01

 / 智造趨勢下的數(shù)字化工廠 / 

離散制造業(yè)中以汽車、工程機(jī)械、航空、航天和船舶為代表的大型企業(yè)已越來越重視數(shù)字化工廠的建設(shè)。

數(shù)字化工廠借助信息化和數(shù)字化技術(shù)，通過集成、仿真、分析和控制等手段，可為制造型企業(yè)的制造和生產(chǎn)全過程提供全面管控的整體解決方案。

智能制造以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為其三大要素，其中數(shù)字化是基礎(chǔ)，要求產(chǎn)品模型化、資源模型化和過程可視化，不難發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)是在產(chǎn)品生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動需求、設(shè)計、制造、生產(chǎn)、驗(yàn)證及服務(wù)全過程。

圖1 數(shù)字化工廠在PLM范疇下的定位

在PLM視角下，數(shù)字化工廠有三大內(nèi)涵，分別為：

① 以MBD模型為核心的數(shù)字化協(xié)同研制；

② 以虛擬仿真為手段的數(shù)字化制造和生產(chǎn)過程的驗(yàn)證分析；

③ 以制造過程管控數(shù)據(jù)與模型為基礎(chǔ)的數(shù)字化制造和生產(chǎn)過程的優(yōu)化決策。

02

 / 數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)架構(gòu) / 

1. 技術(shù)體系框架

根據(jù)工業(yè)化和信息化兩化融合要求，數(shù)字化工廠技術(shù)體系框架如圖2所示。頂層T1框內(nèi)描述的為數(shù)字化工廠管控技術(shù)體系，T2框代表數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)的通用技術(shù)體系，T3框代表數(shù)字化工廠應(yīng)用技術(shù)體系，T4框代表數(shù)字化工廠的一般業(yè)務(wù)過程體系，T5框表示數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)能力體系。

  ( 1 ) 管控技術(shù)體系，主要包含：

① 以工藝業(yè)務(wù)活動在線閉環(huán)跟蹤為主的任務(wù)/ 計劃管理；

② 以智能裝備及企業(yè)資源管理或制造運(yùn)營管理產(chǎn)生的大量的實(shí)時和歷史的制造數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的實(shí)時分析和優(yōu)化管理；

③ 以綜合管理為基礎(chǔ)的智能決策。

 ( 2 ) 通用技術(shù)體系，主要包含：

① 應(yīng)用流程梳理工具開展數(shù)字化工廠全業(yè)務(wù)域的流程和方法及流程優(yōu)化再造的流程技術(shù)。

② 基于流程中涵蓋的人- 機(jī)- 料- 法- 環(huán)- 工具為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品、資源、設(shè)備設(shè)施、材料、能源、工裝、人員、廠房、物流、工藝過程等為內(nèi)容構(gòu)建模型的建模技術(shù)。

③ 在數(shù)字化建模的基礎(chǔ)上，對制造系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、加工能力等各方面進(jìn)行動態(tài)仿真優(yōu)化的仿真技術(shù)。

④ 在流程、模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用IT技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提供立體的多維度的數(shù)據(jù)/ 信息展示和交互的環(huán)境的可視化技術(shù)。

⑤ 以數(shù)字化工廠所涉及的流程、工具、方法、數(shù)據(jù)、知識及環(huán)境為要素的集成技術(shù)。

 ( 3 ) 應(yīng)用技術(shù)體系，主要有：

① 以構(gòu)型為指導(dǎo)、以模型和數(shù)字樣機(jī)為核心、以并行和協(xié)同為基礎(chǔ)的數(shù)字化制造過程管理技術(shù)。

② 在可視化環(huán)境中，基于樣機(jī)和模型，應(yīng)用仿真手段完成協(xié)調(diào)和工藝總方案規(guī)劃的數(shù)字化工藝規(guī)劃技術(shù)。

③ 以MBD為基礎(chǔ)，以仿真為手段，完成裝配、檢測、數(shù)控、鈑金、焊接、檢測及工裝等設(shè)計和作業(yè)指導(dǎo)書的數(shù)字化工藝/工裝設(shè)計與仿真技術(shù)。

④ 以制造系統(tǒng)中的制造要素和過程模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用仿真手段完成制造系統(tǒng)的過程模擬并基于物理生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)采信息進(jìn)一步仿真優(yōu)化的生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計與仿真技術(shù)。

⑤ 數(shù)字化工廠中所涉略的資源、設(shè)備設(shè)施、材料、工裝、人員、廠房、工藝過程及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和知識等資源應(yīng)用技術(shù)。

 ( 4 ) 業(yè)務(wù)過程體系，數(shù)字化工廠的業(yè)務(wù)過程一般有：

• 數(shù)字化工藝規(guī)劃、仿真驗(yàn)證及管理，如圖2中T4框內(nèi)的V1所示；

• 在數(shù)字化環(huán)境完成生產(chǎn)生命周期的規(guī)劃、仿真驗(yàn)證及管理，如圖2中T4框內(nèi)的V2所示；

• 物理環(huán)境中生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行及管理， 如圖2中T4框內(nèi)的V3所示。

圖2 數(shù)字化工廠技術(shù)體系框架

  ( 5 ) 基礎(chǔ)能力體系，主要包含數(shù)字化工廠的流程、 工具、 方法、 數(shù)據(jù)、資源、知識管理和分析，并通過集成形成的數(shù)字化工廠環(huán)境。

2. 信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照數(shù)字化工廠確立的技術(shù)體系框架，根據(jù)其業(yè)務(wù)過程， 總體上數(shù)字化工廠的應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示，總體上可以分為六大部分，分別為數(shù)字化制造過程管理、數(shù)字化工藝規(guī)劃、數(shù)字化工藝/裝設(shè)計與仿真、生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗(yàn)證、資源體系管理及基于ERP/MES的智能分析和決策。

因此，數(shù)字化工廠平臺的組成架構(gòu)如圖4所示。系統(tǒng)分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、功能層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層及用戶層，共六個層次。其中應(yīng)用層的搭建按照應(yīng)用架構(gòu)進(jìn)行展開。 

圖3 數(shù)字化工廠應(yīng)用架構(gòu)

圖4 數(shù)字化工廠系統(tǒng)組成架構(gòu)

 / 結(jié) 論 / 

數(shù)字化工廠的建設(shè)是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，企業(yè)在構(gòu)建過程建議以系統(tǒng)工程方法論為指導(dǎo)，同時結(jié)合企業(yè)自身的狀態(tài)，設(shè)計好數(shù)字化工廠的藍(lán)圖和評估評價體系，進(jìn)行總體規(guī)劃和分步實(shí)施。

另外，隨著計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘及智能化裝備等技術(shù)不斷地飛速發(fā)展，在未來數(shù)字化工廠建設(shè)過程也將根據(jù)企業(yè)需要，有步驟地融合相匹配的先進(jìn)技術(shù)。