数字化工厂

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1、数字化工厂技术与应用,武殿梁 上海交通大学CIM研究所 2014年8月16日,提纲,一、数字化工厂背景 二、数字化工厂概念 三、数字化工厂目标与效能 四、数字化工厂关键技术 五、应用案例,- 3 -,数字化工厂背景工程背景,工程背景（企业应用现状）,信息化技术在企业的商务、行政、财务、人力资源、物料管理等方面已成熟并普遍应用 信息化技术正在向制造型企业核心环节（设计工艺制造）渗透，它以数字化模型为基础,波音公司：数字化制造保证零部件全球10个国家的19个厂商生产中的进度与质量控制,- 4 -,数字化工厂背景工程背景,工程背景（企业应用现状）,阿联特技术系统公司(ATK)：数字化制造保证新一代战

2、神火箭快速研制和生产，周期缩短40%,- 5 -,数字化工厂背景技术背景,技术背景（数字化技术与数字化制造）,数字化技术：将各种信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，可在计算机内部进行统一处理，这个过程即为数字化 数字化基本手段：测量、试验、数据处理、建模 数字化结果：实物对象的数字化模型几何模型、面向各领域应用的物理性能模型,目前测量和几何建模技术已经非常成熟，可以构建各类复杂对象的几何模型，但精确、定量的物理性能模型构建仍有困难，特别是多种物理场的耦合模型,- 6 -,数字化工厂背景技术背景,技术背景（数字化技术与数字化制造）,数字

3、化制造：制造领域的数字化，是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势 内涵：以设计为中心的数字化制造技术、以控制为中心的数字化制造技术、以管理为中心的数字化制造技术 历程： NC加工CAMCADCAD/CAMPDM支撑的CAD/CAPP/MES,数字化制造技术在设计环节应用最早最成熟，在制造现场也开始大量应用，但在工艺环节发展较慢，因此数字化工艺设计、仿真和验证是研究热点,- 7 -,数字化工厂概念,虚拟工厂,以图形、仿真及计算技术为支撑，对实际工厂进行虚拟仿真，解决产品设计和生产中的某些问题，本

4、质是实际工厂的虚拟化，结果是与实体工厂对应的虚拟工厂 不接受实际工厂的运行数据； 与实体工厂无实时信息关联,- 8 -,数字化工厂概念,数字化车间,以图形、仿真及计算技术为支撑，对实际工厂进行虚拟仿真，解决产品设计和生产中的某些问题，本质是实际工厂的虚拟化，结果是与实体工厂对应的虚拟工厂 数字化工厂的子集，侧重于制造现场的管控 要点：计划与执行、数据采集、现场决策、问题分析,- 9 -,数字化工厂概念,数字化工厂实体工厂的数字化,以信息、仿真等诸多数字化技术为依托，将工厂运行实际过程数字化，实现实际运行过程的仿真、优化、实时控制，是数字化技术支撑的实体工厂 与实体工厂实时信息关联，同步更新,-

5、 10 -,数字化工厂概念,数字化工厂的组成要素,满足数字化工厂构建、运行、发展的需求,数据来源复杂，数据量巨大，导致数据采集、处理、转换困难。 同时涉及到设计、工艺、制造、售后，导致管理和协调困难,需求描述,难点,对应要素,涉及到多学科、多领域 既有硬件环境，也有软件工具 需要多种专业协同完成,特点,模型的数字化,运行数据采集,生命周期管理,制造执行管理,仿真分析优化,测量、建模,在线数据获取、数据处理,开发流程管理、数据管理,制造过程管控、质量管理,设计、工艺过程验证与优化,测量、设计工具,仿真、优化工具,数据处理工具,流程管理工具,通信、存储环境,模型测量、模型创建,产品和工艺设计过程的

6、仿真与优化,制造数据采集、处理、存储,产品和工艺设计、制造执行过程管理,支持数字化的硬件环境,- 11 -,数字化工厂概念,数字化工厂的典型结构与运行逻辑,- 12 -,数字化工厂的目标,数字化工厂的目标,数字化工厂是企业数字化辅助工程新的发展阶段，包括产品开发数字化、生产准备数字化、制造数字化、管理数字化、营销数字化。 建设目标：通过数字化模型、方法和工具构成的综合网络，实现连续的、没有中断的数据集成 应用目标：产品开发过程建模与仿真，生产系统的重组和运行进行仿真；对产品制造过程进行可靠、有效的管控 效益目标：提高产品的质量和生产过程所涉及的质量、效率和动态性能最好的质量，最低的风险、最高的

7、效率、最佳的服务,- 13 -,数字化工厂的关键技术,关键技术工厂要素的数字化,信息的数字化表达、要素的数字化建模,数字化对象：产品，工具、设备、工装、厂房、其他参与生产活动的资源 数字化方法：逆向、正向、第三方提供 数字化工具：测量系统、测试环境、建模软件，设计工具等 数字化结果：生产要素对象和生产活动的数字化模型及其附属数据,- 14 -,数字化工厂的关键技术,关键技术全生命周期的数据与流程管理（PLM）,数字化的流程和数据管理,流程管理：整体的生产活动流程、局部的设计/工艺/制造流程 数据管理：生产活动过程产生的各类数据的存储与控制 PLM的核心：生产活动的模型和数据，存储在ERP/PD

