数字化工厂技术发展与展望

数字化工厂技术发展与展望

摘要：制造业对一个国家的经济和政治地位至关重要,以及它在21世纪工业生产中的决定性的地位和作用，很多国家尤其是美国等西方发达国家都把制造业发展战略列为重中之重。随着各种现代制造技术与软件系统产生、研究与实践的不断深入，“数字化工厂”(MPM)技术与系统也就应运而生了，“数字化工厂”技术与系统作为新型制造技术与系统，是制造业迎接21世纪挑战的有效手段。本文通过对数字化工厂技术的关键技术及其发展趋势进行讨论，可以为在国内应用推广数字化工厂技术提供参考。

关键词：数字化工厂虚拟制造仿真技术

1 数字化工厂的概念

制造技术已从物质形式的制造向信息制造转变，产品中知识信息的价值占据越来越高的比例，这不但反映在产品本身，而且体现在产品的整个生命周期，特别是生产制造环节，随着信息技术的发展，不断出现了新的制造理念和制造系统，如FMS、CIMS、敏捷制造和网络化制造等。这些技术从制造的现实出发，对制造过程中产生的数据进行数字化，并对它们进行加工处理，产生相关信息，在制造系统中进行存储和交换，并直接应用于对生产过程的管理和控制，进一步可对信息进行分析加工产生相关知识，使制造系统的“智能”得到提高，通常把这种生产方式称为数字化制造。另一方面，随着仿真技术的发展和虚拟现实技术的产生，另一种概念的数字化工厂随之产生，这个工厂生存于数字信息世界，在真实工厂或生产过程还没有开始前，这个工厂在虚拟空间中运作，对真实工厂进行虚拟现实的仿真，提供优化的结果，这是现在数字化工厂主要研究和应用的内容[1]。

作为数字化与智能化制造的关键技术之一，数字化工厂是现代工业化与信息化融合的应用体现，也是实现智能化制造的必经之路。数字化工厂借助于信息化和数字化技术，通过集成、仿真、分析、控制等手段，可为制造工厂的生产全过程提供全面管控的一种整体解决方案。早在2000年前后，上汽、海尔、华为和成飞等制造企业均已开始着手建立自己的数字化工厂。近年来，随着国际竞争的不断加剧和我国制造业劳动力成本的不断上升，对设备效率、制造成本、产品质量等环节的要求不断提高，离散制造业中以汽车、工程机械、航空航天、造船为代表的大型企业已越来越重视数字化工厂的建设[2]。

数字化工厂最主要解决产品设计和产品制造之间的“鸿沟”，如图1所示为从工艺设计到产品设计的数字化仿真图。以前产品设计完成后，没有一个科学的转化渠道，仅仅凭借工艺人员、制造工程师和管理人员的经验知识进行生产工艺安排、生产计划制订，然后直接投入制造系统进行制造，对出现的问题只有在生产过程中解决。

图1 从工艺设计到生产制造仿真图

随着全球化竞争的加剧，产品的更新换代和设计制造周期缩短以及客户化定制生产方式的形成，给制造企业带来越来越大的竞争压力。以下原因促使数字化工厂概念的产生：（1）产品越来越复杂，不但零件的形状，而且产品中包含的零件个数非常多、零件之间的装配关系复杂。在设计时的微小错误，就可能造成产品开发的失败，或是不能按期交货。另一方面可能由于使用前没有发现的微小缺陷，造成重大事故。

(2)生产设备和制造系统日益趋向复杂和昂贵，生产制造系统的布局和配置是否适应所制造的产品，是否是优化的布局和配置？这些问题的解决，使制造商能够在科学的指导下进行投资，以小风险获取大的收益。

(3)一般的制造系统是非线性离散化的系统，生产制造系统的鲁棒性如何？在某些意外发生的情况下，制造系统是否能够满足生产需求？

(4)专业人员在设备的安装、使用和维修中仅仅依靠产品图纸文档，使工作效率低下，而且对人员的专业技能要求很高。

数字化工厂技术就是为解决以上问题而提出，目前国内外还没有一个统一的概念，一般可以认为数字化工厂技术能实现产品生命周期中的制造、装配、质量控制和检测等各个阶段的功能，主要解决工厂、车间和生产线以及产品的设计到制造实现的转化过程，使设计到生产制造之间的不确定性降低，在数字空间中将生产制造过程压缩和提前，使生产制造过程在数字空间中得以检验，从而提高系统的成功率和可靠性，缩短从设计到生产的转化时间[3]。数字化工厂技术带来的好处如下：

