制造业的未来:数字化技术与智慧工厂的潜力

2019-07-11 10:53

  今天,我们通常所说的产品生命周期管理(简称PLM)其实是多年产品设计数字化技术进步的结果。最初的时候,简单的二维图纸只是对基础的工程图的模仿。这个发展进一步发展到三维线框模型,反过来又促进了带有表面多个几何特征和参数模型的三维实体模型的发展。通过这种方式,计算机辅助设计(CAD)技术不断发展。

  数字化产品设计的另一个里程碑则是为复杂产品,如汽车、飞机及其他复杂装配等建立起一个完整的数字模型。这才是在产品制造出来之前,通过建立虚拟产品来验证实物概念真正的开始。与此同时,所有的设计或制造信息对单一存储库的需求就成了今天的产品数据管理系统。这些以产品概念为开始并通过设计和制造取得发展的一整套生命周期领域形成了PLM的基础。目前,PLM技术和应用扩展到了生产系统、工厂车间操作、供应链及服务和维护。

数字化制造技术

  了不起的数字化工厂

  数字化工厂贯穿整个工艺设计、规划、验证、直至车间生产工艺整个制造过程,在实施过程需要注意系统集成方面的问题,数字化工厂不是一个独立的系统,规划时,需要与设计部门的CAD/PDM系统进行数据交换,并对设计产品进行可制造性验证(工艺评审),同时,所有规划还需要考虑工厂资源情况。所以,数字化工厂与设计系统CAD/PDM和企业资源管理系统ERP的集成是必须的。同时,数字化工厂还有必要把企业已有的规划知识(如工时卡、焊接规范等)集成起来,整个集成的底部是PLM构架。

  过去的工厂是根据研发出来的产品设计方案来决定生产流程,并按序生产,一旦产品发生变化,工厂里的一切都需要改变。数字化工厂的模块化设计改善了这种情况,你只需要随时调出设计图,修改或虚拟某一个工艺段,就可以在不影响其他工艺段的情况下完成改变,甚至可以不花一分钱虚拟出整个生产流程,并看到其中可能存在的问题。

  目前,大多数开始实施数字化工厂的企业都是对时间和快速变化要求很高的行业,如汽车、航空航天、电子、机械/模具设计、消费品等等。世界上很多工业强国已经开始采用了数字化工厂的解决方案:美国国家航空航天局采用数字化工厂来仿真、分析太空船中的仪器在卫星飞行过程中环境的变化;波音公司采用数字化工厂大幅度降低飞机成本、缩短设计与制造时间、减少产品缺陷;海尔集团采用数字化工厂可以实现500种洗衣机的按单生产;康佳集团通过数字化工厂,减少了90%的手工操作错误,透明的研发过程节约了30%的产品研发费用。

  数字化工厂技术与系统作为新型的制造系统,为制造商及其供应商提供了一个制造工艺信息平台,使企业能够对整个制造过程进行设计规划,模拟仿真和管理,并将制造信息及时地与相关部门、供应商共享,从而实现虚拟制造和并行工程,保障生产的顺利进行。在汽车行业,数字化工厂更是发挥着重要的作用。从产品设计到制造开始的工作转换是汽车开发过程中最关键的步骤之一,数字化工厂规划系统可以通过详细的规划设计和验证预见所有的制造任务,在提高质量的同时减少设计时间,从而加速汽车开发周期;并且还可以消除浪费,减少为了完成某项任务所需的资源数量等。此外,数字化工厂规划系统通过统一的数据平台,实现主机厂内部、生产线供应商、工装夹具供应商等的并行工程。

先进制造技术

  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。通过数字化工厂的建立,信息可以全部覆盖,各方面的信息都能控制,使得各个环节都处于最优状态,以此来保证企业的核心竞争能力。

  自工业革命以来,工业化的齿轮运转的越来越来快,数字化工厂的实现无疑给这个大齿轮加上了更多的润滑油。它不仅带来了技术上的改变,而且生产中的高度透明化、自动化还将带来众多管理和观念上的改变。我们非常期待着数字化工厂、数字化生活、数字化城市的未来。

