聊一聊數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢！
今天來聊一聊數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢！
◎文丨e-works董事長張國軍 黃剛
現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)歷了機械化、電氣化革命，未來的第三次工業(yè)革命必然是以機、電、信息相結(jié)合的智能化制造革命。《經(jīng)濟學(xué)人》曾發(fā)表的《第三次工業(yè)革命：制造業(yè)與創(chuàng)新》專題報道中闡述了目前由技術(shù)創(chuàng)新引發(fā)的制造業(yè)深刻變化，其中，數(shù)字化與智能化的制造技術(shù)是“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。
作為數(shù)字化與智能化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字化工廠是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應(yīng)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(shù)，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(shè)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(shè)。
根據(jù)在范圍、階段、視角上的關(guān)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(guān)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(shù)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(shè)計到制造的過程2個維度來看，它們涉及的業(yè)務(wù)范圍大致如圖1所示。
基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制
在設(shè)計部分，三維CAD系統(tǒng)的應(yīng)用已相當(dāng)普及。1997年，美國機械工程師協(xié)會ASME就開始了全三維設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作，并于2003年頒布了“Y14.41(Digital Product Definition Data Practices)”標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)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(shè)備的廣泛應(yīng)用使得從設(shè)計端到制造端的一體化成為可能。
基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制應(yīng)用的嘗試始于航空航天制造領(lǐng)域。由于在產(chǎn)品設(shè)計、材料成本、成型技術(shù)和制造精度方面具有相對更苛刻的要求，航空航天領(lǐng)域在加工和裝配制造工藝上整體領(lǐng)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(chǔ)。
當(dāng)前，世界先進的飛機制造商已逐步利用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)了飛機的“無紙化”設(shè)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(shù)，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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(shù)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10.16mm提高到0.25mm。
在國內(nèi)，中航工業(yè)第一飛機設(shè)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(shè)計、制造和管理技術(shù)。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(shè)備”的步驟發(fā)展策略，重點解決了基于三維模型的設(shè)計工藝協(xié)同工作模式和三維設(shè)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(yù)裝配和數(shù)字化樣機。上海商飛公司利用數(shù)字化設(shè)計、分析、仿真等技術(shù)手段，實現(xiàn)了設(shè)計、零件制造以及裝配一次成功。上述應(yīng)用目前已開始推廣至工程機械、造船等其他領(lǐng)域。
數(shù)字化模擬工廠是數(shù)字化工廠技術(shù)在制造規(guī)劃層的一個獨特視角?；谔摂M仿真技術(shù)的數(shù)字化模擬工廠是以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用虛擬仿真技術(shù)對制造環(huán)節(jié)從工廠規(guī)劃、建設(shè)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(dǎo)工廠的規(guī)劃和現(xiàn)場改善。
