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文讀懂?dāng)?shù)字化工廠:定義、構(gòu)成與優(yōu)勢(shì)全解析

來源:必旺智能2024-11-26

數(shù)字化工廠(Digital Factory)是指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中,對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化,并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。

 

它集成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、制造執(zhí)行等多個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化技術(shù),通過數(shù)據(jù)的自動(dòng)流動(dòng),實(shí)現(xiàn)從訂單下達(dá)到產(chǎn)品交付全過程的高效協(xié)同。

 

二、主要構(gòu)成部分

 

  1. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化
    • 利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件,工程師可以創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型。例如在汽車制造中,設(shè)計(jì)師使用 CAD 軟件精確地設(shè)計(jì)汽車的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括車身線條、發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局、座椅形狀等細(xì)節(jié)。這些三維模型能夠進(jìn)行虛擬裝配,提前檢查各個(gè)零部件之間是否存在干涉等問題。
    • 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)則用于管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各種數(shù)據(jù),如設(shè)計(jì)文檔、圖紙、技術(shù)規(guī)格等。它確保所有參與設(shè)計(jì)的人員能夠獲取最新、最準(zhǔn)確的產(chǎn)品信息,并且可以對(duì)設(shè)計(jì)版本進(jìn)行有效的控制。
  2. 生產(chǎn)規(guī)劃數(shù)字化
    • 高級(jí)計(jì)劃與排程(APS)系統(tǒng)是關(guān)鍵部分。它可以根據(jù)訂單需求、庫存情況、設(shè)備產(chǎn)能等因素,制定出最優(yōu)的生產(chǎn)計(jì)劃和排程。例如,在電子設(shè)備制造工廠中,APS 系統(tǒng)可以綜合考慮不同電子產(chǎn)品的訂單數(shù)量、交貨日期以及生產(chǎn)線設(shè)備的加工速度等,合理安排生產(chǎn)任務(wù)的先后順序,以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)交付和設(shè)備利用率的最大化。
    • 工廠布局規(guī)劃軟件可以在虛擬環(huán)境中對(duì)工廠的車間布局、生產(chǎn)線配置等進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過模擬物料的流動(dòng)路徑、人員的操作空間等,確定最佳的工廠布局方案,提高生產(chǎn)效率,減少物料搬運(yùn)成本。
  3. 制造執(zhí)行數(shù)字化
    • 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是數(shù)字化工廠的核心系統(tǒng)之一。它負(fù)責(zé)車間生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。MES 系統(tǒng)可以采集生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),如設(shè)備的開機(jī)時(shí)間、停機(jī)時(shí)間、故障信息等,同時(shí)也可以跟蹤產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的加工進(jìn)度。例如,在機(jī)械加工車間,MES 系統(tǒng)可以監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的加工狀態(tài),當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),能夠及時(shí)報(bào)警并通知維修人員。并且它可以記錄每個(gè)零件在各道工序的加工時(shí)間、質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果等信息,確保產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性。
    • 自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人也是重要組成部分。工業(yè)機(jī)器人可以精確地執(zhí)行諸如焊接、噴涂、裝配等任務(wù),提高生產(chǎn)的精度和效率。例如在汽車焊接車間,機(jī)器人可以按照預(yù)先編程的軌跡進(jìn)行車身焊接,其焊接速度和質(zhì)量都比人工焊接更有優(yōu)勢(shì)。

 

三、優(yōu)勢(shì)

 