  先进的虚拟制造技术

  虚拟制造是一种新的制造技术,它以信息技术、仿真技术和虚拟现实技术为支持。虚拟制造技术涉及面很广,诸如环境构成技术、过程特征抽取、元模型、集成基础结构的体系结构、制造特征数据集成、多学科交驻功能、决策支持工具、接口技术、虚拟现实技术、建模与仿真技术等。其中后3项是虚拟制造的核心技术。

  由于国内外市场竞争日益加剧,科学技术发展迅速,产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加,使得机械制造业向多品种小批量生产方式发展。因此,缩短产品开发周期成为决定制造业竞争力的首要因素。而虚拟制造技术被认为是加速新产品开发的有效手段,它能很好地解决制造业的TQCS难题,虚拟制造技术对制造业将是一次新的革命,它的广泛应用意义是深远的。

  虚拟制造在工业发达国家,如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域,美国处于国际研究的前沿。福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经大量应用虚拟制造技术,大大缩短了产品的发布时间;波音公司设计的777型大型客机是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机,它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

  虚拟制造(VM)作为一种哲理、一种制造策略为制造业的发展指明了方向。它可以全面改进企业的组织管理工作,提高企业整体运作及全面最优决策的效能和市场竞争力。实施虚拟制造可以打破传统的地域、时域的限制,通过Internet实现资源共享,变分散为集中,可实现异地设计、异地制造,从而使产品开发能以快速、优质、低耗响应市场变化。通过分析设计的可制造性,利用有效的工具和加工方法来支持生产,可以大大提高产品的质量和稳定性。企业不再需要投入大量的设备和仪器,从而避免了不必要的设备闲置,可充分利用其他企业的先进设备和仪器进行生产,能很好地解决一些中小企业资金短缺的难题。

虚拟制造技术

  但在实施虚拟制造技术过程中,虽然国家对制造业十分重视,但由于我国当前正处于体制改革过程中,多种机制并行,在资金使用时较难协调,国家也难以投入重金支持虚拟制造技术研究。应用人才短缺,企业的整体认识不统一,就是现有的科研成果都难以推广应用,因此实现企业信息化制造任重而道远,但这些并不能阻挡它的向前发展。

  虚拟制造技术是信息化制造的重要技术之一,实现虚拟制造需要强有力的技术支撑,虚拟制造技术的应用应结合我国制造业自身的特点,在吸收国外成熟经验的基础上大胆创新,形成特色发展。可以预言,随着我国对虚拟制造技术研究的深入,其广泛的应用已为期不远,终将成为一个现代化信息化制造企业的必由之路。

  智慧制造潜力巨大

  智能工厂是现代工厂信息化发展的新阶段。是在数字化工厂的基础上,利用物联网的技术和设备监控技术加强信息管理和服务;清楚掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、即时正确地采集生产线数据,以及合理的生产计画编排与生产进度。并加上绿色智能的手段和智能系统等新兴技术于一体,构建一个高效节能的、绿色环保的、环境舒适的人性化工厂。是IBM智慧地球理念在制造业的实际应用的结果。

  在当前制造工程领域,全球竞争越来越激烈,人们被繁杂的工作所负累,严重影响了他们的创新能力和生活品质,我国也不例外。也许,来自德国的智能工厂能解决这一难题。

  在日前由中国工程院与国务院国资委举办的学术报告会上,德国西门子工业集团总裁鲁斯沃博士介绍,智能工厂将是构成未来工业体系的一个关键特征。在智能工厂里,人、机器和资源如同在一个社交网络里自然地相互沟通协作;生产出来的智能产品能够理解自己被制造的细节以及将如何使用,能够回答哪组参数被用来处理我、我应该被传送到哪里等问题。

