数字化工厂的实现方式与应用分析

王新政

摘 要 为解决产品设计、生产规划与制造之间的不确定性，提高生产系统的可靠性，人们提出了数字化工厂概念，文章从概念和技术两个层面叙述了数字化工厂的实现方式，并对数字化工厂的结构与生产仿真等技术的进行了分析研究。最后，以汽车生产制造企业的数控加工车间应用为例，提出了相应的数字化生产设计设想，实现对数字化工厂概念的拓展，为数字化工厂的进一步应用提供思路借鉴。

关键词 数字化工厂；数字化建模；数字化仿真；虚拟制造

中图分类号 TP3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）222-0133-03

当今时代，产品的更新换代与设計周期日益缩短，各企业也纷纷加速响应市场需求，生产能力与生产效益不断提高。随着信息技术与互联网的不断发展，制造技术已经从物质形式制造向智能制造转变。采用最快的速度、最低的成本推出高质量的产品来占领市场，才有可能让企业处于不败之地[ 1 ]。虽然许多企业不断引进新的生产系统，但是由于缺乏有效的集成，生产车间高度自动化设备与管理系统并没有效地合，与此同时建造一种数字化的工厂可以对制造过程中的数据进行数据化，就像是连通所有数据的一座桥梁，并通过设定好的程序对这些数据进行交换、加工、处理，直接对生产过程进行管理和控制[2]。减少产品生产过程中的错误，提升生产的效率，达到机器控制机器的生产效果，节省了大量的人力，降低了生产所需的成本，从而提升了产品的市场竞争力。

1 数字化工厂技术

1.1 数字化工厂概念

想了解数字化工厂应该先了解什么叫做数字化，所谓数字化，是将各种形式的信息转化为适当的数字化模型，对于计算机来说是转化为二进制代码（用0和1表示），从而引入计算机内部进行统一处理。数字化的基础是计算机技术，随着以计算机为核心的数字化技术在制造业的应用（利用计算机将复杂多变的声音、图像数字化），才有了数字化工厂的概念。数字化工厂是指以产品或服务全生命周期的相关数据为基础，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，因此数字化工厂又被称为“虚拟工厂”。数字化工厂是对整个生产系统进行设计、优化，通过网络对各组分进行相关业务数据以及信息的交流，从而实现虚拟制造，利用实际运作中的信息，通过设定好的程序调整生产过程中可能出现的失误，实现实际运作的数字化。

1.2 数字化工厂结构

数字化工厂有狭义和广义之分，狭义数字化仅仅是指工厂生产过程数字化，而广义数字化是更加全面的数字化，包括前期的市场需求数字化、产品设计数字化、生产加工数字化、企业管理数字化等。整个数字化工厂系统就形成了对实际企业的虚拟映射，以最快的时间满足客户的需求，提高产品的质量和生产过程所涉及的质量和动态性能，从而更好地投入市场[ 3 ]。

为便于概念的理解，本文主要以广义的数字化工厂为例进行结构分析。广义数字化工厂包括一切与制造有关的活动过程，主要包括原料供应、制造企业、销售部门，基本结构如图1所示。

原料供应：为制造企业提供原料的环节，需要原料供应商提供各种原材料、半成品、零件等。这里通过虚拟技术将可能花费的费用进行分析，通过网络技术选取最廉价的材料，并虚拟供应，分析可能出现的问题进行解决。

制造企业：进行虚拟管理，调整人才分布状态、设备功效等，以保证生产能够以最快最好的效益进行，防止因为客观原因导致生产不能高效进行。虚拟制造分为设计虚拟以及生产虚拟，设计虚拟对产品制造材料、工艺进行分析，生产虚拟则根据数字化模型进行仿真虚拟，给出虚拟的生产过程与虚拟产品，同时也可以通过修改生产计划对虚拟生产过程进行进一步调整和优化。

销售部门：分析潜在的市场，对可能市场的销售方法、服务方式进行模拟，发现客户，为客户提供数字化订单服务。同时能够得知产品的库存情况，参与数字化产品设计、制造和销售服务，提供市场需求等数字化信息，向企业传达数字化订单。客户是制造企业的产品和服务的受体，是企业利润的来源。

1.3 数字化工厂关键技术

从1.2的分析可知，数字化工厂的技术基础是计算机技术，相应的关键技术有数字化计算机建模与数字化计算机仿真[1，4]。

1）数字化建模。由于数字化工厂需要采用适当的建模方法，对建模结构进行分析与简化，最后通过建立数字化工厂的企业模型，作为企业信息系统的建立运行的基础。企业数字化建模是借助计算机实现数字化描述、存储和表达实际产品，其中主要包括产品的外观、性能和状态等关键信息，以便在软件系统中进行各种数字仿真和分析，因此，模型的精准程度影响到对真实情况的反应，对于后续的工作以及精确的模拟仿真有着很大的影响，可以说这是数字化工厂技术的基础，起着十分关键的作用。本质上是在生产过程中采用多视图和复合模型进行描述，如采用三维数字化技术。从产品信息、产品生产、流水线工程等多方面分别进行描述，通过集成化方法产生相对应的视图，并按照加工过程的特点，对加工过程进行建模和仿真，即对生产轨迹进行运动模拟。