由于仿真技術(shù)可以處理利用數(shù)學(xué)模型無法處理的復(fù)雜系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地描述現(xiàn)實情況，確定影響系統(tǒng)行為的關(guān)鍵因素，因此該技術(shù)在生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)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(yīng)用，典型應(yīng)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(shè)計、空間干涉驗證、裝配過程運動學(xué)分析等。
(3)物流仿真，如物流效率分析、物流設(shè)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(shè)施規(guī)劃和分析等。
通過基于仿真模型的“預(yù)演”，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題，減少建造過程中設(shè)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(yù)計每年為企業(yè)減少730萬美元的開支。通過模擬仿真技術(shù)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(shù)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(dǎo)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(shù)的三維工廠布局規(guī)劃平臺(VR Layout)，在集團內(nèi)部首次應(yīng)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(shè)周期，并節(jié)省了因設(shè)計缺陷產(chǎn)生的成本，如圖2所示。2011年，國內(nèi)各工程設(shè)計院已逐步開始采用數(shù)字化工程設(shè)計及規(guī)劃技術(shù)來輔助規(guī)劃和建設(shè)新工廠，降低工程設(shè)計與規(guī)劃風(fēng)險。
圖2 三一重工生產(chǎn)線規(guī)劃中的物流仿真
在仿真工具方面，工廠仿真領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)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(lǐng)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(guān)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。
在制造企業(yè)，車間是將設(shè)計意圖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。車間制造過程的數(shù)字化涵蓋了生產(chǎn)領(lǐng)域中車間、生產(chǎn)線、單元等不同層次上設(shè)備、過程的自動化、數(shù)字化和智能化。其發(fā)展趨勢也分別體現(xiàn)在底層制造裝備智能化、中間層的制造過程優(yōu)化和頂層的制造績效可視化3個層次。
在底層制造裝備方面，數(shù)字化工廠主要解決制造能力自治的問題。設(shè)備制造商不僅持續(xù)在提升設(shè)備本身高速、高精、高可靠等性能方面不斷取得進展，同時也越來越重視設(shè)備的感知、分析、決策、控制功能，比如各種自適應(yīng)加工控制、智能化加工編程、自動化加工檢測和實時化狀態(tài)監(jiān)控及自診斷/自恢復(fù)系統(tǒng)等技術(shù)在生產(chǎn)線工作中心及車間加工單元中得到普遍運用。如日本Moriseiki的最新機床產(chǎn)品上安裝的操作系統(tǒng)MAPPS，該系統(tǒng)內(nèi)置了森精機的操作編程維修軟件，具有很高的開放性，具有對話式編程，三維切削模擬和維修指導(dǎo)畫面，提供遠程監(jiān)控功能方便維修服務(wù)，并且可以直接進行切削仿真。
制造裝備的另一個趨勢是把機床設(shè)備和相關(guān)輔助裝置(如機械手)進行集成，共同構(gòu)成柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元。也有不少廠商支持將多臺數(shù)控機床連成生產(chǎn)線，既可一人多機操縱，又可進行網(wǎng)絡(luò)化管理。上文提到的MAPPS系統(tǒng)就可以通過使用CAPS-NET網(wǎng)絡(luò)軟件建立基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，從而可以對作業(yè)狀況和生產(chǎn)計劃進行一元化管理。MAZAK公司在單機的智能化、網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，開發(fā)了智能生產(chǎn)中心(CPC)管理軟件，一套軟件便可管理多達250臺的數(shù)控機床，使得生產(chǎn)的過程控制由車間級細化到每臺數(shù)控機床，為客戶的工廠實施數(shù)字化制造提供了前提。
在制造過程管理層次，隨著精細化生產(chǎn)的需求越來越突出，近年來MES/MOM逐漸被制造企業(yè)所接受。MES/MOM可分為車間生產(chǎn)計劃與管理和現(xiàn)場制造采集與控制兩部分。車間生產(chǎn)計劃與管理主要完成車間作業(yè)計劃的編排、平衡、分派，同時涉及到相關(guān)制造資源的分配和準(zhǔn)備。國內(nèi)外已有較多提供MES/MOM解決方案的產(chǎn)品提供商，如艾普工華在離散制造業(yè)特別是汽車及零部件、工程機械、航空等行業(yè)，Camstar在太陽能、電子行業(yè)，寶信在鋼鐵行業(yè)，石化盈科在石油化工行業(yè)，西門子在制藥、煙草行業(yè)等，這些產(chǎn)品依托自身對制造業(yè)務(wù)的深刻理解，已確立了在這些行業(yè)的領(lǐng)先地位。Rockwell、Wonderware和GE依托在自動化領(lǐng)域的優(yōu)勢，也已逐步向MES延伸。目前各廠商在研發(fā)高性能高可靠的系統(tǒng)平臺和模塊化產(chǎn)品方面投人巨大，上述平臺和產(chǎn)品提升了快速搭建MES/MOM解決方案的能力。
