数字化工厂

1由来

　　在设计部分，CAD和PDM系统的应用已相当普及；在生产部分，ERP等相关的信息系统也获得了相当的普及，但在解决“如何制造→工艺设计”这一关键环节上，大部分国内企业还没有实现有效的计算机辅助治理机制，“数字化工厂”技术与系统作为新型的制造系统，紧承着虚拟样机（VP）和虚拟制造（VM）的数字化辅助工程，提供了一个制造工艺信息平台，能够对整个制造过程进行设计规划，模拟仿真和治理，并将制造信息及时地与相关部分、供应商共享，从而实现虚拟制造和并行工程，保障生产的顺利进行。

　　“数字化工厂”规划系统通过同一的数据平台，通过具体的规划设计和验证预见所有的制造任务，在进步质量的同时减少设计时间，加速产品开发周期，消除浪费，减少为了完成某项任务所需的资源数目等，实现主机厂内部、生产线供给商、工装夹具供给商等的并行工程。

　　数字化工厂（DF）是企业数字化辅助工程新的发展阶段，包括产品开发数字化、生产准备数字化、制造数字化、管理数字化、营销数字化。除了要对产品开发过程进行建模与仿真外，还要根据产品的变化对生产系统的重组和运行进行仿真，使生产系统在投入运行前就了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产过程优化和网络制造提供支持。

2内涵

　　德国工程师协会定义：数字化工厂（DF）是由数字化模型、方法和工具构成的综合网络，包含仿真和3D/虚拟现实可视化，通过连续的没有中断的数据管理集成在一起。

　　数字化工厂（DF）集成了产品、过程和工厂模型数据库，通过先进的可视化、仿真和文档管理，以提高产品的质量和生产过程所涉及的质量和动态性能：

　　●提高盈利能力

　　●提高规划质量

　　●缩短产品投产时间

　　●交流透明化

　　●规划过程标准化

　　●胜任的知识管理

3典型应用

　　数字化工厂（DF）的集成，首先需要强大的界面和数据库系统，将不同复杂层次之间和不同运作功能领域之间的实际数据和模块进行联合使用，常见的应用有：

　　●布局规划与仿真——布局确认与优化

　　●零件流的静态分析与动态仿真

　　数字化工厂

　　●装配过程平衡

　　●复杂的物流操作仿真

　　●机器人及复杂运动仿真

　　●零件加工仿真

　　●人力资源仿真

　　●人机工效仿真

　　●生产物流系统仿真

　　●控制软件测试仿真

　　●生产动作控制仿真

4构建原因

　　在当今激烈的市场竞争中，制造企业已经意识到他们正面临着巨大的时间、成本、质量等压力。在设计部门，CAD&PDM系统的应用获得了成功。同样，在生产部门，ERP等相关信息系统也获得了巨大的成功，但在解决“如何制造→工艺设计”这一关键环节上，大部门国内企业还没有实现有效的计算机辅助管理机制，“数字化工厂”技术则是企业迎接21世纪挑战的有效手段。

　　“数字化工厂”技术与系统作为新型的制造系统，为制造商及其供应商提供了一个制造工艺信息平台，使企业能够对整个制造过程进行设计规划，模拟仿真和管理，并将制造信息及时地与相关部门、供应商共享，从而实现虚拟制造和并行工程，保障生产的顺利进行。在汽车行业，数字化工厂更是发挥着重要的作用。从产品设计到制造开始的工作转换是汽车开发过程中最关键的步骤之一，“数字化工厂”规划系统可以通过详细的规划设计和验证预见所有的制造任务，在提高质量的同时减少设计时间，从而加速汽车开发周期；并且还可以消除浪费，减少为了完成某项任务所需的资源数量等。此外，“数字化工厂”规划系统通过统一的数据平台，实现主机厂内部、生产线供应商、工装夹具供应商等的并行工程。

