1、數字化工廠技術發展與展望摘要： 制造業對一個國家的經濟和政治地位至關重要, 以及它在21 世紀工業生產中的決定性的地位和作用，很多國家尤其是美國等西方發達國家都把制造業發展戰略列為重中之重。隨著各種現代制造技術與軟件系統產生、研究與實踐的不斷深入，“數字化工廠” (MPM技術與系統也就應運而生了，“數字化工廠”技術與系統作為新型制造技術與系統，是制造業迎接21 世紀挑戰的有效手段。本文通過對數字化工廠技術的關鍵技術及其發展趨勢進行討論，可以為在國內應用推廣數字化工廠技術提供參考。關鍵詞：數字化工廠虛擬制造仿真技術1 數字化工廠的概念制造技術已從物質形式的制造向信息制造轉變，產品中知識信息的價值

2、占據越來越高的比例，這不但反映在產品本身，而且體現在產品的整個生命周期，特別是生產制造環節，隨著信息技術的發展，不斷出現了新的制造理念和制造系統，如 FMS CIMS敏捷制造和網絡化制造等。這些技術從制造的現實出發，對制造過程中產生的數據進行數字化，并對它們進行加工處理，產生相關信息，在制造系統中進行存儲和交換，并直接應用于對生產過程的管理和控制，進一步可對信息進行分析加工產生相關知識，使制造系統的“智能”得到提高，通常把這種生產方式稱為數字化制造。另一方面，隨著仿真技術的發展和虛擬現實技術的產生，另一種概念的數字化工廠隨之產生，這個工廠生存于數字信息世界，在真實工廠或生產過程還沒有開始前，這

3、個工廠在虛擬空間中運作，對真實工廠進行虛擬現實的仿真，提供優化的結果，這是現在數字化工廠主要研究和應用的內容1。作為數字化與智能化制造的關鍵技術之一，數字化工廠是現代工業化與信息化融合的應用體現，也是實現智能化制造的必經之路。數字化工廠借助于信息化和數字化技術，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均已開始著手建立自己的數字化工廠。近年來，隨著國際競爭的不斷加劇和我國制造業勞動力成本的不斷上升，對設備效率、制造成本、產品質量等環節的要求不斷提高，離散制造業中以汽車、工程機械、航空航天、造

4、船為代表的大型企業已越來越重視數字化工廠的建設2 。數字化工廠最主要解決產品設計和產品制造之間的“鴻溝”，如圖 1 所示為從工藝設計到產品設計的數字化仿真圖。以前產品設計完成后，沒有一個科學的轉化渠道，僅僅憑借工藝人員、制造工程師和管理人員的經驗知識進行生產工藝安排、生產計劃制訂，然后直接投入制造系統進行制造，對出現的問題只有在生產過程中解決。工藝設計到生產制造圖1從工藝設計到生產制造仿真圖隨著全球化競爭的加劇，產品的更新換代和設計制造周期縮短以及客戶化定制生產方式的 形成，給制造企業帶來越來越大的競爭壓力。以下原因促使數字化工廠概念的產生：(1)產品越來越復雜，不但零件的形狀，而且產品中包含

5、的零件個數非常多、零件之間 的裝配關系復雜。在設計時的微小錯誤，就可能造成產品開發的失敗，或是不能按期交貨。另 一方面可能由于使用前沒有發現的微小缺陷，造成重大事故。(2)生產設備和制造系統日益趨向復雜和昂貴，生產制造系統的布局和配置是否適應所制 造的產品，是否是優化的布局和配置？這些問題的解決，使制造商能夠在科學的指導下進行投 資，以小風險獲取大的收益。(3) 一般的制造系統是非線性離散化的系統，生產制造系統的魯棒性如何？在某些意外發 生的情況下，制造系統是否能夠滿足生產需求？(4)專業人員在設備的安裝、使用和維修中僅僅依靠產品圖紙文檔，使工作效率低下，而 且對人員的專業技能要求很高。數字化

6、工廠技術就是為解決以上問題而提出，目前國內外還沒有一個統一的概念， 一般可以認為數字化工廠技術能實現產品生命周期中的制造、裝配、質量控制和檢測等各個階段的功能，主要解決工廠、車間和生產線以及產品的設計到制造實現的轉化過程，使設計到生產制造 之間的不確定性降低，在數字空間中將生產制造過程壓縮和提前，使生產制造過程在數字空間 中得以檢驗，從而提高系統的成功率和可靠性，縮短從設計到生產的轉化時間3。數字化工廠技術帶來的好處如下：(1)縮短新產品的上市周期；(2)減少新產品的開發成本和風險；(3) 優化產品設計以利于加工；(4) 優化生產線配置和布局，減少生產線準備和停機時間；(5) 增加生產線設備生

