今天，我們通常所說的“產(chǎn)品生命周期管理”（簡(jiǎn)稱PLM）其實(shí)是多年產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。最初的時(shí)候，簡(jiǎn)單的二維圖紙只是對(duì)基礎(chǔ)的工程圖的模仿。這個(gè)發(fā)展進(jìn)一步發(fā)展到三維線框模型，反過來又促進(jìn)了帶有表面多個(gè)幾何特征和參數(shù)模型的三維實(shí)體模型的發(fā)展。通過這種方式，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)不斷發(fā)展。
數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的另一個(gè)里程碑則是為復(fù)雜產(chǎn)品，如汽車、飛機(jī)及其他復(fù)雜裝配等建立起一個(gè)完整的數(shù)字模型。這才是在產(chǎn)品制造出來之前，通過建立虛擬產(chǎn)品來驗(yàn)證實(shí)物概念真正的開始。與此同時(shí)，所有的設(shè)計(jì)或制造信息對(duì)單一存儲(chǔ)庫(kù)的需求就成了今天的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。這些以產(chǎn)品概念為開始并通過設(shè)計(jì)和制造取得發(fā)展的一整套生命周期領(lǐng)域形成了PLM的基礎(chǔ)。目前，PLM技術(shù)和應(yīng)用擴(kuò)展到了生產(chǎn)系統(tǒng)、工廠車間操作、供應(yīng)鏈及服務(wù)和維護(hù)。
了不起的“數(shù)字化工廠”
“數(shù)字化工廠”貫穿整個(gè)工藝設(shè)計(jì)、規(guī)劃、驗(yàn)證、直至車間生產(chǎn)工藝整個(gè)制造過程，在實(shí)施過程需要注意系統(tǒng)集成方面的問題，“數(shù)字化工廠”不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，規(guī)劃時(shí)，需要與設(shè)計(jì)部門的CAD/PDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行可制造性驗(yàn)證（工藝評(píng)審），同時(shí)，所有規(guī)劃還需要考慮工廠資源情況。所以，“數(shù)字化工廠”與設(shè)計(jì)系統(tǒng)CAD/PDM和企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP的集成是必須的。同時(shí)，“數(shù)字化工廠”還有必要把企業(yè)已有的規(guī)劃“知識(shí)”（如工時(shí)卡、焊接規(guī)范等）集成起來，整個(gè)集成的底部是PLM構(gòu)架。
過去的工廠是根據(jù)研發(fā)出來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案來決定生產(chǎn)流程，并按序生產(chǎn)，一旦產(chǎn)品發(fā)生變化，工廠里的一切都需要改變。數(shù)字化工廠的模塊化設(shè)計(jì)改善了這種情況，你只需要隨時(shí)調(diào)出設(shè)計(jì)圖，修改或虛擬某一個(gè)工藝段，就可以在不影響其他工藝段的情況下完成改變，甚至可以不花一分錢虛擬出整個(gè)生產(chǎn)流程，并看到其中可能存在的問題。
目前，大多數(shù)開始實(shí)施數(shù)字化工廠的企業(yè)都是對(duì)時(shí)間和快速變化要求很高的行業(yè)，如汽車、航空航天、電子、機(jī)械/模具設(shè)計(jì)、消費(fèi)品等等。世界上很多工業(yè)強(qiáng)國(guó)已經(jīng)開始采用了數(shù)字化工廠的解決方案：美國(guó)國(guó)家航空航天局采用數(shù)字化工廠來仿真、分析太空船中的儀器在衛(wèi)星飛行過程中環(huán)境的變化；波音公司采用數(shù)字化工廠大幅度降低飛機(jī)成本、縮短設(shè)計(jì)與制造時(shí)間、減少產(chǎn)品缺陷；海爾集團(tuán)采用數(shù)字化工廠可以實(shí)現(xiàn)500種洗衣機(jī)的“按單生產(chǎn)”；康佳集團(tuán)通過數(shù)字化工廠，減少了90%的手工操作錯(cuò)誤，透明的研發(fā)過程節(jié)約了30%的產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用。
“數(shù)字化工廠”技術(shù)與系統(tǒng)作為新型的制造系統(tǒng)，為制造商及其供應(yīng)商提供了一個(gè)制造工藝信息平臺(tái)，使企業(yè)能夠?qū)φ麄�(gè)制造過程進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，模擬仿真和管理，并將制造信息及時(shí)地與相關(guān)部門、供應(yīng)商共享，從而實(shí)現(xiàn)虛擬制造和并行工程，保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行。在汽車行業(yè)，數(shù)字化工廠更是發(fā)揮著重要的作用。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造開始的工作轉(zhuǎn)換是汽車開發(fā)過程中最關(guān)鍵的步驟之一，“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)可以通過詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和驗(yàn)證預(yù)見所有的制造任務(wù)，在提高質(zhì)量的同時(shí)減少設(shè)計(jì)時(shí)間，從而加速汽車開發(fā)周期；并且還可以消除浪費(fèi)，減少為了完成某項(xiàng)任務(wù)所需的資源數(shù)量等。此外，“數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)廠內(nèi)部、生產(chǎn)線供應(yīng)商、工裝夾具供應(yīng)商等的并行工程。