(1)缩短新产品的上市周期；

(2)减少新产品的开发成本和风险；

(3)优化产品设计以利于加工；

(4)优化生产线配置和布局，减少生产线准备和停机时间；

(5)增加生产线设备生产力，大大提高生产率；

(6)改善工人的劳动环境，提高产品质量。

2 数字化工厂的结构和主要关键技术

数字化工厂技术在虚拟现实技术和仿真优化技术的基础上发展起来，数字化工厂目前已经成为现代制造领域中的一个新的研究应用领域。针对制造系统体系结构设计及优化、生产系统的功能分解以及过程组织、生产流程设计的技术正在不断出现。毫无疑问，这些技术将有助于规划、分解工厂的结构、生产设备和制造原料的维护和储存、企业物流系统的设计以及确认企业生产能力和生产瓶颈所在。同样的，在过程组织和生产流程设计方面，也发挥出很大的作用。除此以外，为了解决复杂的设计功能，人们还采用了对生产流程进行模拟的方法。与此同时，还有采用3D动画方式把生产设备及其工作方式，以及由此而产生的对外部环境的影响真实再现出来的3D虚拟现实设备和软件。

图2展示了数字化工厂的结构，图中线框内为数字化工厂的主要内容，通过建模技术对真实工厂的制造资源和工艺数据进行分析，在计算机内建立真实工厂的数字化模型。CAD数据、加工工艺和预计的生产计划作为输入，通过优化仿真系统进行制造过程的模拟，对产品的设计和制造过程进行评价。现在越来越多的优化仿真系统还采用虚拟现实技术进行可视化仿真，并给出优化仿真结果。数字化工厂技术对生产工程的各个环节，在不同的层次，小到操作步骤，大到生产单元、生产线乃至整个工厂进行设计、仿真、分析和优化。它从并行工程的基本观点出发，在产品设计阶段就同时考虑和解决生产工程的问题，包括工艺过程设计、工艺装备、机床设备、刀具、生产线或加工单元的布局、人体工程学、生产调度、物料管理等，实现数字化的制造。其结果用于真实工厂的生产制造，如可生成PLC、机器人和数控机床等的程序，控制相关设备完成生产制造。

图2 典型数字化工厂结构

要建立数字化工厂，必须要采用虚拟制造技术[4]。虚拟制造技术（virtual manufacturing technology，VMT）是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的模拟和仿真。虚拟制造技术可以提供关键的设计和管理决策对生产成本、周期和能力的影响信息，以便正确处理产品性能与制造成本、生产进度和风险之间的平衡，作出正确的决策；也可提高生产过程开发的效率，可以按照产品的特点优化生产系统的设计；并通过生产计划的仿真，优化资源的利用，缩短生产周期，实现柔性制造和敏捷制造；而且可以根据用户的要求修改产品设计，及时作出报价和

保证交货期。

图3 虚拟制造流程

数字化工厂在基于虚拟制造技术下的关键技术有：

(1)数字化建模技术：通常研究的制造系统是非线性离散化系统，需要建立产品模型、资源模型(制造设备、原材料、能源、工夹具、生产人员和制造环境等)、工艺模型(工艺规则、制造路线等)以及生产管理模型(系统的限制和约束关系)。数字化工厂是建立在模型基础上的优化仿真系统，所以数字化建模技术是数字化工厂的基础。

(2)优化仿真技术：很早就开展起来了，随着虚拟设计技术的发展，在计算机中进行产品零件的三维造型、装配分析和数控加工模拟技术以及CAE工程分析技术不断发展和完善，这种技术进一步向制造过程领域发展。在数字化建模的基础上，对制造系统进行运动学、动力学、加工能力等各方面进行动态仿真和优化。

(3)虚拟现实技术：文本信息很难满足制造业的需求，随着三维造型技术发展，三维实体造型技术已得到普遍的应用。具有沉浸性的虚拟现实技术，使用户能身临其境地感受产品的设计过程和制造过程，使仿真的旁观者成为虚拟环境的组成部分；

(4)软件之间的重组和集成：数字化工厂软件模块之间以及和其他软件模块之间的信息交换和集成。

(5)应用工具：产生虚拟环境的工具集、各种数据转换工具、设备控制程序的生成器、各种报表的输出工具等。

3 数字化工厂技术的研究与应用

数字化工厂技术已成为国内外研究的一个热点，这个概念处在逐渐被接受的阶段，而虚拟制造技术可以说是数字化工厂技术的前身和基础[5]。目前基于虚拟制造技术的研究很多，如美国国家标准及技术局(NIST)制造工程实验室(https://www.360docs.net/doc/4c11887057.html,)、美国Michigan大学虚拟现实实验室(www-VRL.umich. edu)、美国政府能源部TEAM(技术使能的敏捷制造)计划、Purdue 大学工学院协同制造研究中心(https://www.360docs.net/doc/4c11887057.html,m.ecn. https://www.360docs.net/doc/4c11887057.html,)、日本大坂大学机械工程系制造工程及系统研究室、清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室、上海交通大学CIM研究所和同济大学CIMS研究中心都开展了数字化工厂相关技术的研究。

美国Tecnomatix技术公司和美国Delmia公司等长期致力于虚拟制造的研究，开发出满足虚拟制造要求的数字化工厂软件，这些公司都是经过重新重组将许多小的专业软件公司组合起来，形成数字化工厂的成套系列软件。如工厂及生产线规划仿真、工艺规划、质量控制和生产工具等软件模块，可以满足不同需求的用户。目前数字化工厂技术在汽车、航空航天、能源、制药、重型设备、电子和家用电器、机器人等行业得到了广泛应用并创造了可观效益，一大批著名企业和部门，如BMW、Ford、Honda、波音公司、欧洲航天局、ABB、Robotics。上海大众采用数字化工厂软件成功进行了发动机生产线的设计并优化，一汽大众成功完成了其车身解决方案。

