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數(shù)字化工廠通往未來制造 | 工業(yè)百條
【中文詞條】數(shù)字化工廠
【英文詞條】Digital Factory
數(shù)字化工廠——《工業(yè)百條》正解
以覆蓋產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在計算機(jī)虛擬環(huán)境下,利用三維建模、虛擬仿真等數(shù)字化技術(shù),為涵蓋從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、工程組態(tài)、生產(chǎn)執(zhí)行,直至后期運(yùn)營服務(wù)在內(nèi)的生產(chǎn)活動全價值鏈打造無縫集成、虛實(shí)精準(zhǔn)映射的工廠解決方案,助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、質(zhì)量、靈活性的提升,以及成本的下降。數(shù)字化工廠是計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)字化制造與先進(jìn)制造運(yùn)營管理理念相結(jié)合的產(chǎn)物。
如今,隨著工業(yè)4.0熱潮的逐漸降溫與制造業(yè)普遍對于新技術(shù)、新理念認(rèn)知水平的持續(xù)提高,越來越多的制造企業(yè)開始認(rèn)識到,工業(yè)4.0就像遠(yuǎn)方的依稀可見的象牙塔,雖然并非遙不可及,卻也不是朝夕即至。
正如北京航空航天大學(xué)劉強(qiáng)教授于2015年提出的“智能制造三不要”所描述的那樣:
不要在落后的工藝基礎(chǔ)上搞自動化——工業(yè)2.0必須先解決的問題(需補(bǔ)自動化的課);
不要在落后的管理基礎(chǔ)上搞信息化——工業(yè)3.0必須先解決的問題(需補(bǔ)建立在現(xiàn)代管理基礎(chǔ)上的信息化的課);
不要在不具備數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)時搞智能化——工業(yè)4.0必須先解決的問題(數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化需要補(bǔ)課的太多了)。
也就是說,要實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0,必須先構(gòu)建智能工廠,而要構(gòu)建智能工廠,必須先打造數(shù)字化工廠,數(shù)字化工廠是走向智能制造與實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0愿景的必由之路。
數(shù)字化工廠的產(chǎn)生與發(fā)展
雖然CAD與PDM等專注于產(chǎn)品設(shè)計的專業(yè)軟件自誕生至今已有二三十年的歷史,但在相當(dāng)長的時間里,由于缺乏科學(xué)有效的數(shù)據(jù)協(xié)同管理手段,研發(fā)設(shè)計階段所產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與信息,無法實(shí)現(xiàn)與后續(xù)生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)同步共享,僅能通過負(fù)責(zé)生產(chǎn)的工作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷安排生產(chǎn),由信息不對稱而造成的一切問題,只能進(jìn)行被動的應(yīng)對與處理,不但嚴(yán)重影響實(shí)際生產(chǎn)效率,而且還需承擔(dān)由此產(chǎn)生的額外成本損失。這種由于產(chǎn)品設(shè)計與制造環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)與信息脫節(jié)所引發(fā)的種種問題,是制造業(yè)的一大痛點(diǎn)。
隨著制造業(yè)競爭的日益激烈,客戶需求的多樣化、制造工藝的復(fù)雜程度、市場對于質(zhì)量與效率的訴求不斷提升,傳統(tǒng)制造業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。制造企業(yè)需要以更短的產(chǎn)品設(shè)計制造周期、更快的產(chǎn)品迭代速度、更高的生產(chǎn)效率與更靈活的生產(chǎn)方式來應(yīng)對這種變革。
事實(shí)上,業(yè)界從未停止使用信息化的手段嘗試解決這些問題,其中比較著名的解決方案,包括二十世紀(jì)八十年代提出的計算機(jī)集成制造系統(tǒng) (Computer Integrated Manufacturing System,CIMS),但在企業(yè)的具體實(shí)踐當(dāng)中,限于成本與技術(shù)瓶頸問題,尤其是限于體制問題,實(shí)施多年收效甚微,無疾而終。
