[科普中国]-数字工厂

定义

对于数字工厂，德国工程师协会的定义是：数字工厂（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。数字工厂集成了产品、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。

在国内，对于数字工厂接受度最高的定义是：数字工厂是在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物，主要作为沟通产品设计和产品制造之间的桥梁。从定义中可以得出一个结论，数字工厂的本质是实现信息的集成1。

出现背景现代工业经历了机械化、电气化革命，未来的第三次工业革命必然是以机、电、信息相结合的智能化制造革命。《经济学人》2012年4月发表的《第三次工业革命：制造业与创新》专题报道中阐述了目前由技术创新引发的制造业深刻变化，其中，数字化与智能化的制造技术是“第三次工业革命”的核心技术。

作为数字化与智能化制造的关键技术之一，数字工厂是现代工业化与信息化融合的应用体现，也是实现智能化制造的必经之路。数字工厂借助于信息化和数字化技术，通过集成、仿真、分析、控制等手段，可为制造工厂的生产全过程提供全面管控的一种整体解决方案。早在2000年前后，上汽、海尔、华为和成飞等制造企业均已开始着手建立自己的数字工厂。今年来，随着国际竞争的不断加剧和我国制造业劳动力成本的不断上升，对设备效率、制造成本、产品质量等环节的要求不断提高，离散制造业中以汽车、工程机械、航空航天、造船为代表的大型企业已越来越重视数字工厂的建设。

基于数字工厂的智能工厂和智能制造智能工厂智能工厂是在数字工厂的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理计划排程。同时，集初步智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。

智能工厂已经具有了自主能力，可采集、分析、判断、规划；通过整体可视技术进行推理预测，利用仿真及多媒体技术，将实境扩增展示设计与制造过程。系统中各组成部分可自行组成最佳系统结构，具备协调、重组及扩充特性。已系统具备了自我学习、自行维护能力。因此，智能工厂实现了人与机器的相互协调合作，其本质是人机交互。

智能制造智能制造系统不只是人工智能系统，而是人机一体化智能系统，是混合智能。系统可独立承担分析、判断、决策等任务，突出人在制造系统中的核心地位，同时在智能机器配合下，更好发挥人的潜能。机器智能和人的智能真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本质是人机一体化。

国内很多企业都在炒作智能制造，但是绝大多数企业还处在部分使用应用软件的阶段，少数企业也只是实现了信息集成，也就是可以达到数字工厂的水平；极少数企业，能够实现人机的有效交互，也就是达到智能工厂的水平。

应用基于三维模型的数字化协同研制在设计部分，三维CAD系统的应用已相当普及。1997年，美国机械工程师协会ASME就开始了全三维设计相关标准的研究制定工作，并于2003年颁布了“Y14．41(Digital Product Definition Data Practices)”标准，把三维模型和尺寸公差及制造要求统一在一个模型中表达。在生产部分，各类数控设备在加工精度和智能控制水平上近年来都得到飞速发展。基于三维模型的单一数据源和数控设备的广泛应用使得从设计端到制造端的一体化成为可能。基于三维模型的数字化协同研制应用的尝试始于航空航天制造领域。由于在产品设计、材料成本、成型技术和制造精度方面具有相对更苛刻的要求，航空航天领域在加工和装配制造工艺上整体领先于其他行业，这为基于三维模型的数字化协同研制奠定了基础。

当前，世界先进的飞机制造商已逐步利用数字化技术实现了飞机的“无纸化”设计和生产，美国波音公司在波音777和洛克希德·马丁公司在F35的研制过程中，基于三维模型的数字化协同研制和虚拟制造技术，缩短了三分之二的研制周期，降低研制成本50%。

基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂数字化模拟工厂是数字工厂技术在制造规划层的一个独特视角。基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，采用虚拟仿真技术对制造环节从工厂规划、建设到运行等不同环节进行模拟、分析、评估、验证和优化，指导工厂的规划和现场改善。由于仿真技术可以处理利用数学模型无法处理的复杂系统，能够准确地描述现实情况，确定影响系统行为的关键因素，因此该技术在生产系统规划、设计和验证阶段有着重要的作用。正因为如此，数字化模拟工厂在现代制造企业中得到了广泛的应用，典型应用包括：

（1）加工仿真，如加工路径规划和验证、工艺规划分析、切削余量验证等。

（2）装配仿真，如人因工程校核、装配节拍设计、空间干涉验证、装配过程运动学分析等。

（3）物流仿真，如物流效率分析、物流设施容量、生产区物流路径规划等。

（4）工厂布局仿真，如新建厂房规划、生产线规划、仓储物流设施规划和分析等

基于制造过程管控与优化的数字化车间在制造企业，车间是将设计意图转化为产品的关键环节。车间制造过程的数字化涵盖了生产领域中车间、生产线、单元等不同层次上设备、过程的自动化、数字化和智能化。其发展趋势也分别体现在底层制造装备智能化、中间层的制造过程优化和顶层的制造绩效可视化3个层次。

在底层制造装备方面，数字工厂主要解决制造能力自治的问题。设备制造商不仅持续在提升设备本身高速、高精、高可靠等性能方面不断取得进展，同时也越来越重视设备的感知、分析、决策、控制功能，比如各种自适应加工控制、智能化加工编程、自动化加工检测和实时化状态监控及自诊断/自恢复系统等技术在生产线工作中心及车间加工单元中得到普遍运用。如日本Moriseiki的最新机床产品上安装的操作系统MAPPS，该系统内置了森精机的操作编程维修软件，具有很高的开放性，具有对话式编程，三维切削模拟和维修指导画面，提供远程监控功能方便维修服务，并且可以直接进行切削仿真。制造装备的另一个趋势是把机床设备和相关辅助装置(如机械手)进行集成，共同构成柔性加工系统或柔性制造单元。也有不少厂商支持将多台数控机床连成生产线，既可一人多机操纵，又可进行网络化管理。上文提到的MAPPS系统就可以通过使用CAPS—NET网络软件建立基于以太网的网络，从而可以对作业状况和生产计划进行一元化管理2。