當前位置:首頁 > 文章資訊 > 機電專業(yè) > 數字化工廠通往未來制造 | 工業(yè)百條
數字化工廠通往未來制造 | 工業(yè)百條
【中文詞條】數字化工廠
【英文詞條】Digital Factory
數字化工廠——《工業(yè)百條》正解
以覆蓋產品全生命周期的相關數據為基礎,在計算機虛擬環(huán)境下,利用三維建模、虛擬仿真等數字化技術,為涵蓋從產品設計、生產規(guī)劃、工程組態(tài)、生產執(zhí)行,直至后期運營服務在內的生產活動全價值鏈打造無縫集成、虛實精準映射的工廠解決方案,助力企業(yè)實現生產效率、質量、靈活性的提升,以及成本的下降。數字化工廠是計算機虛擬仿真技術、現代數字化制造與先進制造運營管理理念相結合的產物。
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、新理念認知水平的持續(xù)提高,越來越多的制造企業(yè)開始認識到,工業(yè)4.0就像遠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劉強教授于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上搞自動化——工業(yè)2.0必須先解決的問題(需補自動化的課);
不要在落后的管理基礎上搞信息化——工業(yè)3.0必須先解決的問題(需補建立在現代管理基礎上的信息化的課);
不要在不具備數字化網絡化基礎時搞智能化——工業(yè)4.0必須先解決的問題(數字化網絡化需要補課的太多了)。
也就是說,要實現工業(yè)4.0,必須先構建智能工廠,而要構建智能工廠,必須先打造數字化工廠,數字化工廠是走向智能制造與實現工業(yè)4.0愿景的必由之路。
數字化工廠的產生與發(fā)展
雖然CAD與PDM等專注于產品設計的專業(yè)軟件自誕生至今已有二三十年的歷史,但在相當長的時間里,由于缺乏科學有效的數據協同管理手段,研發(fā)設計階段所產生的產品數據與信息,無法實現與后續(xù)生產規(guī)劃、生產執(zhí)行環(huán)節(jié)同步共享,僅能通過負責生產的工作人員的經驗判斷安排生產,由信息不對稱而造成的一切問題,只能進行被動的應對與處理,不但嚴重影響實際生產效率,而且還需承擔由此產生的額外成本損失。這種由于產品設計與制造環(huán)節(jié)的數據與信息脫節(jié)所引發(fā)的種種問題,是制造業(yè)的一大痛點。
隨著制造業(yè)競爭的日益激烈,客戶需求的多樣化、制造工藝的復雜程度、市場對于質量與效率的訴求不斷提升,傳統制造業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。制造企業(yè)需要以更短的產品設計制造周期、更快的產品迭代速度、更高的生產效率與更靈活的生產方式來應對這種變革。
事實上,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,包括二十世紀八十年代提出的計算機集成制造系統 (Computer Integrated Manufacturing System,CIMS),但在企業(yè)的具體實踐當中,限于成本與技術瓶頸問題,尤其是限于體制問題,實施多年收效甚微,無疾而終。
二十世紀九十年代末,基于虛擬制造技術的數字化工廠解決方案,逐步發(fā)展起來。它利用數據協同管理、三維建模、虛擬仿真等數字化技術,用統一的數據平臺實現產品設計與制造階段的數據協同,實現從產品研發(fā)設計到實際生產制造之間數據與信息的協同與集成,從而填補產品研發(fā)設計與生產制造之間的鴻溝,同時在計算機虛擬環(huán)境中對物理制造系統與實際生產過程進行仿真,使生產制造過程能夠在生產線進行實際布局前,能夠在數字虛擬空間內提前進行驗證、調整與優(yōu)化。在國內較早成功的例子是九十年代末飛豹全數字樣機的開發(fā)成功,以及所實現的打通設計與制造的一體化解決方案。
數字化工廠的產生與發(fā)展
實踐證明,數字化工廠解決方案,能夠幫助制造企業(yè)縮短產品上市周期、降低產品研發(fā)成本、消除信息不對稱所造成的成本與效率損失、提高生產線配置與布局效率、降低生產線潛在故障與風險、減少生產制造過程中的不確定性等。
什么是數字化工廠?