二十世紀(jì)九十年代末,基于虛擬制造技術(shù)的數(shù)字化工廠解決方案,逐步發(fā)展起來。它利用數(shù)據(jù)協(xié)同管理、三維建模、虛擬仿真等數(shù)字化技術(shù),用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造階段的數(shù)據(jù)協(xié)同,實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計到實(shí)際生產(chǎn)制造之間數(shù)據(jù)與信息的協(xié)同與集成,從而填補(bǔ)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計與生產(chǎn)制造之間的鴻溝,同時在計算機(jī)虛擬環(huán)境中對物理制造系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真,使生產(chǎn)制造過程能夠在生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)際布局前,能夠在數(shù)字虛擬空間內(nèi)提前進(jìn)行驗(yàn)證、調(diào)整與優(yōu)化。在國內(nèi)較早成功的例子是九十年代末飛豹全數(shù)字樣機(jī)的開發(fā)成功,以及所實(shí)現(xiàn)的打通設(shè)計與制造的一體化解決方案。
數(shù)字化工廠的產(chǎn)生與發(fā)展
實(shí)踐證明,數(shù)字化工廠解決方案,能夠幫助制造企業(yè)縮短產(chǎn)品上市周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本、消除信息不對稱所造成的成本與效率損失、提高生產(chǎn)線配置與布局效率、降低生產(chǎn)線潛在故障與風(fēng)險、減少生產(chǎn)制造過程中的不確定性等。
什么是數(shù)字化工廠?
近年來,數(shù)字化工廠逐漸成為國內(nèi)外制造業(yè)企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn),具體的實(shí)踐與應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展,但是業(yè)內(nèi)對于數(shù)字化工廠含義的解讀,卻是千差萬別,至今也沒有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識。
德國工程師協(xié)會對于數(shù)字化工廠的定義是:數(shù)字化工廠(DF)是由數(shù)字化模型、方法和工具構(gòu)成的綜合網(wǎng)絡(luò),包含仿真和3D/虛擬現(xiàn)實(shí)可視化,通過連續(xù)的、不中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。數(shù)字化工廠集成了產(chǎn)品、過程和工廠模型數(shù)據(jù)庫,通過先進(jìn)的可視化、仿真和文檔管理,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程所涉及的質(zhì)量和動態(tài)性能。
根據(jù)市場上的主流觀點(diǎn)與具體的工作實(shí)踐,筆者更傾向于將數(shù)字化工廠理解為本文開篇給出的定義。
更加廣義的數(shù)字化工廠則將制造企業(yè)的上游供應(yīng)商、中游合作伙伴、下游渠道商、客戶等所有相關(guān)方全部包含在內(nèi),形成虛實(shí)映射的統(tǒng)一協(xié)作系統(tǒng),其本質(zhì)是通過數(shù)據(jù)流、信息流與工作流的數(shù)字化,更有效實(shí)現(xiàn)運(yùn)營與管控。
數(shù)字化工廠的主要環(huán)節(jié)與關(guān)鍵技術(shù)
主流市場觀點(diǎn)認(rèn)為,數(shù)字化工廠主要涉及產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃與生產(chǎn)執(zhí)行三大環(huán)節(jié),數(shù)字化建模、虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)/加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)等技術(shù)包含在其中。
1.產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)——三維建模是基礎(chǔ)
在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)利用數(shù)字化建模技術(shù)為產(chǎn)品構(gòu)建三維模型,能夠有效減少物理實(shí)體樣機(jī)制造和人員重復(fù)勞動所產(chǎn)生的成本。同時,三維模型涵蓋著產(chǎn)品所有的幾何信息與非幾何制造信息,這些屬性信息會通過PDM/cPDM (產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理/協(xié)同產(chǎn)品定義管理)這種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺,伴隨產(chǎn)品整個生命周期,是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同研制、產(chǎn)品從設(shè)計端到制造端一體化的重要保證。
