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作為數(shù)字化與智能化制造的關鍵技術之一，數(shù)字化工廠是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應用體現(xiàn)，也是實現(xiàn)智能化制造的必經(jīng)之路。數(shù)字化工廠借助于信息化和數(shù)字化技術，通過集成、仿真、分析、控制等手段，可為制造工廠的生產(chǎn)全過程提供全面管控的一種整體解決方案。早在2000年前后，上汽、海爾、華為和成飛等制造企業(yè)均已開始著手建立自己的數(shù)字化工廠。今年來，隨著國際競爭的不斷加劇和我國制造業(yè)勞動力成本的不斷上升，對設備效率、制造成本、產(chǎn)品質(zhì)量等環(huán)節(jié)的要求不斷提高，離散制造業(yè)中以汽車、工程機械、航空航天、造船為代表的大型企業(yè)已越來越重視數(shù)字化工廠的建設。
數(shù)字化工廠的若干關注點
根據(jù)在范圍、階段、視角上的關注點存在差異，對于數(shù)字化工廠也有不同提法，比如可視化工廠(Visual Factory)、智慧工廠(Smart Factory)、智能工廠(Intelligence Factory)、數(shù)字化制造(Digital Manufacturing)、虛擬工廠(Virtual Factory)等。各個概念在關注點上也存在不同程度的交集，如智能工廠和數(shù)字化制造的交集就是以智能裝備為核心的制造工藝過程智能化，特別是對制造裝備本身的智能化。而上述各種提法之間除明顯的交集之外也各有側(cè)重，比如可視化工廠側(cè)重于數(shù)字化工廠實現(xiàn)前期的數(shù)據(jù)采集和透明化，而智能工廠更側(cè)重于后階段的數(shù)據(jù)分析與決策。
上述提法中比較典型的有3類：基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制，基于虛擬仿真技術的數(shù)字化模擬工廠和基于制造過程管控與優(yōu)化的數(shù)字化車間。從制造管理的層次和從設計到制造的過程2個維度來看。
基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制
在設計部分，三維CAD系統(tǒng)的應用已相當普及。1997年，美國機械工程師協(xié)會ASME就開始了全三維設計相關標準的研究制定工作，并于2003年頒布了“Y14.41(Digital Product Definition Data Practices)”標準，把三維模型和尺寸公差及制造要求統(tǒng)一在一個模型中表達。在生產(chǎn)部分，各類數(shù)控設備在加工精度和智能控制水平上近年來都得到飛速發(fā)展?；谌S模型的單一數(shù)據(jù)源和數(shù)控設備的廣泛應用使得從設計端到制造端的一體化成為可能?；谌S模型的數(shù)字化協(xié)同研制應用的嘗試始于航空航天制造領域。由于在產(chǎn)品設計、材料成本、成型技術和制造精度方面具有相對更苛刻的要求，航空航天領域在加工和裝配制造工藝上整體領先于其他行業(yè)，這為基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制奠定了基礎。
當前，世界先進的飛機制造商已逐步利用數(shù)字化技術實現(xiàn)了飛機的“無紙化”設計和生產(chǎn)，美國波音公司在波音777和洛克希德·馬丁公司在F35的研制過程中，基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制和虛擬制造技術，縮短了2/3的研制周期，降低研制成本50%。波音公司在研制X-32飛機時也是如此，借助于統(tǒng)一模型，輔助裝配系統(tǒng)能把裝配順序和裝配好的部件狀態(tài)投射到正在裝配部件的上方，讓工人方便直觀地進行裝配工作，無需再細讀圖紙和翻閱工藝文件，使裝配周期縮短50%，成本降低30%~40%。在飛機總裝線上，在機身與機身還是機翼與機身都實現(xiàn)了高度自動化的校準和對接，波音和空客兩大航空制造公司生產(chǎn)的波音737/787、A320/A380系列飛機無一例外地采用全數(shù)字化樣機進行協(xié)調(diào)和輔助裝配，如空客A380采用4臺Leica激光跟蹤儀可完成數(shù)字化裝配。數(shù)字化產(chǎn)品的數(shù)據(jù)從研制工作的上游暢通地向下游傳遞，還有助于大幅減少飛機裝配所需的標準工裝和生產(chǎn)工裝。借助于飛機的數(shù)字化模型，法國達索公司在裝配小型公務機Falcon時，其傳統(tǒng)的工裝已減到零，對降低新機研制成本，縮短研制周期起到了難以估量的作用。該技術還能夠大幅度提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，如波音747機翼裝配精度由原來的10.16mm提高到0.25mm。