　　1、全面的制造过程管理

　　“数字化工厂”提供了全面的制造过程管理，在实际产品生产前，在计算机模拟的环境中完成虚拟生产全部过程，生成经过“数字化工厂”验证过的、实际生产所需的各种工艺数据和文档。

　　2、工作流程

　　工作流程如图2所示，下面分别详细介绍：

　　（1）从设计部门获取产品数据：

　　通过系统集成，从设计部门的PDM系统中自动下载产品相关数据，包括3D模型、装配关系等；并在“数字化工厂”环境中进行工艺审查、公差分析等。

　　（2）从工装工具、生产部门获取资源数据（2D/3D）：

　　通过系统集成，从企业的资源库中自动下载相关资源数据；在“数字化工厂”环境中建立相关项目的资源库。

　　（3）工艺规划：

　　在“数字化工厂”规划模块中进行协同规划或导入工艺部门已有工艺信息。工艺规划包括：总工艺计划、细节工艺计划、生产计划及产品、工艺、资源关联及工时等工艺信息。

　　（4）工艺验证、仿真：

　　在“数字化工厂”工程模块中验证规划结果。工艺验证包括：工艺验证、动态装配、工位布局验证、线平衡、工时分析、人机工程仿真、工厂布局、物流仿真、机器人仿真、NC仿真、冲压仿真、PLC仿真和质检等。

　　（5）客户化输出：

　　通过系统集成和客户化开发，输出工艺执行文件；通过系统集成和客户化开发，输出生产、采购、招投标、维护、培训等信息或将数据传递到现有的CAPP系统中。

　　3、规划模式

　　整个过程始终涉及汽车主机厂和生产线供应商，这就要求各企业使用同一平台以保证实现并行工程和统一的数据规范，从而实现并行工厂。由于协作模式、控制权及平衡标准等的不同，全球不同汽车规划体系（美系、欧系、日系等）使用的“数字化工厂”解决方案具有不同模式和本地化特点。北京迪基透科技有限公司通过多年与不同厂家的合作，逐步积累了丰富的经验，已经探索出适合中国本地的模式，下面以汽车业的具体项目说明。

5应用示例

　　汽车生产

　　“数字化工厂”解决方案覆盖了汽车生产的所有过程。

　　1、白车身解决方案

　　这是一个可以在网络环境下运行的解决方案，实现白车身生产线、装配单元和工艺过程的设计、规划、方案验证及详细的设计和仿真、优化，并保证信息及时更新、交流和共享。

　　该解决方案在制造过程的整个生命周期内支持汽车OEM的生产线设计和厂房布局，以电子化工艺过程表（eBOP）的格式定义制造过程并把他们存储在统一的制造服务器e-ManufacturingServer（eMS）上，这就可以在整个制造链上方便地读写、交换和协同地交互式操作；BIWSolution提供了完整的白车身制造工程的规划、设计、管理、项目跟踪的团队协同制造环境；该方案主要解决白车身焊接生产线的工艺规划、焊接管理、焊接仿真和装焊线的布局，同时应用物流模块对整个生产线进行物流分析和优化。

　　完整的工厂规划及生产线2D/3D布局图能使时间节省约40%，实施该方案后，显著提高了工艺规划效率和质量；在综合的焊接管理方面，减少焊接信息查询的时间75%，减少丢失焊点80%；并行工程的应用减少项目规划的工作量约30%；并增强了主机厂与生产线供应商的协作等。

　　2、总装解决方案

　　主要解决总装生产线的工艺规划，多车型混线生产管理，复杂的物流仿真优化，根据定单的排产计划和总装线的布局等，支持用户完成从生产装配过程分析到具体装配站点的三维可视化设计；提供对于复杂操作的三维仿真分析；提供了完整的总装制造工程的规划、设计、管理及项目跟踪的团队协同制造环境；人机工程可以用于人工装配操作的仿真来对操作场地和装配循环时间进行优化等；还具有用于混产规划过程仿真、分析生产线的性能，包括产量、物流、生产线平衡、瓶颈和缓冲区大小等。

