未来智能工厂中数字化及仿真技术应用

发布时间：2017-05-12

关键字：智能工厂仿真技术

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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。

数字化工厂之目标为事先产出未来之制造计划，目标是预先以数字化的方式筛选各项规划方案的效果，降低未来之风险提升成功率。而其实数字工厂的技术可以整合各种数字模型和方法（CAD/CAM/CAE），藉此完成产品之开发、设计最佳化、生产制造最佳化的大部分工作。

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，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。

而有了数字工厂的技术，就能在盖厂或完成生产系统前，就在计算机上构思未来生产运转的面貌。为了达到这个目标，必须采用计算机辅助软件进行所有厂房、产品组件、机械工具、治夹具、输送系统甚至是作业人员的几何设计，还需要有系统仿真的随机概念以及生产流程3D可视化软件技术的配合，下图则为太阳能面板搬运之仿真示意图。

为何我们需要数字仿真？

1.过于复杂的系统，而使用简单的数学公式或经验法则无法获得解答时。

2.计划建立的系统属于高成本或长时间，存在高风险之现象，而为降低风险，可利用仿真先行确认系统之可行性。

3.已存在之系统需进行改造，但因停机调整成本过高，导致项目时程很短，此时则可利用仿真确认项目流程或步骤，藉此降低风险。

4.确认未知的风险。

数字化工厂之成功案例

全球汽车市场的领先者TOYOTA汽车的“生产规划”一向集中于日本设计，其中包含产能及生产线规划，而TOYOTA位于全球各地的制造工厂只有生产之功能，而当新的车型要导入开发时，各地区的工程师必须前往日本去了解并且检讨新车型的制造方法，但崭新的现代的数字技术可将数据储存于网络上分享给各地的工程师，而进一步利用数字仿真技术来实现“制造导向之设计”的方法，而英国的工程师得以于“设计阶段”时，便利用仿真技术于计算机中仿真未来的作业之情境，其中包含人工及自动化作业，而藉此使生产达到最佳化的模式。

至于仿真的范畴则包含制造流程、制造工具设备及人员作业及训练等，仿真检讨的过程中，这些资料可以回馈给日本的工程师，TOYOTA日本总部还是有绝对之控制权，而透过数字的技术可使来往日本与英国的次数缩短，这不只是单纯的代表旅费成本缩短，这也表示整个由设计到制造流程的时间缩短。

未来自动化的趋势

台湾与大陆的人力成本增加是不变的趋势，而随着设备售价逐渐降低，未来将形成一个黄金交叉点，届时为降低人力成本支出时将开始大量的采用自动化设备，加上中国大陆已成为全球重要的一个市场，以往利用廉价劳工的方式不在，加上安全法规及劳工意识抬头，这都将影响企业的生产策略转向自动化方向发展，而在不久的将来台湾与大陆都将开始大量的采用自动化系统。

自动化机械人系统的选择必须追求效益前提，如果只有单机系统很难发挥综效，而最佳的机械人系统必须整合周边的系统，其中包含物流、生产流、信息流的问题，否则自动化将沦为高级的玩具，至于安全、作业性、维修方便性等也是考虑的重点，也就是未来自动化系统的采购将不在只是单机而会朝系统整合的方向进行。

计算机辅助规划（Computer-AidedProduction-Engineering简称CAPP）则是最佳的解决方案，数字仿真可使机械人系统于规划阶段了解系统的效益，“数字工厂”则是计算机辅助规划领域另一个代名词，2002年起亚洲区的日本、韩国、台湾便开始积极导入此技术应用于自动化系统的整合，而“数字工厂”可于于计算机中确认机械人的动作、夹治具干涉、设备连动、安全关系等等，使系统达精益阶段才进行投资，而“数字工厂”这样的创新技术除了可以应用于新机械人系统外，也可用于运转中的机械人系统，而其概念则为整合“自动化”、“精益工程”、“数字工厂”三大领域，使自动化系统发挥最大的效率。