数字化工厂技术在汽车发动机制造企业中的应用

黄大泛

摘要： 在当前的数字化工厂技术快速发展的过程中将其应用在发动机制造企业中，对提高企业的管理和发动机的生产效率有积极帮助。数字化工厂技术目前已经成为各大制造企业所使用的主流技术之一。以下本文将主要就数字化工厂在汽车发动机制造企业中的应用要点展开分析，以期为相关行业工作人员进一步了解数字化工厂的应用方法提供些许参考。

Abstract： In the current process of rapid development of digital factory technology， its application in engine manufacturing enterprises is of positive help to improve enterprise management and engine production efficiency. Digital factory technology has become one of the mainstream technologies used by major manufacturing enterprises. In the following， this paper will mainly analyze the application points of digital chemical plant in automobile engine manufacturing enterprises， in order to provide some reference for relevant industry staff to further understand the application methods of digital chemical plant.

关键词： 发动机;数字化制造;生产线技术

Key words： engine;digital manufacturing;production line technology

中图分类号：U463.99                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0173-03

0  引言

随着时代的发展，产品的更新换代速度以及设计效率也在不断的缩短，各个企业为了更好地适应市场发展需求，均在不断的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以及最低的成本来生产高质量的产品以求在经济市场中站稳脚跟。但即使如此，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，没有完全的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作用。而通过构建数字化工厂则不仅可以实现各项数据的利用共享，而且还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，进而为提升企业的核心竞争力。

1  数字化工厂技术概述

1.1 定义

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，为此，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来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，降低失误发生几率，实现整个生产的数字化、智能化。数字化工厂具有狭义与广义两种概念，在广义中，企业是工厂的核心部分，其中包括了核心企业与有紧密关系的成员，这是一个可以将信息数字化的动态组织。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，而且还包含了企业管理的数字化。通过数字化工厂的应用则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，进而提升产品质量、生产质量各项性能，总之，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。在狭义化中制造资源，生产操作和产品是工厂的核心内容，将数字化产品设计数据运用在制造系统的虚拟现实环境当中，对生产过程中进行计算机仿真与优化的虚拟制造方式。本文中提到的数字化工厂主要指狭义数字化工厂。数字化工厂出现对以往运用的设计理念产生了深远影响，它将工作经验和手工式设计规划转换为计算机辅助数字仿真与优化的精确可靠的规划设计，这种转化方式在时间，质量和成本等几个方面中发挥出非常重要的作用;较以往相比工艺过程中花费的时间减少了，生产准备周期缩短。规划质量和变形生产效率得到了提升，确保产品数据一致性，对生产线的配置进行和优化，减少物理原型的使用，更改工程规模，设备人员的使用正在逐渐减少。

1.2 数字化工厂的基本功能

数字化工厂系统在稳定的“输入”、“控制”、“机制”的综合作用下形成“数码工厂”，使得规划工程师、工艺工程师以及工业工程师可以在一种全新的虚拟环境中，进行数字化产品的虚拟加工和仿真分析。由于数字化工厂平台是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成，包括力学、热力学、动力学、运动学等可制造性分析，因而具有以下主要功能：①虚拟生产环境布局：根据产品的工艺特征、生产场地、制造资源等信息，三维仿真生产环境，并允许用户根据自己的需求交互式地修改相关布局，对生产进行动态模拟;②虚拟零件加工过程：能够模拟零件加工过程中被加工零件和刀具的温度、力学、金相组织等物理化学性质的变化，并结合这些环境因素对零件的加工工艺、刀具设计和刀位轨迹等进行优化;③虚拟产品装配过程：三维仿真产品的装配过程，并允许用户交互式地控制产品的装配过程，以检验产品的可装配性;④集成制造系统的产品、操作和资源：可以采用某种方式将制造系统具有的资源电子化，结合实际情况采取集成方式對这些资源进行管理，在虚拟环境当中模拟生产过程信息流物流以及各种外在因素，为系统仿真优化提供帮助，推动数字化工厂发展[1]。