7、產力，大大提高生產率；(6) 改善工人的勞動環境，提高產品質量。2 數字化工廠的結構和主要關鍵技術數字化工廠技術在虛擬現實技術和仿真優化技術的基礎上發展起來，數字化工廠目前已經成為現代制造領域中的一個新的研究應用領域。針對制造系統體系結構設計及優化、生產系統的功能分解以及過程組織、生產流程設計的技術正在不斷出現。毫無疑問，這些技術將有助于規劃、分解工廠的結構、生產設備和制造原料的維護和儲存、企業物流系統的設計以及確認企業生產能力和生產瓶頸所在。同樣的， 在過程組織和生產流程設計方面，也發揮出很大的作用。除此以外，為了解決復雜的設計功能，人們還采用了對生產流程進行模擬的方法。與此同時，還有采用3

8、D 動畫方式把生產設備及其工作方式，以及由此而產生的對外部環境的影響真實再現出來的3D虛擬現實設備和軟件。圖 2 展示了數字化工廠的結構，圖中線框內為數字化工廠的主要內容，通過建模技術對真實工廠的制造資源和工藝數據進行分析，在計算機內建立真實工廠的數字化模型。CAD數據、加工工藝和預計的生產計劃作為輸入，通過優化仿真系統進行制造過程的模擬，對產品的設計和制造過程進行評價?，F在越來越多的優化仿真系統還采用虛擬現實技術進行可視化仿真，并給出優化仿真結果。數字化工廠技術對生產工程的各個環節，在不同的層次，小到操作步驟，大到生產單元、生產線乃至整個工廠進行設計、仿真、分析和優化。它從并行工程的基本觀點

9、出發，在產品設計階段就同時考慮和解決生產工程的問題，包括工藝過程設計、工藝裝備、機床設備、刀具、生產線或加工單元的布局、人體工程學、生產調度、物料管理等，實現數字化的制造。其結果用于真實工廠的生產制造，如可生成 PLC機器人和數控機床等的程序，控制相關設備完成生產制造。工藝網刎對產惻劃協同作曲包國"包CADCAM/PDM黃涯平整 工時普理度史音地就靠分析結構體系產能分析仿真圖2典型數字化工廠結構要建立數字化工廠，必須要采用虛擬制造技術4 o虛擬制造技術（virtual manufacturing technology , VMT是以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計、生產過程統一

10、建模，在 計算機上實現產品從設計、加工和裝配、檢驗、使用整個生命周期的模擬和仿真。虛擬制造技 術可以提供關鍵的設計和管理決策對生產成本、周期和能力的影響信息，以便正確處理產品性 能與制造成本、生產進度和風險之間的平衡，作出正確的決策；也可提高生產過程開發的效率， 可以按照產品的特點優化生產系統的設計；并通過生產計劃的仿真，優化資源的利用，縮短生產周期，實現柔性制造和敏捷制造；而且可以根據用戶的要求修改產品設計，及時作出報價和 保證交貨期。成本分利工廠虛擬制造流程工藝過程仿其裝配分析cll生產線彷j(人機工程分析制造過程設計斑拮規劃以品信息項目計制圖3虛擬制造流程數字化工廠在基于虛擬制造技術下的

11、關鍵技術有：(1)數字化建模技術：通常研究的制造系統是非線性離散化系統，需要建立產品模型、資 源模型(制造設備、原材料、能源、工夾具、生產人員和制造環境等)、工藝模型(工藝規則、制造路線等)以及生產管理模型(系統的限制和約束關系)。數字化工廠是建立在模型基礎上的 優化仿真系統，所以數字化建模技術是數字化工廠的基礎。(2)優化仿真技術：很早就開展起來了，隨著虛擬設計技術的發展，在計算機中進行產品 零件的三維造型、裝配分析和數控加工模擬技術以及 CA曰程分析技術不斷發展和完善，這種 技術進一步向制造過程領域發展。在數字化建模的基礎上，對制造系統進行運動學、動力學、 加工能力等各方面進行動態仿真和優

12、化。(3)虛擬現實技術：文本信息很難滿足制造業的需求，隨著三維造型技術發展，三維實體 造型技術已得到普遍的應用。具有沉浸性的虛擬現實技術，使用戶能身臨其境地感受產品的設 計過程和制造過程，使仿真的旁觀者成為虛擬環境的組成部分；(4)軟件之間的重組和集成：數字化工廠軟件模塊之間以及和其他軟件模塊之間的信息交 換和集成。(5)應用工具：產生虛擬環境的工具集、各種數據轉換工具、設備控制程序的生成器、各 種報表的輸出工具等。3數字化工廠技術的研究與應用數字化工廠技術已成為國內外研究的一個熱點，這個概念處在逐漸被接受的階段， 而虛擬制造技術可以說是數字化工廠技術的前身和基礎5。目前基于虛擬制造技術的研究

