数字化工厂及关键技术研究

摘要：数字化工厂是企业数字化辅助工程新的发展阶段，包括产品开发数字化、生产准备数字化、制造数字化、管理数字化、营销数字化。除了要对产品开发过程进行建模与仿真外，还要根据产品的变化对生产系统的重组和运行进行仿真，本文重点就数字化工厂及关键技术做一探讨和分析。

关键词：数字化工厂；关键技术；制造数字化

数字化工厂是以制造产品和提供服务的企业为核心，由核心企业以及一切相关联的成员构成，使所有运营信息数字化的动态“组织”。通过数字化工厂信息系统有效地组织控制人流、物流、资金流和信息流，实现组织内部所有成员之间的高度协作和资源共享，为客户提供满意的产品和服务。而数字化工厂工作流管理系统作为数字化工厂信息系统的基础，是协调数字化工厂成员内部、成员相互间的各项活动的具体执行者。数字化工厂是指以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物，同时具有其鲜明的特征。它的出现给基础制造业注入了新的活力，主要作为沟通产品设计和产品制造之间的桥梁。

一、数字化工厂概述

数字化工厂（DF）以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。在设计部分，CAD和PDM系统的应用已相当普及；在生产部分，ERP等相关的信息系统也获得了相当的普及，但在解决“如何制造→工艺设计”这一关键环节上，大部分国内企业还没有实现有效的计算机辅助治理机制，“数字化工厂”技术与系统作为新型的制造系统，紧承着虚拟样机（VP）和虚拟制造（VM）的数字化辅助工程，提供了一个制造工艺信息平台，能够对整个制造过程进行设计规划，模拟仿真和治理，并将制造信息及时地与相关部分、供应商共享，从而实现虚拟制造和并行工程，保障生产的顺利进行。“数字化工厂”规划系统通过同一的数据平台，通过具体的规划设计和验证预见所有的制造任务，在进步质量的同时减少设计时间，加速产品开发周期，消除浪费，减少为了完成某项任务所需的资源数目等，实现主机厂内部、生产线供给商、工装夹具供给商等的并行工程。数字化工厂（DF）是企业数字化辅助工程新的发展阶段，包括产品开发数字化、生产准備数字化、制造数字化、管理数字化、营销数字化。除了要对产品开发过程进行建模与仿真外，还要根据产品的变化对生产系统的重组和运行进行仿真，使生产系统在投入运行前就了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产过程优化和网络制造提供支持。

二、数字化工厂的关键技术

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、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，所数字化建模技术是数字化工厂的基础。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、装配分析和数控加模拟技术以及以上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。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优化。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。数字化工，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。虚拟环境的下具集、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。

三、数字化工厂的解决方案

（一）产品研发的数字化和虚拟化

数字化工厂通过使用CAX等软件，建立产品的逻辑、几何、功能、性能和关联等模型，实现基于模型的产品定义与关联设计，在虚拟的数字世界中完成多学科优化、协同设计、优化分析、制造试验仿真及模拟产品的制造和运营过程（包括虚拟工厂、生产线布局、物流等）。同时，通过PLM与ERP/MES等集成，实现三维模型、数字化工艺指令等信息向生产现场的推送，并与质量、采购、物流等部门进行共享。各部门依据这些共享信息即可开展相应的零部件生产、原材料采购、产品验收和产品确认等工作。

（二）生产过程的精益化和标准化

数字化工厂是按照精益思想建设的，通过对生产过程进行优化整合，并制定相应的标准化操作规程，确保车间生产节奏更加紧凑和有序。它使用ERP统一管理和下达生产指令，使用MES和数据采集与监控系统实现对生产计划调度、物料追踪、数据采集、生产设备状态监控、工位操作、包装发货等生产运营全过程的管理，并将检测结果与PLM中设计模型进行快速对比，形成从虚拟产品设计到实际生产制造的闭环产品质量控制，实现从原料进厂到产品出厂的生产过程自动化、装备制造信息化和智能化、生产过程的高度透明化。

（三）车间生产的自动化和集成化

数字化工厂车间生产自动化是在统一通信、统一编程以及统一IT架构的基础上，通过高运行可靠性和可用性的数据链路（物联网及工业网等），把生产制造过程中众多独立的产品、工具与关联的服务进行集成，支持自动化控制、制造执行和企业资源管理等系统的完美整合。并将网络与通信、传感器与感知、自动检测、人机交互与专家系统等智能化技术加入车间制造单元与生产线中，实现系统自优化、自重构、自诊断，形成高度的柔性生产方式，达到信息技术和制造技术深度融合的目的，使得高度智能的快速生产成为可能。

四、结束语

绿色和人文是数字化工厂的重要特征，所以数字化工厂的建设不仅要求体现数字化、自动化和智能化元素，还要符合绿色人文的需求。它一方面用自动化设备来减轻人员的体力消耗和精神压力，以及用持续的职业发展规划来延长员工的工作寿命和工作质量。

参考文献：

[1]李荣彬.数码工厂年代的制造业[J].中国机械工程，2015.

[2]宁汝新，等译.虚拟产品开发技术[J].企业文化，2015.

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