數(shù)字化工廠利用其工廠布局、工藝規(guī)劃和仿真優(yōu)化等功能手段，改變了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的理念，給現(xiàn)代化工業(yè)帶來了新的技術(shù)革命，其優(yōu)勢(shì)作用較為明顯。通過數(shù)字化工廠的建立，信息可以全部覆蓋，各方面的信息都能控制，使得各個(gè)環(huán)節(jié)都處于最優(yōu)狀態(tài)，以此來保證企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)能力。
自工業(yè)革命以來，工業(yè)化的齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的越來越來快，數(shù)字化工廠的實(shí)現(xiàn)無疑給這個(gè)大齒輪加上了更多的潤(rùn)滑油。它不僅帶來了技術(shù)上的改變，而且生產(chǎn)中的高度透明化、自動(dòng)化還將帶來眾多管理和觀念上的改變。我們非常期待著數(shù)字化工廠、數(shù)字化生活、數(shù)字化城市的未來。
先進(jìn)的“虛擬制造”技術(shù)
虛擬制造是一種新的制造技術(shù)，它以信息技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支持。虛擬制造技術(shù)涉及面很廣，諸如環(huán)境構(gòu)成技術(shù)、過程特征抽取、元模型、集成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)、制造特征數(shù)據(jù)集成、多學(xué)科交駐功能、決策支持工具、接口技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模與仿真技術(shù)等。其中后3項(xiàng)是虛擬制造的核心技術(shù)。
由于國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益加劇，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快及人們對(duì)產(chǎn)品多樣化的需求增加，使得機(jī)械制造業(yè)向多品種小批量生產(chǎn)方式發(fā)展。因此，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期成為決定制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的首要因素。而虛擬制造技術(shù)被認(rèn)為是加速新產(chǎn)品開發(fā)的有效手段，它能很好地解決制造業(yè)的TQCS難題，虛擬制造技術(shù)對(duì)制造業(yè)將是一次新的革命，它的廣泛應(yīng)用意義是深遠(yuǎn)的。
虛擬制造在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到了不同程度的研究和應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，美國(guó)處于國(guó)際研究的前沿。福特汽車公司和克萊斯勒汽車公司在新型汽車的開發(fā)中已經(jīng)大量應(yīng)用虛擬制造技術(shù)，大大縮短了產(chǎn)品的發(fā)布時(shí)間；波音公司設(shè)計(jì)的777型大型客機(jī)是世界上首架以三維無紙化方式設(shè)計(jì)出的飛機(jī)，它的設(shè)計(jì)成功已經(jīng)成為虛擬制造從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱没囊粋�(gè)里程碑。
虛擬制造(VM)作為一種哲理、一種制造策略為制造業(yè)的發(fā)展指明了方向。它可以全面改進(jìn)企業(yè)的組織管理工作，提高企業(yè)整體運(yùn)作及全面最優(yōu)決策的效能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)施虛擬制造可以打破傳統(tǒng)的地域、時(shí)域的限制，通過Internet實(shí)現(xiàn)資源共享，變分散為集中，可實(shí)現(xiàn)異地設(shè)計(jì)、異地制造，從而使產(chǎn)品開發(fā)能以快速、優(yōu)質(zhì)、低耗響應(yīng)市場(chǎng)變化。通過分析設(shè)計(jì)的可制造性，利用有效的工具和加工方法來支持生產(chǎn)，可以大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。企業(yè)不再需要投入大量的設(shè)備和儀器，從而避免了不必要的設(shè)備閑置，可充分利用其他企業(yè)的先進(jìn)設(shè)備和儀器進(jìn)行生產(chǎn)，能很好地解決一些中小企業(yè)資金短缺的難題。