近年來,數字化工廠逐漸成為國內外制造業(yè)企業(yè)關注的重點,具體的實踐與應用也實現了快速發(fā)展,但是業(yè)內對于數字化工廠含義的解讀,卻是千差萬別,至今也沒有達成統一的認識。
德國工程師協會對于數字化工廠的定義是:數字化工廠(DF)是由數字化模型、方法和工具構成的綜合網絡,包含仿真和3D/虛擬現實可視化,通過連續(xù)的、不中斷的數據管理集成在一起。數字化工廠集成了產品、過程和工廠模型數據庫,通過先進的可視化、仿真和文檔管理,提高產品的質量和生產過程所涉及的質量和動態(tài)性能。
根據市場上的主流觀點與具體的工作實踐,筆者更傾向于將數字化工廠理解為本文開篇給出的定義。
更加廣義的數字化工廠則將制造企業(yè)的上游供應商、中游合作伙伴、下游渠道商、客戶等所有相關方全部包含在內,形成虛實映射的統一協作系統,其本質是通過數據流、信息流與工作流的數字化,更有效實現運營與管控。
數字化工廠的主要環(huán)節(jié)與關鍵技術
主流市場觀點認為,數字化工廠主要涉及產品設計、生產規(guī)劃與生產執(zhí)行三大環(huán)節(jié),數字化建模、虛擬仿真、虛擬現實/加強現實(VR/AR)等技術包含在其中。
1.產品設計環(huán)節(jié)——三維建模是基礎
在產品研發(fā)設計環(huán)節(jié)利用數字化建模技術為產品構建三維模型,能夠有效減少物理實體樣機制造和人員重復勞動所產生的成本。同時,三維模型涵蓋著產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 (產品數據管理/協同產品定義管理)這種統一的數據平臺,伴隨產品整個生命周期,是實現產品協同研制、產品從設計端到制造端一體化的重要保證。
經歷了三十余年的發(fā)展,數字化建模技術已經相當成熟,至今使用三維CAD設計軟件的全三維建模技術在制造業(yè)的應用已經相當普及。數字化建模技術的應用始于航空航天領域,由于對產品和零部件的精度、質量、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)讓數字化建模技術的效用得以充分發(fā)揮。
例如,美國波音公司在其737-NX和787的設計制造中,利用數字化建模技術,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,有效實現了產品設計與制造環(huán)節(jié)的信息協同,從而大幅提高了生產效率。
2.生產規(guī)劃環(huán)節(jié)——工藝仿真是關鍵
在生產規(guī)劃環(huán)節(jié),基于PDM/cPDM中所同步的產品設計環(huán)節(jié)的數據,利用虛擬仿真技術,可以對于工廠的生產線布局、設備配置、生產制造工藝路徑、物流等進行預規(guī)劃,并在仿真模型“預演”的基礎之上,進行分析、評估、驗證,迅速發(fā)現系統運行中存在的問題和有待改進之處,并及時進行調整與優(yōu)化,減少后續(xù)生產執(zhí)行環(huán)節(jié)對于實體系統的更改與返工次數,從而有效減低成本、縮短工期、提高效率。
虛擬仿真技術廣泛應用于汽車、船舶及其他大型設備制造過程中。例如,大眾汽車公司旗下斯柯達捷克工廠,即采用西門子的Tecnomatix,利用虛擬仿真工藝路徑規(guī)劃,來減少實際生產線調整改進所需要花費的成本。
此外,隨著“人”在制造業(yè)中的地位和作用逐漸被重新認識,虛擬現實加強現實(VR/AR)技術的應用也日漸增多,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規(guī)劃。
3.生產執(zhí)行環(huán)節(jié)——數據采集實時通
早期的數字化工廠,其實并不包含生產執(zhí)行環(huán)節(jié),但隨著制造業(yè)企業(yè)具體實踐與應用的發(fā)展,數字化工廠的概念開始向覆蓋產品整個生命周期的全價值鏈拓展與延伸,作為將產品從設計意圖轉化為實體產品的關鍵環(huán)節(jié),生產執(zhí)行無疑應該是數字化工廠的關鍵一環(huán)。
這個環(huán)節(jié)的數字化,體現在制造執(zhí)行系統(MES)與其他系統之間的互聯互通上。MES與ERP、PDM/cPDM之間的集成,能夠保證所有相關產品屬性信息從始至終保持同步,并實現實時更新。
如果某一款產品的零部件或原材料發(fā)生變化,PDM/cPDM和MES中的數據信息會同步變化,MES會自動調整制造解決方案,有效避免了傳統制造企業(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),MES還能夠對生產線上的產品零配件進行識別和路徑規(guī)劃,從而實現柔性化的混線生產,大幅提高生產效率。
瑪莎拉蒂的Bertone工廠即采用上述技術實現Quattroporte與Ghibli兩款不同車型的全自動生產與組裝,據不完全統計,產能提升幅度高達兩倍以上。
誰在玩轉數字化工廠?