三一首先在起重机事业部引入“数字化工厂”这一新要素。目前，三一数字化工厂正逐渐从工厂、人机装配、物流仿真阶段向数字制造延伸。一个虚拟的数字化企业初见雏形，未来它必将与实体企业深层互动，从而引领新一轮的创新潮流。

图4 三一重工起重机机加区模拟仿真图

实施数字化工厂是一个复杂的系统工程，而且数字化工厂软件在现阶段还比较昂贵，如果采用的技术手段和实施方法不合适，还会存在着非常大的风险[6]。特别是在信息技术不断发展、市场环境发生变化时还要能够根据新的需求进行快速重组，以及数字化工厂软件模块之间，和其他软件系统的集成，所有这一切都对系统的设计实施提出了非常高的要求。

4 数字化工厂技术的发展

数字化工厂技术技术已在航空航天、汽车、造船以及电子等行业得到了较为广泛的应用，特别是在复杂产品制造企业取得了良好的效益，据统计，采用数字化工厂技术后，企业能够减少30%产品上市时间；减少65%的设计修改；减少40%的生产工艺规划时间；提高15%生产产能；降低13%生产费用[7]。毫无疑问，设计层发布的三维模型是后续仿真规划分析的基础，而车间生产状态又可以反过来驱动生产模型，作为分析工厂运作的数据源；数字化车间需要智能装备的支撑，而要想最大限度地发挥智能装备的效益，则需要数字化车间提供全局的信息和基于全局信息的决策。

图5 “数字化工厂”技术在上海大众-VW的应用

在我国，面对传统产业转型升级、工业与信息化融合的战略发展要求，大力开展对于数字化车间技术系统的研究、开发与应用，有利于推动实现制造过程的自动化和智能化，并可望有效带动整体智能装备水平的提升[8]。

随着电子信息技术的进步，信息化技术已深入到制造业的各个层面。数字化工厂技术狭义上来讲就是本文提到的概念，从广义上来讲数字化工厂就是覆盖产品的整个生命周期的数字化技术，实现设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化，并通过集成实现整个工厂数字化[9]。对于设备控制层的数字化越来越多地采用嵌入式系统，并以现场总线为其信息通道，和上层以Internet/Intranet为基础的制造信息分析和处理层结合，形成广义上的数

字化工厂信息构架，从而实现整个企业、企业之间的数字化。各国目前都非常重视制造业的信息化和数字化，在我国"十五"期间，科技部将在"九五"CAD/CIMS应用示范工程的基础上，从863计划和攻关计划中拿出8亿元作为引导资金，组织实施"制造业信息化关键技术研究及应用示范工程"，同时在国际合作领域也开展工作，利用国外先进技术优势来提升我国企业的生产制造能力和核心竞争力。这必将促进我国数字化工厂技术的研究和应用的发展。

5 总结

工业4.0是今年的一大热词。其实，不管是全美制造业创新网络、德国工业4.0，还是正在酝酿的《中国制造2025》规划，都说明了一个问题：下一轮工业升级已经提上日程。数字化工厂技术必然会成为今后制造业发展的关键技术。自动化与信息技术的发展促进了数字化工厂的发展。数字生产的过程使人可以更多地摆脱生产物质的约束，进行创造性工作，企业也可以在新产品开发、成本、价格、质量和服务方面提升竞争力。未来的中国将是世界制造中心，为此中国的制造企业对采用信息技术来带动企业发展具有很高的需求预期，这为数字化工厂技术应用打开了广阔空间。

参考文献：

[1] 魏娜. 数字化工厂的提出及其关键技术[J]. 科技创新导报，2009（2）：238.

[2] 许立，李玮峰，施志辉等. 三维仿真技术在车间布局设计中应用的研究[J]. 机床与液压，2004（8）：

63-65.

[3] 季金花，陆剑峰，朱志浩等.数字化工厂技术在汽车制造企业布局规划中的应用研究[J]. 汽车工程，

2009，31（11）：1103-1107.

[4] 赵荣泳，张浩等. 数字化工厂与虚拟制造的关系研究[J]. 计算机集成制造系统，2004（10）：46-50.

[5] 张浩，樊留群，马玉敏. 数字化工厂技术与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[6] 贾晨辉，张浩，陆剑锋等，基于数字化工厂的制造业信息化平台[J]. 组合机床与自动化加工技术，2066

（7）：103-106.

[7] 吴云峰，邱华. 面向设计与制造的数字化工厂平台[J]. 中国制造业信息化，2011，40（1）：1-5.

[8] 樊留群，王晨晴. 数字化工厂技术在发动机缸盖工艺规划中的应用[J]. 中国制造业信息化，2009,38

（11）：7-10.

[9] 施宇锋，徐宁. 数字化工厂及其实现技术综述[J]. 可编程控制器与工厂自动化，2011（11）：37-39.