数字化工厂及其关键技术研究

导读：本文主要分析探讨了数字化工厂及其关键技术，以供参阅。

1 数字化工厂概述

数字化工厂是随着数字仿真技术和虚拟现实技术发展而来的，它通过对真实工业生产的虚拟规划、仿真优化，实现对工厂产品研发、制造生产和服务的优化和提升，是现代工业化与信息化融合的应用体现。随着产品需求的不断变化，产品周期的更新换代速度提升，以及3D打印、物联网、云计算、大数据等新兴信息技术的不断应用，为了缩短研发周期、降低生产成本、提升企业产品质量和效益，先进的制造类企业开始越来越重视数字化工厂的建设。如上汽、海尔、华为、西门子等制造企业均已着手开始建设自己的数字化工厂，以支撑企业实现新的突破和发展。

作为信息化和工业化融合应用的最佳结合点，研究数字化工厂如何建设，探讨虚拟设计与物理设备之间怎样实现无缝衔接，对驱动信息化和工业化的深度融合发展，以及未来智能工厂发展具有十分重要的意义。

数字化工厂具有广义和狭义的概念，其涉及的内容也随着分析的角度不同而有所区别。本文数字化工厂结合国内离散型制造企业的实际情况(如兵器、航天等领域的部分制造企业)，是以广义数字化工厂中核心制造企业为主，在满足自身生产和管理任务的同时，需要具备产品研发能力和售后服务保障能力。因此本文中的“数字化工厂”不仅仅是生产的概念，它是向前延伸到设计，向后推移到服务，同时涵盖企业管理，包括产品研发设计过程、生产制造过程、企业管理过程、服务保障过程等产品全生命周期整个过程。

2 数字化工厂的优势

数字化工厂利用其工厂布局、工艺规划和仿真优化等功能手段，改变了传统工业生产的理念，给现代化工业带来了新的技术革命，其优势作用较为明显。

(1)预规划和灵活性生产：利用数字化工厂技术，整个企业在设计之初就可以对工厂布局、产品生产水平与能力等进行预规划，帮助企业进行评估与检验。同时，数字化工厂技术的应用使得工厂设计不再是各部门单一地流水作业，各部门成为一个紧密联系的有机整体，有助于工厂建设过程中的灵活协调与并行处理。此外，在工厂生产过程中能够最大程度地关联产业链上的各节点，增强生产、物流、管理过程中的灵活性和自动化水平。

(2)缩短产品上市时间，提高产品竞争力：数字化工厂能够根据市场需求的变化，快速、方便地对新产品进行虚拟化仿真设计，加快了新产品设计成形的进度。同时，通过对新产品的生产工艺，生产过程进行模拟仿真与优化，保证了新产品生产过程的顺利性与产品质量的可靠性!加快了产品的上市时间，在企业间的竞争中占得先机。

(3)节约资源、降低成本、提高资金效益：通过数字化工厂技术方便地进行产品的虚拟设计与验证，最大程度地降低了物理原型的生产与更改，从而有效地减少资源浪费、降低产品开发成本。同时，充分利用现有的数据资料（客户需求、生产原料、设备状况等）进行生产仿真与预测，对生产过程进行预先判断与决策，从而提高生产收益与资金使用效益。

(4)提升产品质量水平：利用数字化工厂技术，能够对产品设计、产品原料、生产

过程等进行严格把关与统筹安排，降低设计与生产制造之间的不确定性，从而提高产品数据的统一性，方便地进行质量规划，提升质量水平。

3 数字化工厂的关键技术

3.1 数字化建模技术

通常研究的制造系统是非线性离散化系统，需要建立产品模型、资源模型制造设备、材料、能源、工夹具、生产人员和制造环境等、工艺模型工艺规则、制造路线等以及生产管理模型系统的限制和约束关系。数字化工厂是建立在模型基础上的优化仿真系统，所以数字化建模技术是数字化工厂的基础。

3.2 虚拟现实技术

文本信息很难满足制造业的需求，随着三维造型技术发展，三维实体造型技术已得到普遍的应用。具有沉浸性的虚拟现实技术，使用户能身临其境地感受产品的设计过程和制造过程，使仿真的旁观者成为虚拟环境的组成部分。

3.3 优化仿真技术

仿真优化是数字化工厂的价值核心，根据建立的数字化模型和仿真系统给出的仿真结果及各种预测数据，分析数字化工厂中可能出现的各种问题和潜在的优化方案，进而优化产品设计和生产过程。在数字化工厂制造过程中，仿真技术应用主要包括：面向产品设计的仿真，包括产品的静态和动态性能；面向制造过程的仿真，包括加工过程仿真；装配过程仿真和检测过程仿真等；面向企业其他环节的仿真，包括制造管理过程仿真；以及工厂/车间布局、生产线布局仿真等。

3.4 应用生产技术

数字化工厂通过建模仿真提供一整套较为完善的产品设计、工艺开发与生产流程，但是作为生产自动化的需要，数字化工厂系统要求能够提供各种可以直接应用于实际生产的设备控制程序以及各种是生产需要的工序、报表文件等。各种友好、优良的应用接口，能够加快数字化设计向实际生产应用的转化进程。

4 结束语

总而言之，数字化工厂建设是一个综合性、系统性工程，波及整个企业及其供应链生态系统。数字化工厂建设所要实现的互联互通、系统集成、数据信息融合和产品全生命周期集成将方方面面的人、设备、产品、环境要素联系起来，数字、数据、信息无处不在，决策和行动分布到企业各级员工。因此建设数字化工厂，除了面临技术挑战之外，更多面临组织、文化、流程和人力资源等管理挑战，特别需要企业自身加强复合型信息化人才的培养。

来源：《名城绘》 2020年第11期