數(shù)字化工廠概念探索

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1、數(shù)字化工廠概念探索上海東方申信科技發(fā)展有限公司徐慧近兩年，企業(yè)開始著手打造“數(shù)字化車間”，尤其在航空業(yè)、汽車制造業(yè)，屢有相關(guān)新聞。不同行業(yè)、企業(yè)對“數(shù)字化車間”有不同的理解，實(shí)施重點(diǎn)也不相同。現(xiàn)與大家分享一篇論文的部分內(nèi)容，共同探討數(shù)字化工廠的概念。該論文《數(shù)字化車間的構(gòu)建策略》來自《機(jī)械設(shè)計與制造》，2009年第九期，作者李世杰。下面為截取的論文的部分內(nèi)容。數(shù)字化車間內(nèi)涵數(shù)字化車間是指以制造資源(Resource)、生產(chǎn)操作(Operation)和產(chǎn)品(Product)為核心，將數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有實(shí)際制造

2、系統(tǒng)的數(shù)字化現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，對生產(chǎn)過程進(jìn)行計算機(jī)仿真優(yōu)化的虛擬制造方式。數(shù)字化車間技術(shù)是在高性能計算機(jī)及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，采用計算機(jī)仿真與數(shù)字化現(xiàn)實(shí)技術(shù)．以群組協(xié)同工作的方式，它概括了對真實(shí)制造世界的對象和活動的建模與仿真研究的各個方面。從產(chǎn)品概念的形成、設(shè)計到制造全過程的三維可視及交互的環(huán)境，在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程(包括產(chǎn)品的設(shè)計、性能分析、工藝規(guī)劃、加工制造、質(zhì)量檢驗(yàn)、生產(chǎn)過程管理與控制)，通過計算機(jī)數(shù)字化模型來模擬和預(yù)測產(chǎn)品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的問題。在數(shù)字化車間的設(shè)計和規(guī)劃階段各種類型的

3、人員所關(guān)心的層次有所不同，所以將數(shù)字化車間的模擬仿真力度進(jìn)行層次的劃分，使不同人員在不同階段得到不同的仿真模擬力度。經(jīng)過分析，把數(shù)字化車問軟件分為以下四個層次：數(shù)字化車問層、數(shù)字化生產(chǎn)線層、數(shù)字化加工單元層、數(shù)字化操作層。1、數(shù)字化車間層對車間的設(shè)備布局和輔助設(shè)備及管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行布局分析，對設(shè)備的占地面積和空間進(jìn)行核準(zhǔn)，為車間設(shè)計人員提供輔助的分析工具。2、數(shù)字化生產(chǎn)線層這一層要關(guān)心的是所設(shè)計的生產(chǎn)線能否達(dá)到設(shè)計的物流節(jié)拍和生產(chǎn)率。制造的成本是否滿足要求，幫助工業(yè)工程師分析生產(chǎn)線布局的合理性、物流瓶頸和設(shè)備的使用效率等

4、問題，同時也可對制造的成本進(jìn)行分析。3、數(shù)字化加工單元層這一層主要提供對設(shè)備之間和設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)動干涉問題，并可協(xié)助設(shè)備工藝規(guī)劃員生成設(shè)備加工指令，再現(xiàn)真實(shí)的制造過程。4、數(shù)字化加工操作層對具體的上步進(jìn)行詳細(xì)的分析，對加工的過程進(jìn)行干涉等的分析，進(jìn)一步對可操作人員的人機(jī)工程方面進(jìn)行分析。這四層的仿真力度逐漸細(xì)化，詳細(xì)到設(shè)備的一個具體的動界耐曇作?？梢哉f通過這四層的仿真模擬，達(dá)到對制造系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃優(yōu)化、系統(tǒng)的性能分析和能力平衡以及工藝過程的優(yōu)化和校驗(yàn)。數(shù)字化車間總體設(shè)計數(shù)字化車間系統(tǒng)的最終目標(biāo)是在一個數(shù)字化環(huán)境中建立相