早在二十世紀九十年代,制造業(yè)企業(yè)遍開始了對于數字化工廠的探索實踐,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,國內汽車、航空、航天領域的先驅企業(yè),陸續(xù)開始了數字化工廠的探索,并取得了一定的進展。
目前,于2013年在成都高新區(qū)落成的西門子成都工廠,是數字化工廠解決方案應用的標桿企業(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,西門子稱之為數字化企業(yè)套件(Digital Enterprise Suite,DES),其解決方案,能夠全面覆蓋產品設計、生產規(guī)劃、生產組態(tài)、生產執(zhí)行以及服務的全價值鏈。
數字化工廠的未來暢想與智能制造
時間、效率、靈活性,是當前制造業(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)經由數字化轉型之路,向智能制造邁進,進而最終現實工業(yè)4.0愿景所面臨的三大挑戰(zhàn)。
數字化工廠解決方案,不但以其快速、高效和柔性化等特點為制造業(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,有效實現集成與互聯互通,為未來企業(yè)走向智能化奠定了良好的基礎。
據不完全統計,采用數字化工廠技術后,企業(yè)能夠將產品上市時間縮短30%,減少60%以上的設計修改與返工作業(yè),生產工藝規(guī)劃時間減少40%,產能提高15%以上,同時節(jié)約15%左右的生產成本。
視覺所見的炫酷科技并不是數字化工廠的訴求,能夠讓制造業(yè)企業(yè)獲得實實在在的收益,才是采用數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制造業(yè)的發(fā)展和進步,也將對數字化技術與解決方案提出更高的要求,數字化工廠的概念將進一步豐富與深化,并引領企業(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。
注:本詞條入選《智能制造術語解讀》一書,由賽迪研究院編著,即將由電子工業(yè)出版社出版,敬請關注。
《工業(yè)百條》是《知識自動化》一個常設的欄目,收集新工業(yè)浪潮中值得解讀的概念,包括新老術語。旨在“用科普精神解讀專業(yè)術語”。如果大家發(fā)現值得解讀的術語或者概念,歡迎推薦。
作者簡介
黃昌夏:西門子數字化工廠集團數字化業(yè)務高級顧問,南山工業(yè)書院研究組成員,在數字化工廠、工業(yè)互聯網、企業(yè)技術戰(zhàn)略、智能制造市場發(fā)展與生態(tài)演進等領域具有獨到的見解,業(yè)界人稱黃小邪,微信號 huangchangxia001
戴霽明:西門子數字化工廠集團數字化解決方案與能力中心總監(jiān)
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關于數字化工廠的知識技巧了,學習以上的數字化工廠通往未來制造 | 工業(yè)百條知識,對于數字化工廠的幫助都是非常大的,這也是新手學習機電專業(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擊右側人工服務,我們會有專業(yè)的人士來為您解答。
本站在轉載文章時均注明來源出處,轉載目的在于傳遞更多信息,未用于商業(yè)用途。如因本站的文章、圖片等在內容、版權或其它方面存在問題或異議,請與本站聯系(電話:0592-5551325,郵箱:help@onesoft.com.cn),本站將作妥善處理。