　　总装解决方案在规划过程中考虑了多种方案的优选，减少了用于验证装配可行性的模型数量；对复杂装配干涉问题的仿真能早期预测和消除工程风险；可用于多车型同线混装的工艺方案设计和排产计划的制定。

　　3、发动机解决方案

　　该解决方案提供发动机机加工生产线和装配线的设计、优化以及质量管理的全面的制造过程解决方案。它提供了一套强大的应用程序，对发动机和传动系统加工生产线进行分析、规划和仿真。该解决方案可以自动识别零件的工艺特征、设计加工工序、自动选择最佳的加工参数和刀具和生成NC刀具路径乃至NC程序，并为生产线上的工位分配优化的工序。发动机解决方案流程如图5所示。

　　该解决方案在设计阶段就可通过3D浏览进行更好的信息沟通；可进行早期的设计错误检查(冲突分析)；可方便地进行运动学优化；可同步地进行工艺设计；减少冲压生产线的建立与调整时间并优化工作循环时间。

　　4、物流解决方案

　　物流解决方案主要针对复杂制造体系进行建模仿真（如车身线，总装线，喷漆线、发动机线等），包括：对生产线的制造能力进行评估；分析和优化生产线的缓冲区尺寸；找出瓶颈点并进行优化；制定最佳的物流控制策略；定义精确的制造系统参数等。

　　其中的生产线物流规划、方案验证包括：物流布局规划和仿真验证；生产线缓存区的位置设定和最佳储存量控制；物流路径的规划与仿真优化；输送链系统的布局，控制方案，运行策略；生产次序的优化；物流路径的流量和瓶颈分析。运输物流规划、方案验证包括：物流运输道路路径规划；道路负载瓶颈流量分析；运输车辆合理承载量计算；集货方式和物料运输器具规划设计；运输计划（时间，车次，道路，器具）。仓储物流规划、方案验证包括：存储区布局和尺寸设计；进货/出货结构指令设计；物流稳定性分析；优化物流控制策略；优化集货合货物分配模型；优化快速货流运转机制；运输设备系统方案规划、仿真优化。

　　教育行业

　　如今随着国家对教育的投入力度加大，越来越多的中高职学校以示范校建设为契机，全力开展与企业接轨的专业建设，汲取企业的先进制造经验，其中数控、机电、模具等专业均建设数字化工厂项目，数字化工厂项目仿照企业模式，通过PLM体验中心、现代实训车间、8S管理等内容建设构建出数字化工厂模型，再配合企业应用广泛的CAD/CAPP/CAM/PDM/DNC等软件，完成数字化工厂核心内涵建设，并由此展开教学模式改革，做到真正与企业接轨。

　　结语

　　“数字化工厂”贯穿整个工艺设计、规划、验证、直至车间生产工艺整个制造过程，在实施过程需要注意系统集成方面的问题，“数字化工厂”不是一个独立的系统，规划时，需要与设计部门的CAD/PDM系统进行数据交换，并对设计产品进行可制造性验证（工艺评审），同时，所有规划还需要考虑工厂资源情况。所以，“数字化工厂”与设计系统CAD/PDM和企业资源管理系统ERP的集成是必须的。同时，“数字化工厂”还有必要把企业已有的规划“知识”（如工时卡、焊接规范等）集成起来，整个集成的底部是PLM构架。

　　同时，类似于PDM系统和ERP系统，每个企业都有自己的流程和规范，考虑到很多人都在一个环境中协同工作（工艺工程师、设计工程师、零件和工具制造者、外包商、供应商以及生产工程师等），随时会创建大量的数据，所以，“数字化工厂”规划系统也存在客户化定制的要求，如操作界面、流程规范、输出等，主要是便于使用和存取等。