，從企業(yè)的資源庫(kù)中自動(dòng)下載相關(guān)資源數(shù)據(jù)；在“數(shù)字化工廠”環(huán)境中建立相關(guān)項(xiàng)目的資源庫(kù)。

（3）工藝規(guī)劃：

在“數(shù)字化工廠”規(guī)劃模塊中進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃或?qū)牍に嚥块T已有工藝信息。工藝規(guī)劃包括：總工藝計(jì)劃、細(xì)節(jié)工藝計(jì)劃、生產(chǎn)計(jì)劃及產(chǎn)品、 工藝、資源關(guān)聯(lián)及工時(shí)等工藝信息。

（4）工藝驗(yàn)證、仿真：

在“數(shù)字化工廠”工程模塊中驗(yàn)證規(guī)劃結(jié)果。工藝驗(yàn)證包括：工藝驗(yàn)證、動(dòng)態(tài)裝配、工位布局驗(yàn)證、線平衡、工時(shí)分析、人機(jī)工程仿真、 工廠布局、物流仿真、機(jī)器人仿真、NC仿真、沖壓仿真、PLC仿真和質(zhì)檢等。

（5）客戶化輸出：

通過系統(tǒng)集成和客戶化開發(fā)，輸出工藝執(zhí)行文件；通過系統(tǒng)集成和客戶化開發(fā)，輸出生產(chǎn)、采購(gòu)、招投標(biāo)、維護(hù)、培訓(xùn)等信息或?qū)?shù)據(jù)傳遞到現(xiàn)有的CAPP系統(tǒng)中。

3.規(guī)劃模式

整個(gè)過程始終涉及汽車主機(jī)廠和生產(chǎn)線供應(yīng)商，這就要求各企業(yè)使用同一平臺(tái)以保證實(shí)現(xiàn)并行工程和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范，從而實(shí)現(xiàn)并行工廠。由于協(xié)作模式、控制權(quán)及平衡標(biāo)準(zhǔn)等的不同，全球不同汽車規(guī)劃體系（美系、歐系、日系等）使用的“數(shù)字化工廠”解決方案具有不同模式和本地化特點(diǎn)。北京迪基透科技有限公司通過多年與不同廠家的合作，逐步積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)探索出適合中國(guó)本地的模式，下面以汽車業(yè)的具體項(xiàng)目說明。

應(yīng)用實(shí)例

數(shù)字化工廠”解決方案覆蓋了汽車生產(chǎn)的所有過程。

1.白車身解決方案

這是一個(gè)可以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行的解決方案，實(shí)現(xiàn)白車身生產(chǎn)線、裝配單元和工藝過程的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、方案驗(yàn)證及詳細(xì)的設(shè)計(jì)和仿真、優(yōu)化，并保證信息及時(shí)更新、交流和共享。

該解決方案在制造過程的整個(gè)生命周期內(nèi)支持汽車OEM的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和廠房布局，以電子化工藝過程表（eBOP）的格式定義制造過程并把他們存儲(chǔ)在統(tǒng)一的制造服務(wù)器e-Manufacturing Server（eMS）上，這就可以在整個(gè)制造鏈上方便地讀寫、交換和協(xié)同地交互式操作；BIW Solution提供了完整的白車身制造工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理、項(xiàng)目跟蹤的團(tuán)隊(duì)協(xié)同制造環(huán)境；該方案主要解決白車身焊接生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃、焊接管理、焊接仿真和裝焊線的布局，同時(shí)應(yīng)用物流模塊對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行物流分析和優(yōu)化。

完整的工廠規(guī)劃及生產(chǎn)線2D/3D布局圖能使時(shí)間節(jié)省約40%，實(shí)施該方案后，顯著提高了工藝規(guī)劃效率和質(zhì)量；在綜合的焊接管理方面，減少焊接信息查詢的時(shí)間75%，減少丟失焊點(diǎn)80%；并行工程的應(yīng)用減少項(xiàng)目規(guī)劃的工作量約30%；并增強(qiáng)了主機(jī)廠與生產(chǎn)線供應(yīng)商的協(xié)作等。

2.總裝解決方案

總裝解決方案（見圖4）主要解決總裝生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃，多車型混線生產(chǎn)管理，復(fù)雜的物流仿真優(yōu)化，根據(jù)定單的排產(chǎn)計(jì)劃和總裝線的布局等，支持用戶完成從生產(chǎn)裝配過程分析到具體裝配站點(diǎn)的三維可視化設(shè)計(jì)；提供對(duì)于復(fù)雜操作的三維仿真分析；提供了完整的總裝制造工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理及項(xiàng)目跟蹤的團(tuán)隊(duì)協(xié)同制造環(huán)境；人機(jī)工程可以用于人工裝配操作的仿真來對(duì)操作場(chǎng)地和裝配循環(huán)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化等；還具有用于混產(chǎn)規(guī)劃過程仿真、分析生產(chǎn)線的性能，包括產(chǎn)量、物流、生產(chǎn)線平衡、瓶頸和緩沖區(qū)大小等。