經(jīng)歷了三十余年的發(fā)展,數(shù)字化建模技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,至今使用三維CAD設(shè)計軟件的全三維建模技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及。數(shù)字化建模技術(shù)的應(yīng)用始于航空航天領(lǐng)域,由于對產(chǎn)品和零部件的精度、質(zhì)量、加工工藝有著比其他行業(yè)更加苛刻的要求,航空航天工業(yè)讓數(shù)字化建模技術(shù)的效用得以充分發(fā)揮。
例如,美國波音公司在其737-NX和787的設(shè)計制造中,利用數(shù)字化建模技術(shù),不但有效縮短了研制周期,大幅降低了研制成本,而且通過PDM/cPDM,有效實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計與制造環(huán)節(jié)的信息協(xié)同,從而大幅提高了生產(chǎn)效率。
2.生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié)——工藝仿真是關(guān)鍵
在生產(chǎn)規(guī)劃環(huán)節(jié),基于PDM/cPDM中所同步的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù),利用虛擬仿真技術(shù),可以對于工廠的生產(chǎn)線布局、設(shè)備配置、生產(chǎn)制造工藝路徑、物流等進(jìn)行預(yù)規(guī)劃,并在仿真模型“預(yù)演”的基礎(chǔ)之上,進(jìn)行分析、評估、驗(yàn)證,迅速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題和有待改進(jìn)之處,并及時進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化,減少后續(xù)生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)對于實(shí)體系統(tǒng)的更改與返工次數(shù),從而有效減低成本、縮短工期、提高效率。
虛擬仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、船舶及其他大型設(shè)備制造過程中。例如,大眾汽車公司旗下斯柯達(dá)捷克工廠,即采用西門子的Tecnomatix,利用虛擬仿真工藝路徑規(guī)劃,來減少實(shí)際生產(chǎn)線調(diào)整改進(jìn)所需要花費(fèi)的成本。
此外,隨著“人”在制造業(yè)中的地位和作用逐漸被重新認(rèn)識,虛擬現(xiàn)實(shí)加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)技術(shù)的應(yīng)用也日漸增多,使人能夠融入虛擬仿真環(huán)境之中,如身臨其境一般參與生產(chǎn)規(guī)劃。
3.生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié)——數(shù)據(jù)采集實(shí)時通
早期的數(shù)字化工廠,其實(shí)并不包含生產(chǎn)執(zhí)行環(huán)節(jié),但隨著制造業(yè)企業(yè)具體實(shí)踐與應(yīng)用的發(fā)展,數(shù)字化工廠的概念開始向覆蓋產(chǎn)品整個生命周期的全價值鏈拓展與延伸,作為將產(chǎn)品從設(shè)計意圖轉(zhuǎn)化為實(shí)體產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié),生產(chǎn)執(zhí)行無疑應(yīng)該是數(shù)字化工廠的關(guān)鍵一環(huán)。
這個環(huán)節(jié)的數(shù)字化,體現(xiàn)在制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)與其他系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通上。MES與ERP、PDM/cPDM之間的集成,能夠保證所有相關(guān)產(chǎn)品屬性信息從始至終保持同步,并實(shí)現(xiàn)實(shí)時更新。
如果某一款產(chǎn)品的零部件或原材料發(fā)生變化,PDM/cPDM和MES中的數(shù)據(jù)信息會同步變化,MES會自動調(diào)整制造解決方案,有效避免了傳統(tǒng)制造企業(yè)由于信息無法及時傳遞和同步所造成的誤工。借助RFID(無線射頻識別技術(shù)),MES還能夠?qū)ιa(chǎn)線上的產(chǎn)品零配件進(jìn)行識別和路徑規(guī)劃,從而實(shí)現(xiàn)柔性化的混線生產(chǎn),大幅提高生產(chǎn)效率。
瑪莎拉蒂的Bertone工廠即采用上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)Quattroporte與Ghibli兩款不同車型的全自動生產(chǎn)與組裝,據(jù)不完全統(tǒng)計,產(chǎn)能提升幅度高達(dá)兩倍以上。
誰在玩轉(zhuǎn)數(shù)字化工廠?