但在實(shí)施虛擬制造技術(shù)過程中，雖然國(guó)家對(duì)制造業(yè)十分重視，但由于我國(guó)當(dāng)前正處于體制改革過程中，多種機(jī)制并行，在資金使用時(shí)較難協(xié)調(diào)，國(guó)家也難以投入重金支持虛擬制造技術(shù)研究。應(yīng)用人才短缺，企業(yè)的整體認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，就是現(xiàn)有的科研成果都難以推廣應(yīng)用，因此實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化制造任重而道遠(yuǎn)，但這些并不能阻擋它的向前發(fā)展。
虛擬制造技術(shù)是信息化制造的重要技術(shù)之一，實(shí)現(xiàn)虛擬制造需要強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)結(jié)合我國(guó)制造業(yè)自身的特點(diǎn)，在吸收國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，形成特色發(fā)展。可以預(yù)言，隨著我國(guó)對(duì)虛擬制造技術(shù)研究的深入，其廣泛的應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)，終將成為一個(gè)現(xiàn)代化信息化制造企業(yè)的必由之路。
“智慧制造”潛力巨大
智能工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段。是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)；清楚掌握產(chǎn)銷流程、提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)、即時(shí)正確地采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)計(jì)畫編排與生產(chǎn)進(jìn)度。并加上綠色智能的手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建一個(gè)高效節(jié)能的、綠色環(huán)保的、環(huán)境舒適的人性化工廠。是IBM“智慧地球”理念在制造業(yè)的實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果。
在當(dāng)前制造工程領(lǐng)域，全球競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，人們被繁雜的工作所負(fù)累，嚴(yán)重影響了他們的創(chuàng)新能力和生活品質(zhì)，我國(guó)也不例外。也許，來自德國(guó)的智能工廠能解決這一難題。
在日前由中國(guó)工程院與國(guó)務(wù)院國(guó)資委舉辦的學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，德國(guó)西門子工業(yè)集團(tuán)總裁魯斯沃博士介紹，智能工廠將是構(gòu)成未來工業(yè)體系的一個(gè)關(guān)鍵特征。在智能工廠里，人、機(jī)器和資源如同在一個(gè)社交網(wǎng)絡(luò)里自然地相互溝通協(xié)作；生產(chǎn)出來的智能產(chǎn)品能夠理解自己被制造的細(xì)節(jié)以及將如何使用，能夠回答“哪組參數(shù)被用來處理我”、“我應(yīng)該被傳送到哪里”等問題。
在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著應(yīng)用和服務(wù)向云端運(yùn)算轉(zhuǎn)移，資料和運(yùn)算位置的主要模式都已經(jīng)被改變了，由此也給嵌入式設(shè)備領(lǐng)域帶來顛覆性變革。如隨著嵌入式產(chǎn)品和許多工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的典型IT元件，如制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturingexecutionsystems；MES)以及生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)(productionplanningsystems；PPS)的智慧化，以及連線程度日漸提高，云端運(yùn)算將可提供更完整的系統(tǒng)和服務(wù)，生產(chǎn)設(shè)備將不再是過去單一而獨(dú)立的個(gè)體。但將孤立的嵌入式設(shè)備接入工廠制造流程，甚至是云端，其實(shí)具有高度的顛覆性，必定會(huì)對(duì)工廠制造流程產(chǎn)生重大的影響。一旦完成連線，一切的制造規(guī)則都可能會(huì)改變。
包括體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機(jī)協(xié)作方法等，都會(huì)因?yàn)?span id="1dhjj99b3" class="hrefStyle">控制系統(tǒng)網(wǎng)路化，而產(chǎn)生變化，如控制與通信的耦合、時(shí)間延遲、資訊調(diào)度方法、分散式控制方式與故障診斷等，都使得自動(dòng)控制理論在網(wǎng)路環(huán)境下的控制方法和演算法，都需要不斷地創(chuàng)新。
