数字化工厂的应用现状与前景展望

田建忠

[摘 要] 为了促进我国工业化与信息化的高度融合，推进我国工业化发展的进程，加快传统工业的转型升级，建立数字化工厂系统并进行深入研究与探索，将有助于促进我国整体制造水平智能化的全面提升，为实现由“中国制造”向“中国创新”迈进的战略发展要求，奠定坚实的基础。

[关键词] 数字化工厂；应用现状；前景展望

[中图分类号] TQ162 [文献标识码] A [文章编号] 1671-0037（2017）5-35-3

Abstract： In order to promote a high-degree integration of industrialization and Informatization in China and promote the development of China's industrialization process， and speed up the transformation and upgrading of traditional industries， establishing digital factory system and conducting in-depth study and exploration， will help promote the overall level of intelligent manufacturing in our country， and lay a solid foundation for the realization of strategic development need， from "made in China" to "China innovation"，.

Key words： digital factory； application status； prospect

数字化工厂融合了计算机仿真技术、大数据传输应用、可视化集中联控等先进技术，使企业超越了传统的加工制造模式，为产品全生命周期可视化、集成化、智能化管控提供了。数字化工厂的出现，顺应了时代发展的潮流，也为我国加工制造业技术的转型升级创造了极为有利的条件。

1 数字化工厂的概念

数字化工厂是以产品制造过程中的相关数据为依据，根据虚拟制造原理，在计算机仿真技术的支撑下，对整个生产制造过程包括设计、制造、装配、质量控制、产品检测等各个阶段进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到产品全生命周期的新型组织型式，是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物[1]。数字化工厂为产品设计和生产制造之间搭建了便捷的桥梁与扭带，为降低产品从设计到制造过程之间的不确定性，大幅度地压缩生产制造过程，提高系统的成功率和可靠性，满足节能高效、优质创新的要求提供了有力的保障。数字化工厂方案所包含的内容见图1所示。

近几年来，国内加工制造业在计算机辅助设计CAD应用方面已得到大面积普及，在生产制造阶段也普遍采用了CAM计算机辅助加工技术，有些企业还引入了CAE计算机辅助工程分析技术，对产品进行有限元特性分析，

降低了产品设计和制造的风险，但在解决集成管控与联机组成方面，还远远未能达到普及的程度。数字化工厂作为智能化的管理与制造模式，为企业搭建了工艺制造快速响应的平台，能够对加工制造过程进行有效的设计筹划、动态仿真和综合管控，并将过程控制的信息及时反馈给系统内的管理人员进行资源共享，使设计部门对制造过程的不确定性进一步降低，实现各部门之间的协同配合与并行作业，因此我们说数字化工厂是实现智能化制造的必由之路。

2 数字化工厂的应用特点

数字化工厂集成了产品的模型数据库，有效地解决了制造业生产流程中的程序传输和现场管理问题，大大压缩了生产准备时间、提高了设备的有效利用率，通过先进的可视化仿真技术和图文档管理模式，对提高产品动态特性管理、缩短产品投放市场周期起到了至关重要的作用[2]。具体来讲，数字化工厂大致有以下几个特点：

第一，根据生产部门的不同需求，搭建多样化的网络管理系统，消除不同生产部门普通设备与数控设备相互之间信息传递的断裂，彻底扭转过去所有设备的单机通讯联络模式，全面实现设备成组的集中管理与有效控制。

第二，按照生产流程对NC程序进行规范化管理，通过对程序传输和用户权限进行有效管控，实现产品质量的可追溯性以及全生命周期的跟踪服务。

第三，數据集中存放于终端服务器，任何客户端查询和调用的数据均来源于系统终端的数据服务器，如果数据服务器中的程序进行更新，客户查询和调用所得到的信息也将随之改变，并与之始终保持同步。

第四，系统根据生产任务和作业计划，对设备进行能力平衡计算，可减少数控设备的准备时间，最大限度地提高数控设备的有效利用率，实现均衡生产。

第五，采用集中联控手段，可有效避免程序出错和各种误判动作，从管理层面和技术手段上使产品质量有了根本的保障，确保产品的合格率不断攀升，为实现节能降耗带来好处。

第六，由于实现了远程的数据传输和集中控制，操作者能够便捷地完成对程序的远程调用、远程比较和远程上传等工作，同时生成各种即时的数据报表和计划调度单，实现协同管理与并行作业，明显降低了作业人员的劳动强度，提高了工作效率。

