数字化工厂技术的应用现状与趋势

黄大泛

[摘    要]随着社会的发展以及科技的进步，数字化技术应用而生并得到了广泛的应用，无论是对于生产方式还是生产效率方面都得到了明显的提升，基于此，数字化工厂也逐渐通过数字化技术来不断完善生产质量，提升企业的经济效益。文章通过对数字化工厂的相关概念入手，分析了目前数字化工厂技术的应用情况，并提出了未来展望。

[关键词]数字化工厂;应用;趋势

[中图分类号]V268 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）10–00–02

Application Status and Trend of Digital Plant Technology

Huang Da-fan

[Abstract]With the development of society and the progress of science and technology， digital technology has been applied and widely used. It has been significantly improved in terms of production mode and production efficiency. Based on this， digital chemical plants have gradually improved production quality and economic benefits of enterprises through digital technology. Therefore， starting with the related concepts of digital chemical plant， this paper analyzes the current application of digital chemical plant technology， and puts forward the future development prospect.

[Keywords]digital chemical plant; application; trend

随着时代的发展，产品的更新换代速度不断加快及设计效率不断提高，各个企业为了更好地适应市场发展需求，均在不断提升自身的生产能力以及生产质量。尤其是随着信息技术以及物联网等新型技术的发展和应用，各个制造技术也逐渐朝着自动化、智能化方向发展，企业也想通过最快的速度和最低的成本生产高质量的产品以求在经济市场中站稳脚跟。虽然各个企业加强了对新技术的引进，但由于缺乏集成管理，没有完全地对生产设备自动化以及管理系统的整合，导致并没有完全发挥智能技术的优势。而通过构建数字化工厂不仅可以实现各项数据的利用共享，而且可以通过对数据的交换、加工、处理来直接促进生产效率的提升和管控能力，进而提升企业的核心竞争力。

1 数字化工厂技术

1.1 数字化工厂概念

数字化就是将各类信息数据转变为数字化模型，对计算机技术而言就是将这些信息转变为二进制代码然后存储至计算机内部进行统一管理。为此，数字化的发展基础就是计算机技术，而随着计算机在各个领域中的应用，逐渐提出了数字化工厂的概念。所谓的数字化工厂就是以产品以及服务全生命周期相关信息数据作为基础，然后借助计算机虚拟环境实现对整个生产的仿真、评估以及优化。因此，数字化工厂又被称为虚拟工厂。通过数字化工厂的建设不仅可以提升整个生产系统的优化，而且还可以通过网络技术的应用实现对各个业务数据的交流，进而实现虚拟制造并对实际生产流程等进行调整，降低失误发生概率，实现整个生产的数字化、智能化。

1.2 数字化工厂结构

数字化工厂又分为广义和狭义，其中狭义仅包含工厂生产过程的数字化，而广义的数字化则更为全面，不仅包括前期的市场需求、产品设计以及生产加工的数字化，而且企业管理的数字化。通过数字化工厂的应用可以对实际生产进行映射，进而在最短时间内生产出满足客户需求的高质量产品，提升产品质量。因此，广义的数字化工厂包含了所有生产活动可能涉及的范围，主要有原料供应、制造企业以及销售部门等。其具体表现为：①原料供应。通过虚拟技术的应用则可以将产生的所有费用进行分析，然后通过计算机技术来选择更为低廉、质量较好的材料并实现虚拟供应，从而进行原料供应环节的智能分析;②制造企业。通过虚拟管理，可以有效地为企业调整和发挥人才技术优势，发挥设备各项价值，继而保证生产效益的提升;③销售部分。通过对潜在市场的分析，可以对销售方式、服务模式等进行模拟，然后为客户提供数字化订单服务，进而可以精准的掌握库存情况，并让客户参与到产品的设计、制造以及销售等各项服务中，进而为客户提供良好的购物体验，提升企业的经济效益。

1.3 数字化工厂关键技术

（1）数字化建模技术。该技术主要是数字化工厂通过采用合理的建模方式来对建模结构进行分析和优化，然后建立其科学的企业模型为企业的信息系统的构建提供条件。数字化建模主要是通过计算机技术来实现数字化描述、存储以及产品外观、性能等信息的表达，然后在通过计算机软件系统进行数字仿真分析，精准地反应真实情况，为后期工作的开展创造良好的条件。

（2）数字化仿真技术。作为虚拟制造的基础，数字化仿真技术主要是通过计算机技术来营造一个虚拟的制造环境。虽然此环境是一个虚构的环境，但是可以起到以假乱真的效果，最重要的是人们可以在这个虚拟的环境中进行一些交互行为，并且该环境还可以及时地做出反应。对于数字化工厂而言，虚拟其实是整个工厂真实环境的映射。并且数字化仿真技术可以真实地展现出各设备、流水线等的内部结构，并通过内部漫游、自动画播放等进行逐一展示，進而提升产品设计的质量以及效率。

（3）虚拟现实技术。随着科技的进步，虚拟现实技术逐渐被应用在各个领域中，而数字化工厂通过应用该技术，尤其是在产品设计环节中，也可以让相关人员有一种身临其境的感受，进而全面了解产品设计情况，节省大量的设计时间和成本。通过虚拟现实技术的应用，极大地方便了产品的设计和开发，进而促进了生产流程的优化。

（4）应用生产技术。通过建模技术数字化工厂制定出了一个较为完善的生产方案，包括产品的设计、制造以及生产各个环节。而在自动化生产模式下，数字化工厂在应用生产技术时必须要结合自身的发展情况，有针对性地进行生产活动，进而提升生产水平。

