数字化工厂技术的应用现状与趋势

　　现代工业经历了机械化、电气化革命，未来的第三次工业革命必然是以机、电、信息相结合的智能化制造革命。《经济学人》2012年4月发表的《第三次工业革命：制造业与创新》专题报道中阐述了目前由技术创新引发的制造业深刻变化，其中，数字化与智能化的制造技术是“第三次工业革命”的核心技术。

　　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。今年来，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。

　　数字化工厂的若干关注点

　　根据在范围、阶段、视角上的关注点存在差异，对于数字化工厂也有不同提法，比如可视化工厂(Visual Factory)、智慧工厂(Smart Factory)、智能工厂(Intelligence Factory)、数字化制造(Digital Manufacturing)、虚拟工厂(Virtual Factory)等。各个概念在关注点上也存在不同程度的交集，如智能工厂和数字化制造的交集就是以智能装备为核心的制造工艺过程智能化，特别是对制造装备本身的智能化。而上述各种提法之间除明显的交集之外也各有侧重，比如可视化工厂侧重于数字化工厂实现前期的数据采集和透明化，而智能工厂更侧重于后阶段的数据分析与决策。

　　上述提法中比较典型的有3类：基于三维模型的数字化协同研制，基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂和基于制造过程管控与优化的数字化车间。从制造管理的层次和从设计到制造的过程2个维度来看，它们涉及的业务范围大致如图1所示。

　　基于三维模型的数字化协同研制

　　在设计部分，三维CAD系统的应用已相当普及。1997年，美国机械工程师协会ASME就开始了全三维设计相关标准的研究制定工作，并于2003年颁布了“Y14.41(Digital Product Definition Data Practices)”标准，把三维模型和尺寸公差及制造要求统一在一个模型中表达。在生产部分，各类数控设备在加工精度和智能控制水平上近年来都得到飞速发展。基于三维模型的单一数据源和数控设备的广泛应用使得从设计端到制造端的一体化成为可能。

　　基于三维模型的数字化协同研制应用的尝试始于航空航天制造领域。由于在产品设计、材料成本、成型技术和制造精度方面具有相对更苛刻的要求，航空航天领域在加工和装配制造工艺上整体领先于其他行业，这为基于三维模型的数字化协同研制奠定了基础。

　　当前，世界先进的飞机制造商已逐步利用数字化技术实现了飞机的“无纸化”设计和生产，美国波音公司在波音777和洛克希德·马丁公司在F35的研制过程中，基于三维模型的数字化协同研制和虚拟制造技术，缩短了2/3的研制周期，降低研制成本50%。波音公司在研制X-32飞机时也是如此，借助于统一模型，辅助装配系统能把装配顺序和装配好的部件状态投射到正在装配部件的上方，让工人方便直观地进行装配工作，无需再细读图纸和翻阅工艺文件，使装配周期缩短50%，成本降低30%~40%。在飞机总装线上，在机身与机身还是机翼与机身都实现了高度自动化的校准和对接，波音和空客两大航空制造公司生产的波音737/787、A320/A380系列飞机无一例外地采用全数字化样机进行协调和辅助装配，如空客A380采用4台Leica激光跟踪仪可完成数字化装配。数字化产品的数据从研制工作的上游畅通地向下游传递，还有助于大幅减少飞机装配所需的标准工装和生产工装。借助于飞机的数字化模型，法国达索公司在装配小型公务机Falcon时，其传统的工装已减到零，对降低新机研制成本，缩短研制周期起到了难以估量的作用。该技术还能够大幅度提高产品的装配质量，如波音747机翼装配精度由原来的10.16mm提高到0.25mm。

　　在国内，中航工业第一飞机设计研究院2000年在“飞豹”飞机研制中已全面采用了数字化设计、制造和管理技术。航天科技211厂通过普及基于单一数据源的三维模型，制定了“三维到工艺”、“三维到现场”、“三维到设备”的步骤发展策略，重点解决了基于三维模型的设计工艺协同工作模式和三维设计文件的信息传递、生产现场无纸化和航天产品的加工、装配、检测等装备的数控化问题。新支线飞机ARJ21的研制100%采用三维数字化定义、数字化预装配和数字化样机。上海商飞公司利用数字化设计、分析、仿真等技术手段，实现了设计、零件制造以及装配一次成功。上述应用目前已开始推广至工程机械、造船等其他领域。

　　基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂

　　数字化模拟工厂是数字化工厂技术在制造规划层的一个独特视角。基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，采用虚拟仿真技术对制造环节从工厂规划、建设到运行等不同环节进行模拟、分析、评估、验证和优化，指导工厂的规划和现场改善。

　　由于仿真技术可以处理利用数学模型无法处理的复杂系统，能够准确地描述现实情况，确定影响系统行为的关键因素，因此该技术在生产系统规划、设计和验证阶段有着重要的作用。正因为如此，数字化模拟工厂在现代制造企业中得到了广泛的应用，典型应用包括：

　　(1)加工仿真，如加工路径规划和验证、工艺规划分析、切削余量验证等。

　　(2)装配仿真，如人因工程校核、装配节拍设计、空间干涉验证、装配过程运动学分析等。

　　(3)物流仿真，如物流效率分析、物流设施容量、生产区物流路径规划等。

　　(4)工厂布局仿真，如新建厂房规划、生产线规划、仓储物流设施规划和分析等。

　　通过基于仿真模型的“预演”，可以及早发现设计中的问题，减少建造过程中设计方案的更改。韩国三星重工利用DELMIA软件建立了完整的数字化造船系统，建立了虚拟船厂，可在虚拟环境下模拟整个造船过程。这套系统预计每年为企业减少730万美元的开支。通过模拟仿真技术能够迅速发现在持续运行的过程中出现的问题，而如果想要在现实的系统中发现这些问题，需要长期测试，花费高昂的成本。南车青岛四方机车采用虚拟仿真技术对高速列车生产环境进行了建模，并实现了建模装配仿真及物流仿真，减少了因零件返工配送不足造成的停工现象，减少了因工艺欠佳导致的装配干涉产品返工的问题。三一重工开发了OSG技术的三维工厂布局规划平台(VR Layout)，在集团内部首次应用于其宁乡产业园的工厂布局规划，缩短了工厂建设周期，并节省了因设计缺陷产生的成本，如图2所示。2011年，国内各工程设计院已逐步开始采用数字化工程设计及规划技术来辅助规划和建设新工厂，降低工程设计与规划风险。

　　在仿真工具方面，工厂仿真领域的相关技术基本被国外产品垄断，如达索公司的Delmia/Simulia、Siemens公司的Technomatix和PTC公司的Ployplan等。这些产品的特点在于与其同公司CAD/PLM系列产品的紧密集成。用于制造领域的仿真软件还有很多，如用于装配仿真的EM Assembly、DMU，用于公差分析的3DCS、eM-TolMate等，用于车间物流仿真的Plant Simulation、Quest、Flexsim、Witness、Automod等。目前相关产品都在向三维模型方向发展，使得这些仿真工具展现方式更加灵活，分析功能更加强大。