總裝解決方案在規(guī)劃過程中考慮了多種方案的優(yōu)選，減少了用于驗(yàn)證裝配可行性的模型數(shù)量；對(duì)復(fù)雜裝配干涉問題的仿真能早期預(yù)測(cè)和消除工程風(fēng)險(xiǎn)；可用于多車型同線混裝的工藝方案設(shè)計(jì)和排產(chǎn)計(jì)劃的制定。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)解決方案

該解決方案提供發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)加工生產(chǎn)線和裝配線的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及質(zhì)量管理的全面的制造過程解決方案。它提供了一套強(qiáng)大的應(yīng)用程序，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)加工生產(chǎn)線進(jìn)行分析、規(guī)劃和仿真。該解決方案可以自動(dòng)識(shí)別零件的工藝特征、設(shè)計(jì)加工工序、自動(dòng)選擇最佳的加工參數(shù)和刀具和生成NC刀具路徑乃至NC程序，并為生產(chǎn)線上的工位分配優(yōu)化的工序。發(fā)動(dòng)機(jī)解決方案流程如圖5所示。

該解決方案在設(shè)計(jì)階段就可通過3D瀏覽進(jìn)行更好的信息溝通；可進(jìn)行早期的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤檢查 (沖突分析)；可方便地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化；可同步地進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)；減少?zèng)_壓生產(chǎn)線的建立與調(diào)整時(shí)間并優(yōu)化工作循環(huán)時(shí)間。

4.物流解決方案

物流解決方案主要針對(duì)復(fù)雜制造體系進(jìn)行建模仿真（如車身線，總裝線，噴漆線、發(fā)動(dòng)機(jī)線等），包括：對(duì)生產(chǎn)線的制造能力進(jìn)行評(píng)估；分析和優(yōu)化生產(chǎn)線的緩沖區(qū)尺寸；找出瓶頸點(diǎn)并進(jìn)行優(yōu)化；制定最佳的物流控制策略；定義精確的制造系統(tǒng)參數(shù)等。

其中的生產(chǎn)線物流規(guī)劃、方案驗(yàn)證包括：物流布局規(guī)劃和仿真驗(yàn)證；生產(chǎn)線緩存區(qū)的位置設(shè)定和最佳儲(chǔ)存量控制；物流路徑的規(guī)劃與仿真優(yōu)化；輸送鏈系統(tǒng)的布局，控制方案，運(yùn)行策略；生產(chǎn)次序的優(yōu)化；物流路徑的流量和瓶頸分析。運(yùn)輸物流規(guī)劃、方案驗(yàn)證包括：物流運(yùn)輸?shù)缆仿窂揭?guī)劃；道路負(fù)載瓶頸流量分析； 運(yùn)輸車輛合理承載量計(jì)算；集貨方式和物料運(yùn)輸器具規(guī)劃設(shè)計(jì)； 運(yùn)輸計(jì)劃（時(shí)間，車次，道路，器具）。倉(cāng)儲(chǔ)物流規(guī)劃、方案驗(yàn)證包括：存儲(chǔ)區(qū)布局和尺寸設(shè)計(jì)；進(jìn)貨/出貨結(jié)構(gòu)指令設(shè)計(jì)；物流穩(wěn)定性分析 ；優(yōu)化物流控制策略；優(yōu)化集貨合貨物分配模型；優(yōu)化快速貨流運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制；運(yùn)輸設(shè)備系統(tǒng)方案規(guī)劃、仿真優(yōu)化。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化工廠”貫穿整個(gè)工藝設(shè)計(jì)、規(guī)劃、驗(yàn)證、直至車間生產(chǎn)工藝整個(gè)制造過程，在實(shí)施過程需要注意系統(tǒng)集成方面的問題，“數(shù)字化工廠”不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，規(guī)劃時(shí)，需要與設(shè)計(jì)部門的CAD/PDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行可制造性驗(yàn)證（工藝評(píng)審），同時(shí)，所有規(guī)劃還需要考慮工廠資源情況。所以，“數(shù)字化工廠”與設(shè)計(jì)系統(tǒng)CAD/PDM和企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP的集成是必須的。同時(shí)，“數(shù)字化工廠”還有必要把企業(yè)已有的規(guī)劃“知識(shí)”（如工時(shí)卡、焊接規(guī)范等）集成起來，整個(gè)集成的底部是PLM構(gòu)架。

同時(shí)，類似于PDM系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)，每個(gè)企業(yè)都有自己的流程和規(guī)范，考慮到很多人都在一個(gè)環(huán)境中協(xié)同工作（工藝工程師、設(shè)計(jì)工程師、零件和工具制造者、外包商、供應(yīng)商以及生產(chǎn)工程師等），隨時(shí)會(huì)創(chuàng)建大量的數(shù)據(jù)，所以，“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)也存在客戶化定制的要求，如操作界面、流程規(guī)范、輸出等，主要是便于使用和存取等。