此外，由于影像、語音信號(hào)等大資料量、高速率傳輸對(duì)網(wǎng)路頻寬的要求，對(duì)控制系統(tǒng)網(wǎng)路化，更構(gòu)成嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)。因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)流程不容許一點(diǎn)點(diǎn)差錯(cuò)，網(wǎng)路傳遞的封包資訊不能有一點(diǎn)點(diǎn)漏失，而且網(wǎng)路上傳遞的資訊非常多樣化，哪些資料應(yīng)該先傳(如設(shè)備故障訊息)，哪些資料可以晚點(diǎn)傳(如電子郵件)，都要靠控制系統(tǒng)的智慧能力，進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐袛嗖拍艿靡詫?shí)現(xiàn)。
工業(yè)通信無線化工業(yè)通信無線化也是當(dāng)前智慧工廠探討比較熱烈的問題。根據(jù)專家分析，到2014年，全球工廠自動(dòng)化中的無線通訊系統(tǒng)應(yīng)用，將每年增加約40%。隨著無線技術(shù)日益普及，各家供應(yīng)商正在提供一系列軟硬體技術(shù)，協(xié)助在產(chǎn)品中增加通信功能。這些技術(shù)支援的通信標(biāo)準(zhǔn)包括藍(lán)牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax。
然而，在增加無線連網(wǎng)功能時(shí)，晶片及相關(guān)軟體的選擇極具挑戰(zhàn)性，包括優(yōu)化性能、功耗、成本和規(guī)模，都必須加以考慮，更重要的是，由于工廠需求不像消費(fèi)市場(chǎng)一樣的標(biāo)準(zhǔn)化，必須因應(yīng)生產(chǎn)需求，有更多彈性的選擇，最熱門的技術(shù)未必是最好的通信標(biāo)準(zhǔn)和客戶需要的技術(shù)。
工廠的未來
隨著國(guó)內(nèi)外經(jīng)濟(jì)環(huán)境的變化，當(dāng)前的中國(guó)制造業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，近年來，中國(guó)制造業(yè)正在經(jīng)歷著重要的轉(zhuǎn)變，企業(yè)的大批量生產(chǎn)向按市場(chǎng)或客戶要求柔性生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)各自獨(dú)立向設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)集成一體轉(zhuǎn)變，可以預(yù)見的是這些轉(zhuǎn)變將推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)入新的發(fā)展階段。
智能化是未來制造業(yè)的發(fā)展方向,智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過智能化的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程、制造過程和制造裝備智能化，是信息技術(shù)和智能技術(shù)與裝備制造過程技術(shù)的深度融合與集成。專家系統(tǒng)技術(shù)可以用于工程設(shè)計(jì)，工藝過程設(shè)計(jì)，生產(chǎn)調(diào)度，故障診斷等。也可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)智能方法應(yīng)用于產(chǎn)品配方，生產(chǎn)調(diào)度等，實(shí)現(xiàn)制造過程智能化。
數(shù)字仿真可使機(jī)械人系統(tǒng)于規(guī)劃階段了解系統(tǒng)的效益，“數(shù)字工廠”則是計(jì)算機(jī)輔助規(guī)劃領(lǐng)域另一個(gè)代名詞，2002年起亞洲區(qū)的日本、韓國(guó)、臺(tái)灣便開始積極導(dǎo)入此技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)的整合，而“數(shù)字工廠”可于于計(jì)算機(jī)中確認(rèn)機(jī)械人的動(dòng)作、夾治具干涉、設(shè)備連動(dòng)、安全關(guān)系等等，使系統(tǒng)達(dá)精益階段才進(jìn)行投資，而“數(shù)字工廠”這樣的創(chuàng)新技術(shù)除了可以應(yīng)用于新機(jī)械人系統(tǒng)外，也可用于運(yùn)轉(zhuǎn)中的機(jī)械人系統(tǒng)，而其概念則為整合“自動(dòng)化”、“精益工程”、“數(shù)字工廠”三大領(lǐng)域，使自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)揮最大的效率。
未來工廠在制造環(huán)節(jié)的人力投入將越來越少，“無人工廠”里安裝有各種能夠自動(dòng)調(diào)換的加工工具。從加工部件到裝配以至最后一道成品檢查，都可在無人的情況下自動(dòng)完成。這個(gè)成功必將進(jìn)一步加快整個(gè)制造業(yè)的“工廠自動(dòng)化”進(jìn)程。無人工廠能把人完全解放出來，而且能使生產(chǎn)率提高一二十倍。無人工廠是未來制造業(yè)工廠的一種發(fā)展方向。 |