13、很多，如美 國國家標準及技術局（NIST）制造工程實驗室（）、美國Michigan大學虛擬現實實驗室（.edu）、 美國政府能源部 TEAM伎術使能的敏捷制造）計劃、Purdue大學工學院協同制造研究中心（. ）、日本大坂大學機械工程系制造工程及系統研究室、清華大學CIMS工程研究中心 虛擬制造研究室、上海交通大學 CIM研究所和同濟大學CIMS研究中心都開展了數字化工廠相 關技術的研究。美國Tecnomatix技術公司和美國Delmia公司等長期致力于虛擬制造的研究，開發出滿足 虛擬制造要求的數字化工廠軟件，這些公司都是經過重新重組將許多小的專業軟件公司組合起 來，形成數

14、字化工廠的成套系列軟件。如工廠及生產線規劃仿真、工藝規劃、質量控制和生產 工具等軟件模塊，可以滿足不同需求的用戶。目前數字化工廠技術在汽車、航空航天、能源、 制藥、重型設備、電子和家用電器、機器人等行業得到了廣泛應用并創造了可觀效益，一大批 著名企業和部門，如 BMW Ford、Honda波音公司、歐洲航天局、 ABB Robotics。上海大眾 采用數字化工廠軟件成功進行了發動機生產線的設計并優化，一汽大眾成功完成了其車身解決Zu 0三一首先在起重機事業部引入“數字化工廠”這一新要素。目前，三一數字化工廠正逐漸 從工廠、人機裝配、物流仿真階段向數字制造延伸。一個虛擬的數字化企業初見雛形，未來

15、它 必將與實體企業深層互動，從而引領新一輪的創新潮流。圖4三一重工起重機機加區模擬仿真圖實施數字化工廠是一個復雜的系統工程， 而且數字化工廠軟件在現階段還比較昂貴，如果采用的技術手段和實施方法不合適，還會存在著非常大的風險6。特別是在信息技術不斷發展、 市場環境發生變化時還要能夠根據新的需求進行快速重組，以及數字化工廠軟件模塊之間，和其他軟件系統的集成，所有這一切都對系統的設計實施提出了非常高的要求。4數字化工廠技術的發展數字化工廠技術技術已在航空航天、汽車、造船以及電子等行業得到了較為廣泛的應用， 特別是在復雜產品制造企業取得了良好的效益，據統計，采用數字化工廠技術后，企業能夠減少30峻品上

16、市時間；減少65%勺設計修改；減少40%勺生產工藝規劃時間；提高15%£產產能; 降低13啾產費用7。毫無疑問，設計層發布的三維模型是后續仿真規劃分析的基礎，而車間 生產狀態又可以反過來驅動生產模型，作為分析工廠運作的數據源；數字化車間需要智能裝備 的支撐，而要想最大限度地發揮智能裝備的效益， 則需要數字化車間提供全局的信息和基于全 局信息的決策。“數卡化工廠"工程仿真圖5 "數字化工廠”技術在上海大眾-VW的應用在我國，面對傳統產業轉型升級、工業與信息化融合的戰略發展要求，大力開展對于數字 化車間技術系統的研究、開發與應用，有利于推動實現制造過程的自動化和智能化

17、，并可望有 效帶動整體智能裝備水平的提升80隨著電子信息技術的進步，信息化技術已深入到制造業的各個層面。數字化工廠技術狹義上來講就是本文提到的概念，從廣義上來講數字化工廠就是覆蓋產品的整個生命周期的數字化 技術，實現設計數字化、制造裝備數字化、生產過程數字化、管理數字化，并通過集成實現整 個工廠數字化90對于設備控制層的數字化越來越多地采用嵌入式系統，并以現場總線為其信 息通道，和上層以Internet/Intranet為基礎的制造信息分析和處理層結合，形成廣義上的數 字化工廠信息構架，從而實現整個企業、企業之間的數字化。各國目前都非常重視制造業的信息化和數字化，在我國"十五&quo

18、t;期間，科技部將在"九五"CAD/CIMS應用示范工程的基礎上，從863 計劃和攻關計劃中拿出8 億元作為引導資金，組織實施"制造業信息化關鍵技術研究及應用示范工程" ，同時在國際合作領域也開展工作，利用國外先進技術優勢來提升我國企業的生產制造能力和核心競爭力。這必將促進我國數字化工廠技術的研究和應用的發展。5 總結工業 4.0 是今年的一大熱詞。其實，不管是全美制造業創新網絡、德國工業4.0，還是正在醞釀的中國制造2025規劃，都說明了一個問題：下一輪工業升級已經提上日程。數字化工廠技術必然會成為今后制造業發展的關鍵技術。自動化與信息技術的發展促進了數字化工廠的發展。數字生產的過程使人可以更多地擺脫生產物質的約束，進行創造性工作，企業也可以在新產品開發、成本、價格、質量和服務方