2）数字化仿真。数字化仿真是虚拟制造的基础，是利用计算机技术虚拟制造出一个环境，这个环境是虚幻的，但是人们对于这种环境的感觉（视、听、触等）是逼真的，最重要的是人们可以通过一些行为（肢体语言、口头语言等）与这个环境进行交互，同时环境还可以实时地做出相对应的反应。虚拟的对于数字化工厂而言，这个系统可以是真实工厂的映射，也可以是客观不存在但是可以制造出来或者将来可以存在的工厂。可对工厂设备、流水线等进行详细剖析展示，由外而内表现工厂的客观情况，并可通过鸟瞰、内部漫游、自动动画播放等形式对设备逐一表现，从而决定是否使用模型，大大提高了设计规划的质量与效率。同时数字化仿真和虚拟制造加强了工厂数据采集、分析、处理的能力，可以减少决策失误，降低企业风险，使工业设计的手段和思想发生质的飞跃，更加符合社会发展的需要，所以说在工业设计中应用虚拟现实技术是可行且必要的。

2 数字化工厂应用案例分析

2.1 汽车制造智能数字工厂应用分析

由于数字化工厂的卓越性，很多知名企业已经开发出数字化工厂所需要的软件并在市场上销售，例如由上海鲁班软件有限公司推出的针对建筑行业的全过程管理解决方案PDPS（Project Data Providing Service）。数字化工厂可以应用在很多生产制造领域中，例如航天制造、汽车制造、零件生产等。本文以汽车制造工厂为例进行数字工厂的应用分析，一般可设计成如图2所示的三层结构模型，主要采用到的相关技术有全厂数据采集管理、设备生命周期管理和3D可视化管理。

基于实时数据采集的在线生产管理可以利用制造执行平台、工业数据采集引擎或与之同类的软件进行采集，借助计算机在线搜集生产数据和质量数据，并以此为基础进行技术分析、计算和统计等，最终以特定图形、具体数字或多维模型等形式展现，并随时通过数据的分析对生产进行调整。通过对采集到的在线实时数据进行分析进而实现生产管理的优化，实现以订单为导向的生产计划调度，为提升企业市场竞争力提供技术保障。

利用DELMIA等软件进行管理，通过前端CAD系统的设计数据结合制造现场的资源（2D/3D）。通过3D图形仿真引擎对于整个制造过程进行仿真和分析。得到最优化数据，进行3D环境下工艺的详细设计、仿真和验证。让汽车装配工人和维修工人对设备的了解更加全面，为实现现场可视化装配打好基础，减少人为失误，提高汽车的装配质量，使设备更方便的按所预期的效率进行运作。

2.2 数字化工厂的实际应用优势分析

从对汽车制造智能数字工厂的分析，可以发现，数字化工厂可以根据工厂实际情况，定制自己的工艺层次结构和资源库，减少工艺规划时间，提高规划质量预见并减少规划风险，减少工程成本实现设计部门以及生产部门的良好的集成，加速产品流入市场，适应新时代的要求，提升产品的竞争力，主要优势体现如下两方面。

1）数字化工厂的这些技术的应用方面非常广泛，几乎所有大型工厂都可以通过数字化工厂来减少多余人员利用、提升生产效率、贴近市场需求，从而提高竞争力。

2）数字工厂可以更好地实现工厂自动化，自动完成产品制造的全部或部分加工过程。数字工厂可以用于计算机中确认自动机械的动作设备联动、安全关系等，使系统达精益阶段，实现生产中更高程度的自动化。

3 结论

数字化工厂是集数字化建模、仿真和虚拟现实技术为一体的现代化制造新概念，通过设备实时信息数据管理集成在一起形成的现代化工厂，是实际工厂生产在数字环境中的描述与表达。本文基于传统生产制造过程中的问题和数字化工厂技术基础，阐述了如何具体构建数字化工厂。通过具体案例的分析达到对企业现场智能系统作用的理解，在数字化工厂相关技术的推动下，可使企业生产运营数据管理智能化、生产线可视化、企业价值最大化，真正实现数字化制造，帮助更多的企业跟随工业4.0

的发展潮流[4]。

参考文献

[1]王金庆.数字化工厂及其关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2001.

[2]张国军，黄刚.数字化工厂技术的应用现状与趋势[J].航空制造技术，2013，428（8）：34-37.

[3]赵荣泳，张浩，樊留群，等.数字化工厂与虚拟制造的关系研究[J].计算机集成制造系统，2004（s1）：46-50.

[4]趙子梁，贺刚，李海明.数字化工厂管理系统[J].机械设计与制造工程，2013（1）：53-56.