田建忠

[摘 要] 為了促進(jìn)我國工業(yè)化與信息化的高度融合，推進(jìn)我國工業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程，加快傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，建立數(shù)字化工廠系統(tǒng)并進(jìn)行深入研究與探索，將有助于促進(jìn)我國整體制造水平智能化的全面提升，為實(shí)現(xiàn)由“中國制造”向“中國創(chuàng)新”邁進(jìn)的戰(zhàn)略發(fā)展要求，奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字化工廠；應(yīng)用現(xiàn)狀；前景展望

[中圖分類號(hào)] TQ162 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1671-0037（2017）5-35-3

Abstract： In order to promote a high-degree integration of industrialization and Informatization in China and promote the development of China's industrialization process， and speed up the transformation and upgrading of traditional industries， establishing digital factory system and conducting in-depth study and exploration， will help promote the overall level of intelligent manufacturing in our country， and lay a solid foundation for the realization of strategic development need， from "made in China" to "China innovation"，.

Key words： digital factory； application status； prospect

數(shù)字化工廠融合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、大數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用、可視化集中聯(lián)控等先進(jìn)技術(shù)，使企業(yè)超越了傳統(tǒng)的加工制造模式，為產(chǎn)品全生命周期可視化、集成化、智能化管控提供了。數(shù)字化工廠的出現(xiàn)，順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的潮流，也為我國加工制造業(yè)技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)創(chuàng)造了極為有利的條件。

1 數(shù)字化工廠的概念

數(shù)字化工廠是以產(chǎn)品制造過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)虛擬制造原理，在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的支撐下，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)制造過程包括設(shè)計(jì)、制造、裝配、質(zhì)量控制、產(chǎn)品檢測等各個(gè)階段進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到產(chǎn)品全生命周期的新型組織型式，是現(xiàn)代數(shù)字制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。數(shù)字化工廠為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造之間搭建了便捷的橋梁與扭帶，為降低產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造過程之間的不確定性，大幅度地壓縮生產(chǎn)制造過程，提高系統(tǒng)的成功率和可靠性，滿足節(jié)能高效、優(yōu)質(zhì)創(chuàng)新的要求提供了有力的保障。數(shù)字化工廠方案所包含的內(nèi)容見圖1所示。

近幾年來，國內(nèi)加工制造業(yè)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD應(yīng)用方面已得到大面積普及，在生產(chǎn)制造階段也普遍采用了CAM計(jì)算機(jī)輔助加工技術(shù)，有些企業(yè)還引入了CAE計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元特性分析，

降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的風(fēng)險(xiǎn)，但在解決集成管控與聯(lián)機(jī)組成方面，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到普及的程度。數(shù)字化工廠作為智能化的管理與制造模式，為企業(yè)搭建了工藝制造快速響應(yīng)的平臺(tái)，能夠?qū)庸ぶ圃爝^程進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)籌劃、動(dòng)態(tài)仿真和綜合管控，并將過程控制的信息及時(shí)反饋給系統(tǒng)內(nèi)的管理人員進(jìn)行資源共享，使設(shè)計(jì)部門對(duì)制造過程的不確定性進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)各部門之間的協(xié)同配合與并行作業(yè)，因此我們說數(shù)字化工廠是實(shí)現(xiàn)智能化制造的必由之路。

2 數(shù)字化工廠的應(yīng)用特點(diǎn)

數(shù)字化工廠集成了產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)庫，有效地解決了制造業(yè)生產(chǎn)流程中的程序傳輸和現(xiàn)場管理問題，大大壓縮了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間、提高了設(shè)備的有效利用率，通過先進(jìn)的可視化仿真技術(shù)和圖文檔管理模式，對(duì)提高產(chǎn)品動(dòng)態(tài)特性管理、縮短產(chǎn)品投放市場周期起到了至關(guān)重要的作用[2]。具體來講，數(shù)字化工廠大致有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

第一，根據(jù)生產(chǎn)部門的不同需求，搭建多樣化的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，消除不同生產(chǎn)部門普通設(shè)備與數(shù)控設(shè)備相互之間信息傳遞的斷裂，徹底扭轉(zhuǎn)過去所有設(shè)備的單機(jī)通訊聯(lián)絡(luò)模式，全面實(shí)現(xiàn)設(shè)備成組的集中管理與有效控制。

第二，按照生產(chǎn)流程對(duì)NC程序進(jìn)行規(guī)范化管理，通過對(duì)程序傳輸和用戶權(quán)限進(jìn)行有效管控，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性以及全生命周期的跟蹤服務(wù)。

第三，數(shù)據(jù)集中存放于終端服務(wù)器，任何客戶端查詢和調(diào)用的數(shù)據(jù)均來源于系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)服務(wù)器，如果數(shù)據(jù)服務(wù)器中的程序進(jìn)行更新，客戶查詢和調(diào)用所得到的信息也將隨之改變，并與之始終保持同步。

第四，系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和作業(yè)計(jì)劃，對(duì)設(shè)備進(jìn)行能力平衡計(jì)算，可減少數(shù)控設(shè)備的準(zhǔn)備時(shí)間，最大限度地提高數(shù)控設(shè)備的有效利用率，實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)。

第五，采用集中聯(lián)控手段，可有效避免程序出錯(cuò)和各種誤判動(dòng)作，從管理層面和技術(shù)手段上使產(chǎn)品質(zhì)量有了根本的保障，確保產(chǎn)品的合格率不斷攀升，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗帶來好處。

第六，由于實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸和集中控制，操作者能夠便捷地完成對(duì)程序的遠(yuǎn)程調(diào)用、遠(yuǎn)程比較和遠(yuǎn)程上傳等工作，同時(shí)生成各種即時(shí)的數(shù)據(jù)報(bào)表和計(jì)劃調(diào)度單，實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理與并行作業(yè)，明顯降低了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