早在二十世紀(jì)九十年代,制造業(yè)企業(yè)遍開始了對于數(shù)字化工廠的探索實(shí)踐,其中比較典型的代表是創(chuàng)建于1989年的德國西門子安倍格工廠。2000年左右,國內(nèi)汽車、航空、航天領(lǐng)域的先驅(qū)企業(yè),陸續(xù)開始了數(shù)字化工廠的探索,并取得了一定的進(jìn)展。
目前,于2013年在成都高新區(qū)落成的西門子成都工廠,是數(shù)字化工廠解決方案應(yīng)用的標(biāo)桿企業(yè)。
該工廠所使用的PLM、MES軟件,及所有工業(yè)自動化硬件皆來自于西門子,西門子稱之為數(shù)字化企業(yè)套件(Digital Enterprise Suite,DES),其解決方案,能夠全面覆蓋產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)組態(tài)、生產(chǎn)執(zhí)行以及服務(wù)的全價值鏈。
數(shù)字化工廠的未來暢想與智能制造
時間、效率、靈活性,是當(dāng)前制造業(yè)企業(yè)在激烈的市場競爭中所面臨的主要問題,也是制造業(yè)經(jīng)由數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路,向智能制造邁進(jìn),進(jìn)而最終現(xiàn)實(shí)工業(yè)4.0愿景所面臨的三大挑戰(zhàn)。
數(shù)字化工廠解決方案,不但以其快速、高效和柔性化等特點(diǎn)為制造業(yè)企業(yè)創(chuàng)造價值,而且?guī)椭圃鞓I(yè)企業(yè)打通信息孤島,有效實(shí)現(xiàn)集成與互聯(lián)互通,為未來企業(yè)走向智能化奠定了良好的基礎(chǔ)。
據(jù)不完全統(tǒng)計,采用數(shù)字化工廠技術(shù)后,企業(yè)能夠?qū)a(chǎn)品上市時間縮短30%,減少60%以上的設(shè)計修改與返工作業(yè),生產(chǎn)工藝規(guī)劃時間減少40%,產(chǎn)能提高15%以上,同時節(jié)約15%左右的生產(chǎn)成本。
視覺所見的炫酷科技并不是數(shù)字化工廠的訴求,能夠讓制造業(yè)企業(yè)獲得實(shí)實(shí)在在的收益,才是采用數(shù)字化解決方案的最終目的。
在未來,隨著市場競爭的日益加劇和市場需求的加速變革,制造業(yè)將面臨更大的挑戰(zhàn),這些趨勢將不斷推進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步,也將對數(shù)字化技術(shù)與解決方案提出更高的要求,數(shù)字化工廠的概念將進(jìn)一步豐富與深化,并引領(lǐng)企業(yè)逐漸向未來的智能制造與愿景中的工業(yè)4.0不斷邁進(jìn)。
注:本詞條入選《智能制造術(shù)語解讀》一書,由賽迪研究院編著,即將由電子工業(yè)出版社出版,敬請關(guān)注。
《工業(yè)百條》是《知識自動化》一個常設(shè)的欄目,收集新工業(yè)浪潮中值得解讀的概念,包括新老術(shù)語。旨在“用科普精神解讀專業(yè)術(shù)語”。如果大家發(fā)現(xiàn)值得解讀的術(shù)語或者概念,歡迎推薦。
作者簡介
黃昌夏:西門子數(shù)字化工廠集團(tuán)數(shù)字化業(yè)務(wù)高級顧問,南山工業(yè)書院研究組成員,在數(shù)字化工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略、智能制造市場發(fā)展與生態(tài)演進(jìn)等領(lǐng)域具有獨(dú)到的見解,業(yè)界人稱黃小邪,微信號 huangchangxia001
戴霽明:西門子數(shù)字化工廠集團(tuán)數(shù)字化解決方案與能力中心總監(jiān)
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關(guān)于數(shù)字化工廠的知識技巧了,學(xué)習(xí)以上的數(shù)字化工廠通往未來制造 | 工業(yè)百條知識,對于數(shù)字化工廠的幫助都是非常大的,這也是新手學(xué)習(xí)機(jī)電專業(yè)所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問題可以點(diǎn)擊右側(cè)人工服務(wù),我們會有專業(yè)的人士來為您解答。
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