1.3 数字化工厂虚拟环境中的生产线规划内容及流程

①规划内容。数字化工厂所模拟的是生产线集成制造环境，其具体的虚拟规划内容主要包括以下几方面：其一是生产线总体初步规划。根据总体生产目标和工艺类型，明确相应的生产节拍，然后选择与之匹配的加工设备，并设定符合工艺要求的设备参数。与此同时，还要考虑到生产车间现场的空间特征，对设备放置形式进行布置规划。后续一系列的模型运行，均要在上述基础条件下完成。其二是设备分析。主要目的是为了检验所设定的设备参数等数据是否合理，比如动作顺序、零件装配方式等。通过在数字化虚拟环境中运行设备，还可以进行设备故障问题的分析，详细了解设备故障频率、生产任务进度等，从而提供参考，可以考虑重新进行设备参数的设置，甚至是更换设备，以达到生产线合理规划的目的[2]。

②规划流程。在虚拟环境当中对生产线进行规划需要注意以下几点，首先需要以生产计划和工业内容等资料作为工作基础，在虚拟环境中以参数为标准构建生产线模型运行仿真，探究仿真结果，根据结果找出生产过程中存在的问题，重新配置参数，并调整规划流程，再次进行仿真运行，反复进行此项操作，直到获得令人满意的生产线规划方案。

1.4 数字化工厂关键技术

第一，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，精准的对真实情况进行反应，为后期工作的开展创造良好的条件。第二，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出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作用，最为重要的是，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的做出反应。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，虽然是客户不存的但是可以实际制造出来。并且数字化仿真技术可以真实的展现出各设备、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，进而提升产品设计的质量以及效率。第三，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，通过该技术的应用可以让相关人员有一种身临其境的感受，进而全面的了解产品设计情况，节省大量的设计时间和成本。通过虚拟现实技术的应用，极大的方便了产品的设计和开发，进而促进了生产流程的优化。第四，应用生产技术。通过建模技术数字化工厂以及制定出了一个较为完善的生产方案，包括了产品的设计、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，有针对性的进行生产活动，进而提升生产

水平。

2  数字化工厂技术在汽车发动机制造要点

2.1 刀具寿命管理

在刀具寿命管理过程中，可以将CNC机台运行时所使用的刀具，以CNC完成位置绑定，然后建立完善的数据库对每一件产品需要使用的刀具次数和使用寿命数值进行设定。利用CNC加工产品的数量对每把刀具的使用寿命进行准确计算，一旦道具的使用次数即将达到设定的极限值时，系统会提前进行警示。而刀具使用次数达到极限数值时，系统会发出报警，提示操作人员确认刀具是否需要更换。这样可以确保刀具使用的安全性与持续性，防止刀具存在问题而影响发动机生产制造效率[4]。

2.2 仓储管理

在整条生产线中，半成品以及产品都要进入到线边仓储库位暂存，该系统在运行过程中可以对线边仓储库进行有效管理，主要从以下方面开展管理工作：

第一，入库管理。半成品或者成品进入到仓储库位后，生产线系统可以对产品成品的类型、产品加工状态、已经完成的加工工序以及进入仓储库的时间等信息进行自动标定。包含功能如下：入库管理、库位管理、出库管理、在库监控、在库查询。

①入库管理：半成品或者成品进入仓储库位，系统自动标定产品成品的类型、产品加工状态、已完成加工工序、入仓储库时间等信息;

②暂存管理：系统按照产品成品的类型、产品加工状态、已完成加工工序、入仓储库时间等条件，对其进行存储库位分配，将产品成品送入系统编制制定的库位暂存;

③出库管理：当产品半成品或者产品根据系统排产进入生产或者产品半成品或产品加工工序完成，需要出线进行其他工序的加工时，系统根据其所在的库位信息，将该批次的半成品调出仓储库位。产品的半成品或者产品出库管理，可以采用先进先出的原则，系统根据产品进入库位时间决定产品半成品或产品的生产优先级;

④在库监控：系统会根据产品进出库位的信息，定時进行系统刷新在库存储的产品半成品或者成品进行监控，并实时将信息反馈，操作人员可以通过整线的信息显示屏，获取目前实时的仓储信息;

⑤在库查询：系统记录每个仓储位置对应产品半成品或者成品的在库信息，可通过系统对其进行查询。当实际情况与系统数据有误时，可通过对其进行修改更新。

第二，暂存管理。完成产品标定工作后，系统可以按照标定的信息完成存储库位分配工作，并且将产品成品送入到系统编制的库位进行暂存。

第三，出库管理。半成品以及成品根据系统的规划进入生产线，加工工序完成后需要进行其他工序的加工时，系统也可以根据其所在的库位信息直接将半成品调出仓储库位。产品的半成品以及成品出库管理可以利用先进先出的原则，以进入库位的时间对半成品或者成品的生产优先级进行合理确定。

