數(shù)字化工廠

1由來

　　在設(shè)計部分，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?，但在解決“如何制造→工藝設(shè)計”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，大部分國內(nèi)企業(yè)還沒有實現(xiàn)有效的計算機輔助治理機制，“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（VP）和虛擬制造（VM）的數(shù)字化輔助工程，提供了一個制造工藝信息平臺，能夠?qū)φ麄€制造過程進行設(shè)計規(guī)劃，模擬仿真和治理，并將制造信息及時地與相關(guān)部分、供應(yīng)商共享，從而實現(xiàn)虛擬制造和并行工程，保障生產(chǎn)的順利進行。

　　“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)通過同一的數(shù)據(jù)平臺，通過具體的規(guī)劃設(shè)計和驗證預(yù)見所有的制造任務(wù)，在進步質(zhì)量的同時減少設(shè)計時間，加速產(chǎn)品開發(fā)周期，消除浪費，減少為了完成某項任務(wù)所需的資源數(shù)目等，實現(xiàn)主機廠內(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)準備數(shù)字化、制造數(shù)字化、管理數(shù)字化、營銷數(shù)字化。除了要對產(chǎn)品開發(fā)過程進行建模與仿真外，還要根據(jù)產(chǎn)品的變化對生產(chǎn)系統(tǒng)的重組和運行進行仿真，使生產(chǎn)系統(tǒng)在投入運行前就了解系統(tǒng)的使用性能，分析其可靠性、經(jīng)濟性、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。

2內(nèi)涵

　　德國工程師協(xié)會定義：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，通過先進的可視化、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)時間

　　●交流透明化

　　●規(guī)劃過程標(biāo)準化

　　●勝任的知識管理

3典型應(yīng)用

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

　　●布局規(guī)劃與仿真——布局確認與優(yōu)化

　　●零件流的靜態(tài)分析與動態(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

　　●機器人及復(fù)雜運動仿真

　　●零件加工仿真

　　●人力資源仿真

　　●人機工效仿真

　　●生產(chǎn)物流系統(tǒng)仿真

　　●控制軟件測試仿真

　　●生產(chǎn)動作控制仿真

4構(gòu)建原因

　　在當(dāng)今激烈的市場競爭中，制造企業(yè)已經(jīng)意識到他們正面臨著巨大的時間、成本、質(zhì)量等壓力。在設(shè)計部門，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”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，大部門國內(nèi)企業(yè)還沒有實現(xiàn)有效的計算機輔助管理機制，“數(shù)字化工廠”技術(shù)則是企業(yè)迎接21世紀挑戰(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)商提供了一個制造工藝信息平臺，使企業(yè)能夠?qū)φ麄€制造過程進行設(shè)計規(guī)劃，模擬仿真和管理，并將制造信息及時地與相關(guān)部門、供應(yīng)商共享，從而實現(xiàn)虛擬制造和并行工程，保障生產(chǎn)的順利進行。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)可以通過詳細的規(guī)劃設(shè)計和驗證預(yù)見所有的制造任務(wù)，在提高質(zhì)量的同時減少設(shè)計時間，從而加速汽車開發(fā)周期；并且還可以消除浪費，減少為了完成某項任務(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，實現(xiàn)主機廠內(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，在實際產(chǎn)品生產(chǎn)前，在計算機模擬的環(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”驗證過的、實際生產(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，下面分別詳細介紹：

　?。?）從設(shè)計部門獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)：

　　通過系統(tǒng)集成，從設(shè)計部門的PDM系統(tǒng)中自動下載產(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)的資源庫中自動下載相關(guān)資源數(shù)據(jù)；在“數(shù)字化工廠”環(huán)境中建立相關(guān)項目的資源庫。

　?。?）工藝規(guī)劃：

　　在“數(shù)字化工廠”規(guī)劃模塊中進行協(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：總工藝計劃、細節(jié)工藝計劃、生產(chǎn)計劃及產(chǎn)品、工藝、資源關(guān)聯(lián)及工時等工藝信息。

　?。?）工藝驗證、仿真：

　　在“數(shù)字化工廠”工程模塊中驗證規(guī)劃結(jié)果。工藝驗證包括：工藝驗證、動態(tài)裝配、工位布局驗證、線平衡、工時分析、人機工程仿真、工廠布局、物流仿真、機器人仿真、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、招投標(biāo)、維護、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

　　整個過程始終涉及汽車主機廠和生產(chǎn)線供應(yīng)商，這就要求各企業(yè)使用同一平臺以保證實現(xiàn)并行工程和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范，從而實現(xiàn)并行工廠。由于協(xié)作模式、控制權(quán)及平衡標(biāo)準等的不同，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。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，已經(jīng)探索出適合中國本地的模式，下面以汽車業(yè)的具體項目說明。

5應(yīng)用示例

　　汽車生產(chǎn)