2 数字化工厂技术的应用现状

2.1 基于制造过程管控与优化的数字化车间

对于制造企业而言，车间制造作为设计图纸转变为实际产品的重要环节，其过程管控以及数字化发展广泛地的覆盖了生产车间、生产线、过程自动化和智能化发展，其发展趋势也逐渐体现在3个方面，即底层制造装备的智能化、中间层制造过程的优化以及顶层的制造绩效的可视化。通过制造过程管控与优化的数字化车间，不仅可以切实地提升设备自身的速度、精度以及可靠性，而且还可以提升了设备的决策、感知以及控制能力，如自动化加工检测、设备自动故障诊断以及智能化加工编程等。对制造装配的另一个发展趋势则是机床设备以及机械手等相关辅助装置的集成化发展，进而推动了柔性加工系统或者柔性制造单元的发展。也存在很大一部分厂商将多台数控机床进行统一连接为一条生产线，进而实现了一人多机的操控的同时还可以进行网络化管理。对制造过程管理层面而言，随着精细化化管理的优势作用逐渐凸显出来，近年来各个制造企业逐渐加强了对MES或者MOM系统的应用。其中，MES或者MOM系统又将其分为车间生产规划和管理以及现场制造采集管控两个方面。其中，车间生产规划和管理主要是指的车间相关作业的编排、分派并实现对制造资源的合理配置。目前，国内的离散制造企业艾普工华则是通过应用MES或者MOM系统来有效的解决供应问题。对于现场制造数据采集而言，其最为明显的一个发展趋势就是以无线传感网络以及RFID等技术为核心的物联网技术的应用。作为信息技术领域中的一种新型技术，物联网技术的应用不仅可以切实的实现整个制造过程的“泛在感知”，尤其是RFID技术的无缝、不间断的获取精准可靠的信息流。与此同时，随着信息智能制造系统的发展应用，也在很大程度上促进了装配自身智能水平，促使MES或者MOM系统不再被动的获取相关制造数据，而是可以主动的感知用户场景变化来进行实时反馈。

2.2 基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂

作为数字化工厂发展的一个独特视角，数字化模拟工厂的构建主要是通过虚拟仿真技术的应用并将产品全生命周期的相关数据作为前提，通过虚拟仿真技术来实现对工厂规划、建设以及运行各个环节的模拟、分析、评估以及优化，进而促使工厂的规划不断完善。因为仿真技术可以处理一些数学模型无法处理的复杂问题，所以可以及时且准确地描述工厂现实情况，进而确定影响工厂的重要因素。因此，此技术在工厂的系统规划、设计以及验证等方面均发挥了不可替代的作用。其中最为典型的应用包括如下几种：①加工仿真，譬如对加工路径的规划以及验证，工艺规划的评估分析仪加工过程中切削余量的检验等;②装配仿真，装配节拍的设计、对装配过程运动学的分析以及空间干涉验证等;③物流仿真，主要包含对物料效率的分析、物料设施容量的评估以及生产区域内物流路径的规划等;④工厂布局仿真，主要包括新建厂房的规划、生产线路的规划以及仓储物流设施的规划分析等。

2.3 基于三维模型的数字化协同研制

仅有产品的设计而言，三维CAD系统已经得到了广泛的应用，各类数控设备的加工精度以及智能控制水平也得到了很大提升。而通过三维模型的数字化系统研制更是推动了从设计到制造的一体化发展。从该技术的应用来看，起初其仅应用在航空航天领域之中，因为航天产品设计、材料成本以及成型技术等方面的要求较为严格，所以为三维模型的数字化系统研制技术的发展创造了条件。对于我国而言，2000年，中航工业第一飞机设计研究院在进行飞机“飞豹”的研制过程中，则是通过数字化设计、数字化制造、数字化管理技术和三维工艺各项发展步骤策略，有效地解决了三维模型设计工艺协同工作模式，三维设计文件的生产现场无纸化、信息传递，以及航天产品的加工、装配、检测等装备的数控化问题。而ARJ21新支线飞机的研制更是完全地采用了三维数字化定义、预装配以及样机等技术，并通过数字化设计、分析以及仿真等技术的应用实现了从设计到装配一次性成功的效果，如今，该技术已经广泛地推广至工程机械、造船等领域中。

3 结论与展望

随着科技的进步，数字化工厂如今已广泛地应用在航空航天、汽车、电子以及制造等行业中，尤其是对于复杂产品的制造企业而言，通过数字化工厂的建设不仅可以有效地提升生产的效率和质量，而且可以切实提升企业经济利益。据不完全统计，通过数字化工厂的应用后，企业在产品设计修改率降低了30 %左右，而生产工艺规划时间也节省了40 %，生产产能提升了近15 %等。而随着社会的发展以及科技的进步，尤其是5G技術的普及，数字化工厂有关产品研发必须要朝着数字化、虚拟化集成控制方向发展，在5G网络环境下，采用DNN/QoS优先调度或核心网切片满足高带宽需求，实现各部门信息共享。

对于数字化工厂的车间布局仿真与物流优化，要加强实现静态虚拟车间朝着更为真实的动态虚拟车间的改造升级，并且要尽可能地反映出车间的各类元素空间布局，进而有效地发挥数字化工厂的优势作用，为车间布局规划以及优化提供可靠的参考依据等。从而切实实现整个生产过程的智能化以及自动化发展，并提升整个智能装备的应用水平。

参考文献

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