現(xiàn)場制造數(shù)據(jù)采集的一個明顯趨勢是以RFID、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被認為是信息技術(shù)領(lǐng)域革命性的新技術(shù)，借其可實現(xiàn)對于制造過程全流程的“泛在感知”，特別能夠是利用RFID無縫、不間斷地獲取和準(zhǔn)確、可靠地發(fā)送實時信息流。汽車行業(yè)，比如自主品牌的江淮汽車，在2006年前后就開始應(yīng)用RFID技術(shù)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的在制品進行跟蹤。航空航天企業(yè)由于通常不允許在零部件上附加標(biāo)識，因此通常采用以激光標(biāo)刻為代表的二維碼技術(shù)來實現(xiàn)WIP和關(guān)鍵零部件跟蹤。
在更細分的領(lǐng)域，RFID技術(shù)在刀具、設(shè)備管理方面也有成功應(yīng)用，主流技術(shù)是利用刀柄上的預(yù)留空槽置入RFID標(biāo)簽，同時通過與機床刀庫和對刀儀的集成對刀具使用、維護等進行全面管理。如Balluff的Fanuc miLink Tool ID系統(tǒng)就可以方便地連接Fanuc控制器控制的CNC機床，自動進入CNC取得刀具跟蹤信息。值得一提的是，隨著基于泛在信息的智能制造系統(tǒng)進一步發(fā)展，裝備本身的智能化水平也得到了提升，這使得MES/MOM執(zhí)行管理系統(tǒng)不再被動地獲取制造數(shù)據(jù)，而是能夠主動感知用戶場景的變化并進行提供實時反饋。
隨著MES/MOM等軟件的應(yīng)用推廣，制造企業(yè)已逐步獲得了大量制造數(shù)據(jù)。如何充分利用這些實時和歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過制造績效可視化提高對異常狀況的預(yù)知、響應(yīng)和判斷能力，也是近期發(fā)展趨勢之一。對于實時數(shù)據(jù)，主要解決的問題是對制造異常事件的敏捷響應(yīng)以及對制造績效偏離的快速修復(fù)。自動控制系統(tǒng)中常用的組態(tài)是一個典型的例子，但由于組態(tài)通常是桌面應(yīng)用并基于連續(xù)量的，對于多客戶端的分布式展示和多并發(fā)的并行數(shù)據(jù)流支持存在一定困難。目前的趨勢是利用基于B/S的可定制可縮放矢量圖形技術(shù)來動態(tài)刷新來自服務(wù)端的數(shù)據(jù)推送。圖3是一個展現(xiàn)5條沖壓線生產(chǎn)實績的例子，所展示的生產(chǎn)績效可視化功能同時支持了實時數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，能夠輔助分析出瓶頸環(huán)節(jié)。通過向管理者推送并共享全方位的實時制造狀態(tài)數(shù)據(jù)，能夠有效消除信息的不對稱問題，有助于對突發(fā)問題快速達成解決方案并作出快速響應(yīng)。
圖3生產(chǎn)實績與警示的動態(tài)展現(xiàn)
對于歷史數(shù)據(jù)，主要解決的問題是如何從中找出改善未來制造業(yè)務(wù)的依據(jù)，特別是從質(zhì)量趨勢、物流瓶頸、計劃執(zhí)行情況、設(shè)備運行歷史等數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)可能影響未來生產(chǎn)過程的規(guī)律。這方面的技術(shù)基礎(chǔ)是商業(yè)智能分析，在ERP系統(tǒng)中已經(jīng)比較成熟，典型的代表是SAP的BO。
由于MES/MOM實時性更強并且事務(wù)更頻繁，需要更針對性的進行設(shè)計，目前這方面的成熟解決方案尚不多，多數(shù)仍以基于通用分析軟件進行定制為主。典型的通用分析軟件有Microstrategy、Information Builder、Tableau等。Gartner近年來每年都會針對支持通用業(yè)務(wù)的分析軟件產(chǎn)品發(fā)布被稱作“魔力四象限(MagicQuadrants)”的調(diào)研報告”?，對這些軟件在集成、展現(xiàn)和分析方面的能力做綜合評估。另一方面，目前的計算技術(shù)和存儲技術(shù)對基于大數(shù)據(jù)的分析提供了強大的支撐，未來還會出現(xiàn)更豐富更專業(yè)的制造智能分析產(chǎn)品。
數(shù)字化工廠技術(shù)技術(shù)已在航空航天、汽車、造船以及電子等行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，特別是在復(fù)雜產(chǎn)品制造企業(yè)取得了良好的效益，據(jù)統(tǒng)計，采用數(shù)字化工廠技術(shù)后，企業(yè)能夠減少30%產(chǎn)品上市時間；減少65%的設(shè)計修改；減少40%的生產(chǎn)工藝規(guī)劃時間；提高15%生產(chǎn)產(chǎn)能；降低13%生產(chǎn)費用。另一方面，本文所述的3個層次數(shù)字化是緊密相關(guān)的。
毫無疑問，設(shè)計層發(fā)布的三維模型是后續(xù)仿真規(guī)劃分析的基礎(chǔ)，而車間生產(chǎn)狀態(tài)又可以反過來驅(qū)動生產(chǎn)模型，作為分析工廠運作的數(shù)據(jù)源；數(shù)字化車間需要智能裝備的支撐，而要想最大限度地發(fā)揮智能裝備的效益，則需要數(shù)字化車間提供全局的信息和基于全局信息的決策。
在我國，面對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、工業(yè)與信息化融合的戰(zhàn)略發(fā)展要求，大力開展對于數(shù)字化車間技術(shù)系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應(yīng)用，有利于推動實現(xiàn)制造過程的自動化和智能化，并可望有效帶動整體智能裝備水平的提升。
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