5、對于物理系統(tǒng)的數(shù)字化車間，該系統(tǒng)能輔助設(shè)計人員快速可視化地規(guī)劃車間布局、生產(chǎn)流程等，得到數(shù)字化車間模型后可以進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度仿真、試驗(yàn)各種調(diào)度方案、驗(yàn)證布局的優(yōu)劣，使車間在施工前得到充分地論證。工廠投產(chǎn)后，數(shù)字化車間可以和企業(yè)的ERP系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等結(jié)合，輔助管理人員管理生產(chǎn)，對技術(shù)人員進(jìn)行指引，幫助銷售人員進(jìn)行演示、促進(jìn)銷售等。如圖2所示，展示了系統(tǒng)地總體框架。首先設(shè)計人員規(guī)劃車間內(nèi)各種設(shè)備、各種單位的布局。設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品、產(chǎn)量等信息，設(shè)計生產(chǎn)工藝方案，確定生產(chǎn)節(jié)拍。數(shù)字化車間系統(tǒng)提供各類設(shè)備的模型，設(shè)計人員以全3D地

6、可視化方式選擇設(shè)備，進(jìn)行布局規(guī)劃。同時，系統(tǒng)提供構(gòu)造數(shù)字化模型的工具，幫助用戶導(dǎo)入模型。數(shù)字化車間建立后，在其上對生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)演仿真，驗(yàn)證布局是否能夠提供安全的生產(chǎn)環(huán)境、車間內(nèi)物流是否通暢生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)急方案是否可行等。根據(jù)仿真的結(jié)果，通過專家系統(tǒng)和優(yōu)化方法的輔助，修改設(shè)計、優(yōu)選方案。最后優(yōu)選出的方案用于指導(dǎo)工廠的建設(shè)施工。在車間正式施工前，在數(shù)字化車間系統(tǒng)上預(yù)演設(shè)備的運(yùn)入和安裝、生產(chǎn)線的組裝整合、各種輔助設(shè)備或區(qū)間的擺設(shè)等。這些可以保證工廠實(shí)施時能順利進(jìn)行、減少或避免施工的失誤，加速車間的建設(shè)。車間投產(chǎn)后，數(shù)字化車間系

7、統(tǒng)、ERP系統(tǒng)和真正的車間3個系統(tǒng)互相連接，輔助車間的管理運(yùn)營。管理人員根據(jù)ERP系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的信息管理生產(chǎn)，調(diào)整生產(chǎn)計劃、調(diào)度物流設(shè)備等；在這些決策作最后決定、發(fā)給真實(shí)車間執(zhí)行前，管理人員先在數(shù)字化車間上預(yù)演，了解決策可能的執(zhí)行狀況。數(shù)字化車間和真實(shí)車間可以進(jìn)行同步，讓管理人員以可視化的方式監(jiān)視生產(chǎn)運(yùn)作，處理突發(fā)的事件，或者直接作為監(jiān)控真實(shí)車間的界面，控制設(shè)備、下達(dá)命令。數(shù)字化車間系統(tǒng)構(gòu)建策略數(shù)字化車間系統(tǒng)的規(guī)劃是比較復(fù)雜的，不可能一次性完成這樣的任務(wù)?？梢苑秩齻€階段實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)：1、建立基本布局系統(tǒng)讓設(shè)計人員通過可

8、視化的方法對廠房設(shè)計，生產(chǎn)線布局和各種物流進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。在此階段，需要建立其軟件的基本框架。和各種車間對象的仿真模型。在此要對車間內(nèi)各種對生產(chǎn)有直接或間接關(guān)系的設(shè)備物品進(jìn)行抽象分類，并建立與之對應(yīng)的對象類(class)。要建立軟件的人機(jī)界面，使用戶能方便的管理這些對象，對車間進(jìn)行由總體到局部的布局。完成后允許用戶設(shè)計和布置車間內(nèi)部的布局，諸如生