　　“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

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

　　該解決方案在制造過程的整個生命周期內(nèi)支持汽車OEM的生產(chǎn)線設(shè)計和廠房布局，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在統(tǒng)一的制造服務(wù)器e-ManufacturingServer（eMS）上，這就可以在整個制造鏈上方便地讀寫、交換和協(xié)同地交互式操作；BIWSolution提供了完整的白車身制造工程的規(guī)劃、設(shè)計、管理、項目跟蹤的團隊協(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，同時應(yīng)用物流模塊對整個生產(chǎn)線進行物流分析和優(yōu)化。

　　完整的工廠規(guī)劃及生產(chǎn)線2D/3D布局圖能使時間節(jié)省約40%，實施該方案后，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間75%，減少丟失焊點80%；并行工程的應(yīng)用減少項目規(guī)劃的工作量約30%；并增強了主機廠與生產(chǎn)線供應(yīng)商的協(xié)作等。

　　2、總裝解決方案

　　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的三維可視化設(shè)計；提供對于復(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、管理及項目跟蹤的團隊協(xié)同制造環(huán)境；人機工程可以用于人工裝配操作的仿真來對操作場地和裝配循環(huán)時間進行優(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，減少了用于驗證裝配可行性的模型數(shù)量；對復(fù)雜裝配干涉問題的仿真能早期預(yù)測和消除工程風(fēng)險；可用于多車型同線混裝的工藝方案設(shè)計和排產(chǎn)計劃的制定。

　　3、發(fā)動機解決方案

　　該解決方案提供發(fā)動機機加工生產(chǎn)線和裝配線的設(shè)計、優(yōu)化以及質(zhì)量管理的全面的制造過程解決方案。它提供了一套強大的應(yīng)用程序，對發(fā)動機和傳動系統(tǒng)加工生產(chǎn)線進行分析、規(guī)劃和仿真。該解決方案可以自動識別零件的工藝特征、設(shè)計加工工序、自動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)動機解決方案流程如圖5所示。

　　該解決方案在設(shè)計階段就可通過3D瀏覽進行更好的信息溝通；可進行早期的設(shè)計錯誤檢查(沖突分析)；可方便地進行運動學(xué)優(yōu)化；可同步地進行工藝設(shè)計；減少沖壓生產(chǎn)線的建立與調(diào)整時間并優(yōu)化工作循環(huán)時間。

　　4、物流解決方案

　　物流解決方案主要針對復(fù)雜制造體系進行建模仿真（如車身線，總裝線，噴漆線、發(fā)動機線等），包括：對生產(chǎn)線的制造能力進行評估；分析和優(yōu)化生產(chǎn)線的緩沖區(qū)尺寸；找出瓶頸點并進行優(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、方案驗證包括：物流布局規(guī)劃和仿真驗證；生產(chǎn)線緩存區(qū)的位置設(shè)定和最佳儲存量控制；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。運輸物流規(guī)劃、方案驗證包括：物流運輸?shù)缆仿窂揭?guī)劃；道路負載瓶頸流量分析；運輸車輛合理承載量計算；集貨方式和物料運輸器具規(guī)劃設(shè)計；運輸計劃（時間，車次，道路，器具）。倉儲物流規(guī)劃、方案驗證包括：存儲區(qū)布局和尺寸設(shè)計；進貨/出貨結(jié)構(gòu)指令設(shè)計；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)化快速貨流運轉(zhuǎn)機制；運輸設(shè)備系統(tǒng)方案規(guī)劃、仿真優(yōu)化。

　　教育行業(yè)

　　如今隨著國家對教育的投入力度加大，越來越多的中高職學(xué)校以示范校建設(shè)為契機，全力開展與企業(yè)接軌的專業(yè)建設(shè)，汲取企業(yè)的先進制造經(jīng)驗，其中數(shù)控、機電、模具等專業(yè)均建設(shè)數(shù)字化工廠項目，數(shù)字化工廠項目仿照企業(yè)模式，通過PLM體驗中心、現(xiàn)代實訓(xùn)車間、8S管理等內(nèi)容建設(shè)構(gòu)建出數(shù)字化工廠模型，再配合企業(yè)應(yīng)用廣泛的CAD/CAPP/CAM/PDM/DNC等軟件，完成數(shù)字化工廠核心內(nèi)涵建設(shè)，并由此展開教學(xué)模式改革，做到真正與企業(yè)接軌。

　　結(jié)語

　　“數(shù)字化工廠”貫穿整個工藝設(shè)計、規(guī)劃、驗證、直至車間生產(chǎn)工藝整個制造過程，在實施過程需要注意系統(tǒng)集成方面的問題，“數(shù)字化工廠”不是一個獨立的系統(tǒng)，規(guī)劃時，需要與設(shè)計部門的CAD/PDM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，并對設(shè)計產(chǎn)品進行可制造性驗證（工藝評審），同時，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，“數(shù)字化工廠”還有必要把企業(yè)已有的規(guī)劃“知識”（如工時卡、焊接規(guī)范等）集成起來，整個集成的底部是PLM構(gòu)架。

　　同時，類似于PDM系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)，每個企業(yè)都有自己的流程和規(guī)范，考慮到很多人都在一個環(huán)境中協(xié)同工作（工藝工程師、設(shè)計工程師、零件和工具制造者、外包商、供應(yīng)商以及生產(chǎn)工程師等），隨時會創(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。