数字化工厂技术的应用现状与趋势

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730万美元的开支吲。

    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。

基于制造过程管控与优化的数字化车间

    在制造企业，车间是将设计意图转化为产品的关键环节。车间制造过程的数字化涵盖了生产领域中车间、生产线、单元等不同层次上设备、过程的自动化、数字化和智能化。其发展趋势也分别体现在底层制造装备智能化、中间层的制造过程优化和顶层的制造绩效可视化3个层次。

    在底层制造装备方面，数字化工厂主要解决制造能力自治的问题。设备制造商不仅持续在提升设备本身高速、高精、高可靠等性能方面不断取得进展，同时也越来越重视设备的感知、分析、决策、控制功能，比如各种自适应加工控制、智能化加工编程、自动化加工检测和实时化状态监控及自诊断／自恢复系统等技术在生产线工作中心及车间加工单元中得到普遍运用。

    如日本Moriseiki的最新机床产品上安装的操作系统MAPPS，该系统内置了森精机的操作编程维修软件，具有很高的开放性，具有对话式编程，三维切削模拟和维修指导画面，提供远程监控功能方便维修服务，并且可以直接进行切削仿真。制造装备的另一个趋势是把机床设备和相关辅助装置(如机械手)进行集成，共同构成柔性加工系统或柔性制造单元。也有不少厂商支持将多台数控机床连成生产线，既可一人多机操纵，又可进行网络化管理。

    上文提到的MAPPS系统就可以通过使用CAPS-NET网络软件建立基于以太网的网络，从而可以对作业状况和生产计划进行一元化管理。MAZAK公司在单机的智能化、网络化基础上，开发了智能生产中心(CPC)管理软件，一套软件便可管理多达250台的数控机床，使得生产的过程控制由车间级细化到每台数控机床，为客户的工厂实施数字化制造提供了前提。