  1. 提高生產(chǎn)效率
    • 通過優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和排程,減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)中斷。例如,數(shù)字化工廠可以提前預(yù)測(cè)設(shè)備故障,進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),避免因設(shè)備突發(fā)故障導(dǎo)致的生產(chǎn)線停工。同時(shí),自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備和機(jī)器人的應(yīng)用能夠加快生產(chǎn)速度,實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。
  2. 提升產(chǎn)品質(zhì)量
    • 產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的虛擬驗(yàn)證和生產(chǎn)過程中的質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題。例如,在質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié),數(shù)字化工廠可以利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和機(jī)器視覺系統(tǒng),對(duì)產(chǎn)品的尺寸、外觀、性能等進(jìn)行高精度檢測(cè),并且將檢測(cè)數(shù)據(jù)反饋到生產(chǎn)系統(tǒng)中,以便及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝,保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
  3. 降低生產(chǎn)成本
    • 精準(zhǔn)的生產(chǎn)計(jì)劃可以減少庫存積壓,降低庫存成本。同時(shí),通過優(yōu)化工廠布局和物料配送路徑,減少物料搬運(yùn)成本。此外,自動(dòng)化生產(chǎn)減少了對(duì)人力的依賴,降低了人工成本,尤其是在一些重復(fù)性、危險(xiǎn)性較高的工作中,用機(jī)器人代替人工可以節(jié)省大量勞動(dòng)力成本。

 

四、應(yīng)用案例

 

  1. 西門子安貝格電子工廠
    • 這是西門子數(shù)字化工廠的典范。在該工廠,產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的 CAD 和 PDM 系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高效管理。生產(chǎn)規(guī)劃方面,APS 系統(tǒng)結(jié)合工廠布局軟件,使生產(chǎn)計(jì)劃和車間布局達(dá)到最優(yōu)。在制造執(zhí)行環(huán)節(jié),MES 系統(tǒng)與自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備緊密配合。
    • 工廠的生產(chǎn)效率極高,產(chǎn)品一次通過率達(dá)到了 99% 以上。通過數(shù)字化技術(shù),產(chǎn)品的研發(fā)周期縮短了近 50%,而且能夠根據(jù)客戶的個(gè)性化需求快速調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和產(chǎn)品配置。
  2. 海爾工業(yè) 4.0 示范工廠
    • 海爾通過構(gòu)建數(shù)字化工廠,實(shí)現(xiàn)了用戶個(gè)性化定制與大規(guī)模生產(chǎn)的融合。在設(shè)計(jì)端,用戶可以通過海爾的定制平臺(tái)參與產(chǎn)品設(shè)計(jì),工廠利用數(shù)字化技術(shù)將用戶需求快速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)指令。
    • 在生產(chǎn)過程中,MES 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度,工業(yè)機(jī)器人完成高精度的裝配任務(wù)。通過這種方式,海爾不僅滿足了用戶的個(gè)性化需求,而且生產(chǎn)效率大幅提高,產(chǎn)品質(zhì)量也得到了有效保障。

 

五、發(fā)展趨勢(shì)

 

  1. 人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)的融合
    • 未來數(shù)字化工廠將更多地應(yīng)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。例如,利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)設(shè)備故障、優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)等。通過對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí),系統(tǒng)可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量問題模式,提前采取措施進(jìn)行預(yù)防。
  2. 與物聯(lián)網(wǎng)的深度結(jié)合
    • 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將使數(shù)字化工廠中的設(shè)備、產(chǎn)品、人員等之間的連接更加緊密。生產(chǎn)設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通,實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被實(shí)時(shí)跟蹤,并且在產(chǎn)品交付后,還可以通過物聯(lián)網(wǎng)收集用戶使用數(shù)據(jù),為產(chǎn)品的改進(jìn)和新產(chǎn)品的開發(fā)提供依據(jù)。
  3. 向虛擬工廠和云制造發(fā)展
    • 虛擬工廠技術(shù)將進(jìn)一步完善,通過在虛擬環(huán)境中進(jìn)行更復(fù)雜的生產(chǎn)模擬和優(yōu)化,企業(yè)可以在實(shí)際建設(shè)工廠之前進(jìn)行充分的驗(yàn)證。云制造則可以整合社會(huì)的制造資源,企業(yè)可以根據(jù)自身需求,通過云平臺(tái)租用或共享制造設(shè)備、軟件等資源,降低制造的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

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