机器人自动化生产

  在工业自动化领域,随着应用和服务向云端运算转移,资料和运算位置的主要模式都已经被改变了,由此也给嵌入式设备领域带来颠覆性变革。如随着嵌入式产品和许多工业自动化领域的典型IT元件,如制造执行系统(manufacturingexecutionsystems;MES)以及生产计划系统(productionplanningsystems;PPS)的智慧化,以及连线程度日渐提高,云端运算将可提供更完整的系统和服务,生产设备将不再是过去单一而独立的个体。但将孤立的嵌入式设备接入工厂制造流程,甚至是云端,其实具有高度的颠覆性,必定会对工厂制造流程产生重大的影响。一旦完成连线,一切的制造规则都可能会改变。

  包括体系结构、控制方法以及人机协作方法等,都会因为控制系统网路化,而产生变化,如控制与通信的耦合、时间延迟、资讯调度方法、分散式控制方式与故障诊断等,都使得自动控制理论在网路环境下的控制方法和演算法,都需要不断地创新。

  此外,由于影像、语音信号等大资料量、高速率传输对网路频宽的要求,对控制系统网路化,更构成严厉的挑战。因为工业生产流程不容许一点点差错,网路传递的封包资讯不能有一点点漏失,而且网路上传递的资讯非常多样化,哪些资料应该先传(如设备故障讯息),哪些资料可以晚点传(如电子邮件),都要靠控制系统的智慧能力,进行适当的判断才能得以实现。

  工业通信无线化工业通信无线化也是当前智慧工厂探讨比较热烈的问题。根据专家分析,到2014年,全球工厂自动化中的无线通讯系统应用,将每年增加约40%。随着无线技术日益普及,各家供应商正在提供一系列软硬体技术,协助在产品中增加通信功能。这些技术支援的通信标准包括蓝牙、Wi-Fi、GPS、LTE以及WiMax。

  然而,在增加无线连网功能时,晶片及相关软体的选择极具挑战性,包括优化性能、功耗、成本和规模,都必须加以考虑,更重要的是,由于工厂需求不像消费市场一样的标准化,必须因应生产需求,有更多弹性的选择,最热门的技术未必是最好的通信标准和客户需要的技术。

  工厂的未来

  随着国内外经济环境的变化,当前的中国制造业面临着前所未有的挑战。为适应市场竞争的加剧,近年来,中国制造业正在经历着重要的转变,企业的大批量生产向按市场或客户要求柔性生产转变,设计和控制系统各自独立向设计和控制系统集成一体转变,可以预见的是这些转变将推动自动化技术的发展及应用进入新的发展阶段。

  智能化是未来制造业的发展方向,智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上,通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术,实现设计过程、制造过程和制造装备智能化,是信息技术和智能技术与装备制造过程技术的深度融合与集成。专家系统技术可以用于工程设计,工艺过程设计,生产调度,故障诊断等。也可以将神经网络和模糊控制技术等先进的计算机智能方法应用于产品配方,生产调度等,实现制造过程智能化。

先进制造技术

  数字仿真可使机械人系统于规划阶段了解系统的效益,数字工厂则是计算机辅助规划领域另一个代名词,2002年起亚洲区的日本、韩国、台湾便开始积极导入此技术应用于自动化系统的整合,而数字工厂可于于计算机中确认机械人的动作、夹治具干涉、设备连动、安全关系等等,使系统达精益阶段才进行投资,而数字工厂这样的创新技术除了可以应用于新机械人系统外,也可用于运转中的机械人系统,而其概念则为整合自动化、精益工程、数字工厂三大领域,使自动化系统发挥最大的效率。

  未来工厂在制造环节的人力投入将越来越少,无人工厂里安装有各种能够自动调换的加工工具。从加工部件到装配以至最后一道成品检查,都可在无人的情况下自动完成。这个成功必将进一步加快整个制造业的工厂自动化进程。无人工厂能把人完全解放出来,而且能使生产率提高一二十倍。无人工厂是未来制造业工厂的一种发展方向。

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