第七，通過對(duì)NC程序進(jìn)行集中傳輸和有效管控，使得生產(chǎn)現(xiàn)場不再需要大量的臺(tái)式計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸裝置，取而代之的是整潔、美觀的現(xiàn)場觸摸屏等數(shù)顯裝置，生產(chǎn)現(xiàn)場顯得更加整潔、有序，符合現(xiàn)代企業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)管理的要求。

第八，車間生產(chǎn)現(xiàn)場的通訊數(shù)據(jù)與企業(yè)的信息化管理系統(tǒng)集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效的資源共享，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)能改造和創(chuàng)新活動(dòng)預(yù)留數(shù)據(jù)接口，搭建一體化的數(shù)字化工廠網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。

數(shù)字化工廠的信息化需求見圖2所示。

3 數(shù)字化工廠應(yīng)用現(xiàn)狀

從二十世紀(jì)末以來，一些發(fā)達(dá)國家率先采用了數(shù)字化工廠的解決方案，如美國的波音公司在波音777大型客機(jī)和F35隱形戰(zhàn)機(jī)的研制過程中，利用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的“無紙化”設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，產(chǎn)品研制過程中，采用數(shù)字化模塊式組合型式，通過集成控制的數(shù)據(jù)從上游向下游暢通傳遞，有效地減少了飛機(jī)在加工、組裝、測試等方面的作業(yè)周期，對(duì)降低生產(chǎn)制造成本，縮短研制開發(fā)時(shí)間，起到了難以估量的作用。

在國內(nèi)，數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用還處于起步階段，目前僅在航空、航天、汽車、船舶以及機(jī)器人智能制造等領(lǐng)域得到應(yīng)用，如國內(nèi)航天事業(yè)的發(fā)展，由于采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和管理的一覽子方案，重點(diǎn)解決了產(chǎn)品加工、裝配、檢測等裝備的數(shù)字化協(xié)同問題，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵裝備從設(shè)計(jì)、制造到裝配一次成功，為我國航天事業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步起到了巨大的助推作用，重點(diǎn)項(xiàng)目取得了突破性進(jìn)展。上述應(yīng)用目前已推廣至汽車、造船等其他領(lǐng)域，特別是國產(chǎn)航母在短短幾年內(nèi)就能很快建成下水試航，譜寫了世界造船史上的新篇章，更是突顯了網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、模塊化應(yīng)用管理平臺(tái)所帶來的卓越功能和豐碩成果。

4 數(shù)字化工廠的前景展望

工業(yè)制造數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化已是世界范圍內(nèi)新一輪科技革命的核心技術(shù)，作為承載智能制造的數(shù)字化工廠，則是國家“兩化融合”路略發(fā)展要求的重要應(yīng)用體現(xiàn)，更是實(shí)現(xiàn)智能化工廠的必由之路，它的出現(xiàn)給基礎(chǔ)制造業(yè)注入了新的活力[3]?？梢灶A(yù)見，未來幾年數(shù)字化工廠將主要朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：

第一，企業(yè)通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的順序工作方式向并行工作方式轉(zhuǎn)變，達(dá)到模塊化、集成化、數(shù)字化的綜合協(xié)同管理，搭建Internet虛擬結(jié)構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域的資源共享。

第二，通過各種加工制造先進(jìn)技術(shù)的融合，將實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM/CAE各功能軟件技術(shù)的一體化，使產(chǎn)品制造的現(xiàn)場管理向無紙化的互聯(lián)網(wǎng)輔助制造方向發(fā)展。

第三，數(shù)字化工廠的系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)智能化的快速響應(yīng)執(zhí)行能力，系統(tǒng)更具自主決策能力，能夠采集與理解外部的信息資訊，并加以智能化的分析判斷，規(guī)劃出自身的優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式。

第四，數(shù)字化工廠系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、重組及擴(kuò)充能力將進(jìn)一步提高，依據(jù)工作任務(wù)，系統(tǒng)可自行組成最佳的結(jié)構(gòu)型式。

第五，結(jié)合訊號(hào)處理、預(yù)測、仿真及多媒體技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造過程的可視化實(shí)境展示。

第六，數(shù)字化工廠系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)備的使用情況自動(dòng)執(zhí)行故障診斷，故障排除、設(shè)備維護(hù)、異常情況通報(bào)的執(zhí)行能力。

第七，利用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)催生的各種實(shí)用新型應(yīng)用技術(shù)，必將促使加工制造企業(yè)向構(gòu)建一個(gè)節(jié)能高效、環(huán)保綠色、舒適宜人的人性化工廠邁進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)智慧化工廠的目標(biāo)。

數(shù)字化工廠作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，消除了設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的信息孤島，保證了各種產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完整性和一致性，形成一體化的數(shù)字化管理模式，建立起穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸、采集監(jiān)測、制造過程管理等功能的信息化管理平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的先進(jìn)制造模式，這一模式也必將成為未來數(shù)控加工技術(shù)的主流發(fā)展方向。可以預(yù)見，未來的數(shù)字化工廠將向著更高集成化、更高智能化、更高可靠性方向發(fā)展，數(shù)字化工廠的建立與逐步普及也必將彰顯出科技引領(lǐng)未來的時(shí)代發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，融合多學(xué)科技術(shù)的數(shù)字化工廠建設(shè)也已成為加工制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主流方向，同時(shí)利用國外先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢來提升我國企業(yè)的生產(chǎn)制造能力和核心競爭力，也必將促進(jìn)我國數(shù)字化工廠技術(shù)的研究和應(yīng)用向更高水平大步邁進(jìn)。

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