在國內(nèi)，中航工業(yè)第一飛機設計研究院2000年在“飛豹”飛機研制中已全面采用了數(shù)字化設計、制造和管理技術。航天科技211廠通過普及基于單一數(shù)據(jù)源的三維模型，制定了“三維到工藝”、“三維到現(xiàn)場”、“三維到設備”的步驟發(fā)展策略，重點解決了基于三維模型的設計工藝協(xié)同工作模式和三維設計文件的信息傳遞、生產(chǎn)現(xiàn)場無紙化和航天產(chǎn)品的加工、裝配、檢測等裝備的數(shù)控化問題。新支線飛機ARJ21的研制100%采用三維數(shù)字化定義、數(shù)字化預裝配和數(shù)字化樣機。上海商飛公司利用數(shù)字化設計、分析、仿真等技術手段，實現(xiàn)了設計、零件制造以及裝配一次成功。上述應用目前已開始推廣至工程機械、造船等其他領域。
基于虛擬仿真技術的數(shù)字化模擬工廠
數(shù)字化模擬工廠是數(shù)字化工廠技術在制造規(guī)劃層的一個獨特視角。基于虛擬仿真技術的數(shù)字化模擬工廠是以產(chǎn)品全生命周期的相關數(shù)據(jù)為基礎，采用虛擬仿真技術對制造環(huán)節(jié)從工廠規(guī)劃、建設到運行等不同環(huán)節(jié)進行模擬、分析、評估、驗證和優(yōu)化，指導工廠的規(guī)劃和現(xiàn)場改善。
由于仿真技術可以處理利用數(shù)學模型無法處理的復雜系統(tǒng)，能夠準確地描述現(xiàn)實情況，確定影響系統(tǒng)行為的關鍵因素，因此該技術在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、設計和驗證階段有著重要的作用。正因為如此，數(shù)字化模擬工廠在現(xiàn)代制造企業(yè)中得到了廣泛的應用，典型應用包括：
(1)加工仿真，如加工路徑規(guī)劃和驗證、工藝規(guī)劃分析、切削余量驗證等。
(2)裝配仿真，如人因工程校核、裝配節(jié)拍設計、空間干涉驗證、裝配過程運動學分析等。
(3)物流仿真，如物流效率分析、物流設施容量、生產(chǎn)區(qū)物流路徑規(guī)劃等。
(4)工廠布局仿真，如新建廠房規(guī)劃、生產(chǎn)線規(guī)劃、倉儲物流設施規(guī)劃和分析等。
通過基于仿真模型的“預演”，可以及早發(fā)現(xiàn)設計中的問題，減少建造過程中設計方案的更改。韓國三星重工利用DELMIA軟件建立了完整的數(shù)字化造船系統(tǒng)，建立了虛擬船廠，可在虛擬環(huán)境下模擬整個造船過程。這套系統(tǒng)預計每年為企業(yè)減少730萬美元的開支。通過模擬仿真技術能夠迅速發(fā)現(xiàn)在持續(xù)運行的過程中出現(xiàn)的問題，而如果想要在現(xiàn)實的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)這些問題，需要長期測試，花費高昂的成本。南車青島四方機車采用虛擬仿真技術對高速列車生產(chǎn)環(huán)境進行了建模，并實現(xiàn)了建模裝配仿真及物流仿真，減少了因零件返工配送不足造成的停工現(xiàn)象，減少了因工藝欠佳導致的裝配干涉產(chǎn)品返工的問題。三一重工開發(fā)了OSG技術的三維工廠布局規(guī)劃平臺(VR Layout)，在集團內(nèi)部首次應用于其寧鄉(xiāng)產(chǎn)業(yè)園的工廠布局規(guī)劃，縮短了工廠建設周期，并節(jié)省了因設計缺陷產(chǎn)生的成本。2011年，國內(nèi)各工程設計院已逐步開始采用數(shù)字化工程設計及規(guī)劃技術來輔助規(guī)劃和建設新工廠，降低工程設計與規(guī)劃風險。
在仿真工具方面，工廠仿真領域的相關技術基本被國外產(chǎn)品壟斷，如達索公司的Delmia/Simulia、Siemens公司的Technomatix和PTC公司的Ployplan等。這些產(chǎn)品的特點在于與其同公司CAD/PLM系列產(chǎn)品的緊密集成。用于制造領域的仿真軟件還有很多，如用于裝配仿真的EM Assembly、DMU，用于公差分析的3DCS、eM-TolMate等，用于車間物流仿真的Plant Simulation、Quest、Flexsim、Witness、Automod等。目前相關產(chǎn)品都在向三維模型方向發(fā)展，使得這些仿真工具展現(xiàn)方式更加靈活，分析功能更加強大。