第四，在库监控。在对半成品以及成品进行存储的过程中，可以以进出库位的信息对在库存储的半成品或者成品进行实时监控，并且可以将监控信息及时反馈到操作终端，操作人员可以通过反馈的信息对当前的仓储信息进行了解。

第五，在库查询。因为在仓儲管理过程中，系统可以对每一个仓储位置的半成品或者成品在库信息进行准确记录，操作人员可以通过系统完成信息查询。如果实际情况与系统数据存在偏差，工作人员可以及时修改和更新仓储信息。[4]

2.3 制造过程跟踪管理

对于制造企业而言，车间作为设计图纸转变为实际产品的重要环节，车间制造的过程管控以及数字化发展广泛的覆盖了生产车间、生产线、过程自动化以智能化发展，其发展趋势也逐渐体现在三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的提升设备自身的速度、精度以及可靠性，而且还提升了设备的决策、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。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。在系统运行过程中，可以对当前整条生产线的在制品进行跟踪管理，主要是以产品存放信息为基础在容器安装能储存信息的RFID芯片。以RFID芯片为基础开展制造过程跟踪管理工作的。因为RFID芯片可以与产品的信息进行绑定，产品进入到生产线仓储区之前，上下料区的芯片可以读取容器内的产品信息，产品信息会进入到该容器的芯片中;而进入到仓储区时，仓储区的芯片可以再次读取容器信息并发送给系统，系统会对信息进行记录;当系统以车间生产计划为基础完成排产规划确认工作后，产品仓储区出库的芯片会再次读取容器信息，并将读取的信息发送到系统，系统会对产品的出仓信息进行记录;容器出舱后到达加工区，加工区上下料机台旁边会放置芯片读写器对容器内的信息进行读取，并将信息发送到系统，系统对产品信息进行实时记录并进行更新。因此，在整个生产线的流转过程中，系统都可以对产品在车间的流转情况进行准确记录，并且可以对产品的状态以及位置信息进行实时跟踪。同时，RFID技术可以重新输入信息指令和反复多次擦除指令，并可以动态化地改变其标签，更为快速的多个标签处理速度，更为优秀的安全性能，也是其较为突出的优势。将RFID技术全面地引入汽车发动机制造企业的物流库控制系统，不仅可以全面提升汽车发动机制造企业物流库的追踪管理能力，也为汽车发动机制造行业防伪技术的发展提供新的支持和渠道。

3  发动机数字化智能制造的发展与趋势

随着科技的发展，技术的更新，数字化工厂技术会越来越广泛。特别是自动化设备智能应用技术，互联互通技术和人工智能技术的发展，以及自动化系统实施框架功能的补充完善，结合工业大数据，满足企业用户对于互联互通、过程可视、优化改进和智能决策等各个层面的数据应用需求和一站式服务需求。同时，依据发动机的工艺与技术的更新与应用，发动机数字化智能产线功能将更加齐全，对生产的作业流程更严密，对生产的要求更高标准。通过数字化工厂的建设不仅可以有效地提升生产效率和质量，而且还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降低了40%，生产产能提升了近15%作用等。而随着社会的发展以及科技的进步，尤其是5G技术的普及，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，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。另外，对于数字化工厂的车间布局仿真与物流优化而言则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，并且还要尽可能的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。

4  结语

综上所述可以看出，数字化工厂在运行过程中可以构建虚拟的生产环境，通过原料、设备等资源的合理分配过程和集成智能制造资源的环境优化，从而大大提高效能、利用率、和质量。对汽车发动机制造来说，数字化工厂可以看做是一个应用平台，在这个平台当中，传统工业工程方法和工具的价值能够得到真正的体现，发挥出规划，设计，评价和优化等多种功能，进而将数字化工厂所提供的使用环境与工厂本身结合在一起，工厂在运营过程中将自身优势展现出来，提高生产效率，缩短生产时间。

参考文献：

[1]史诗莹.数字化工厂技术在锅炉智能制造中的应用[D].华东理工大学，2015.

[2]李亚光，周贺.数字化工厂，机器人焊接生产线设计与调试[J].建筑工程技术与设计，2017（17）.

[3]柏隽.数字化工厂的框架与落地实践[J].中国工业评论，2016（005）：28-33.

[4]徐鑫莉，蔡鹏，韩啸，等.数字化工厂制造过程管理系统在汽车生产线上的应用[J].科技资讯，2015，13（29）：77-78.