第七，通过对NC程序进行集中传输和有效管控，使得生产现场不再需要大量的台式计算机和数据传输装置，取而代之的是整洁、美观的现场触摸屏等数显装置，生产现场显得更加整洁、有序，符合现代企业精细化生产管理的要求。

第八，车间生产现场的通讯数据与企业的信息化管理系统集成应用，实现节能、高效的资源共享，为企业实现扩能改造和创新活动预留数据接口，搭建一体化的数字化工厂网络管理平台。

数字化工厂的信息化需求见图2所示。

3 数字化工厂应用现状

从二十世纪末以来，一些发达国家率先采用了数字化工厂的解决方案，如美国的波音公司在波音777大型客机和F35隐形战机的研制过程中，利用数字化技术实现了飞机的“无纸化”设计和生产，产品研制过程中，采用数字化模块式组合型式，通过集成控制的数据从上游向下游畅通传递，有效地减少了飞机在加工、组装、测试等方面的作业周期，对降低生产制造成本，缩短研制开发时间，起到了难以估量的作用。

在国内，数字化工厂技术的应用还处于起步阶段，目前仅在航空、航天、汽车、船舶以及机器人智能制造等领域得到应用，如国内航天事业的发展，由于采用了数字化设计、制造和管理的一览子方案，重点解决了产品加工、装配、检测等装备的数字化协同问题，实现了关键装备从设计、制造到装配一次成功，为我国航天事业的发展与进步起到了巨大的助推作用，重点项目取得了突破性进展。上述应用目前已推广至汽车、造船等其他领域，特别是国产航母在短短几年内就能很快建成下水试航，谱写了世界造船史上的新篇章，更是突显了网络化、数字化、模块化应用管理平台所带来的卓越功能和丰硕成果。

4 数字化工厂的前景展望

工业制造数字化、网络化、智能化已是世界范围内新一轮科技革命的核心技术，作为承载智能制造的数字化工厂，则是国家“两化融合”路略发展要求的重要应用体现，更是实现智能化工厂的必由之路，它的出现给基础制造业注入了新的活力[3]。可以预见，未来几年数字化工厂将主要朝着以下几个方向发展：

第一，企业通过局域网实现由传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，达到模块化、集成化、数字化的综合协同管理，搭建Internet虚拟结构模式，实现跨区域的资源共享。

第二，通过各种加工制造先进技术的融合，将实现CAD/CAPP/CAM/CAE各功能软件技术的一体化，使产品制造的现场管理向无纸化的互联网辅助制造方向发展。

第三，数字化工厂的系统将实现智能化的快速响应执行能力，系统更具自主决策能力，能够采集与理解外部的信息资讯，并加以智能化的分析判断，规划出自身的优化结构型式。

第四，数字化工厂系统的协调、重组及扩充能力将进一步提高，依据工作任务，系统可自行组成最佳的结构型式。

第五，结合讯号处理、预测、仿真及多媒体技术，将实现从设计到制造过程的可视化实境展示。

第六，數字化工厂系统将根据设备的使用情况自动执行故障诊断，故障排除、设备维护、异常情况通报的执行能力。

第七，利用互联网+技术催生的各种实用新型应用技术，必将促使加工制造企业向构建一个节能高效、环保绿色、舒适宜人的人性化工厂迈进，最终实现智慧化工厂的目标。

数字化工厂作为一项系统工程，消除了设计、制造、生产各环节的信息孤岛，保证了各种产品数据的完整性和一致性，形成一体化的数字化管理模式，建立起稳定可靠的数据传输、采集监测、制造过程管理等功能的信息化管理平台，从而实现数字化工厂的先进制造模式，这一模式也必将成为未来数控加工技术的主流发展方向。可以预见，未来的数字化工厂将向着更高集成化、更高智能化、更高可靠性方向发展，数字化工厂的建立与逐步普及也必将彰显出科技引领未来的时代发展趋势。

5 结语

随着人工智能和大数据技术的不断发展和应用，融合多学科技术的数字化工厂建设也已成为加工制造企业转型升级的主流方向，同时利用国外先进技术优势来提升我国企业的生产制造能力和核心竞争力，也必将促进我国数字化工厂技术的研究和应用向更高水平大步迈进。

参考文献：

[1] 刘志.关于数字化工厂建设的探索与实践[J].科学与财富，2014（4）：132.

[2] 展如.数字化工厂：工业新革命[N].经济观报.2010-10-30（048）.

[3] 李明贵，徐成威.反映现代工业发展趋势的先进制造技术[J].机电工程技术，2014（3）：14-15.