8、M数据库 PLM系统实施：以平台为基础的个性化实施,- 15 -,数字化工厂的关键技术,关键技术数据转换、传输与存储,支持数字化工厂运行的数据正确性、一致性、流通性,数据转换：模型在不同阶段具有不同的形式和属性，基于不同的工具构建 数据传输：制数据在不同终端、不同部门之间流转，数据量和实时性都有需求 数据存储：生产活动过程中的静态/动态数据存储与访问控制 基本方式：以高速局域网为基础的通信支撑；以数据库和文件库为基础的存储支撑；以各类接口工具为基础的数据转换支撑,- 16 -,数字化工厂的关键技术,关键技术数据采集与处理,制造过程的数据采集、分析与显示,数据采集：设备状态、操作过程、制造质量等

9、数据在线获取 数据分析：制造过程数据在线分析及结果处理 数据显示：在线数据与数字化模型相结合的综合显示及监控,- 17 -,数字化工厂的关键技术,关键技术仿真与优化技术,设计、工艺、制造过程的仿真、分析与优化,模型优化：产品及工艺模型的仿真、分析与改进 流程优化：生产活动过程的仿真、分析及改进 仿真分析及优化工具： 产品设计：物理性能计算与仿真（如FEM软件） 工艺设计：流程仿真与优化（如离散事件仿真软件）；操作过程仿真与优化；布局规划仿真与优化；,- 18 -,数字化工厂的关键技术,数字化工厂建设原则,实施原则：顶层设计，底层入手 渐进发展，不对当前生产产生不利影响 分步建设，各分系统独立建

10、设，独立作用 着眼未来，分系统建设时考虑未来集成 实施过程：先虚后实，先分后总 虚拟工厂为数字化工厂提供主要信息模型支持 建立工厂各种要素的数字化模型 对生产要素进行仿真、验证、优化 实体工厂数字化 各类生产要素的信息获取 MES及其他数据采集手段建设 生产要素的数据传输与存储信息与数据的传输与存储手段建设 数字化工厂 虚实工厂的结合虚拟工厂模型与真实工厂信息的集成 设计、工艺、制造过程的集成数字化的产品生产 与工厂其他职能部门（财务、商务、人力）集成完整的数字化工厂,- 19 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,生产系统布局规划与仿真工具VRLayout软件,采用数据库管理生产系

11、统模型（厂房、设备、工具/工装、物料），可在2D布局规划的基础上搭建3D生产系统，并且具有生产系统的运动仿真功能 具备强大的3D图形处理功能，能够支持超大规模的场景实时显示和操作 具有丰富的3D模型接口，可导入多种3D模型文件。 支持2D布局生成和导出，3D布局可以直接导出2D布局图纸（DXF格式） 具有多种布局分析功能（距离/间隙、碰撞与干涉、运动序列与路径等）,- 20 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,生产系统布局规划与仿真工具VRLayout软件,- 21 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,操作过程仿真工具DMSP软件,支持预定义过程操作，以及基于多种外设的

12、实时、交互操作 完整的“产品-工具-操作者-环境”数据模型 具有基于层次树和约束的精细操作仿真 多种操作过程评估方法：干涉、人机功效 实时、交互式漫游；多种立体显示输出；动画生成,- 22 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,操作过程仿真工具DMSP软件,- 23 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,数字化工艺DAPDG系统,与现有的CAPP系统共用数据库 可进行3D操作工艺规划，生成3D操作指导书 具有2D图纸和3D模型的同时浏览功能 可在线浏览所有工艺信息 可与实际装配线结合实现装配过程管控,- 24 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,数字化工艺DAP

13、DG系统,- 25 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,电子发布物管理与制作iPEP系统,实现三维发布物数字化设计，实现一机一档一册 通过结构化发布物编制系统，减少重复性的手工工作，提高效率； 关联三维设计数据和生产数据，实现发布物快速设计与一机一档一册； 实现全数字化发布物制作，多元化发布物呈现形式，提高用户体验； 实现有效的数字化发布物管理，提高正确性 实现协同、版本和变更等发布物生命周期管理； 解决复杂型号产品的机册一致性，提高用户体验； 通过数字化发布物支撑售后服务业务 围绕数字化发布物为客户提供养护、维修等增值售后服务； 与备件手册对应的云端的零配件销售，实现在线零配件申

14、购业务； 提升终端用户使用发布物的用户体验 提高发布物的准确性，解决文档与设备不匹配的问题； 实现全数字化发布物制作，多元化发布物呈现形式，提高用户体验； 结合云、移动终端技术，用户更容易获取数字化发布物；,- 26 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,电子发布物管理与制作iPEP系统,全数字发布物系统,PDM/ERP/MES数据接口,发布物数据映射表,跨平台异构数据融合,数据推送与更新机制,发布物编辑系统,自动套用模板与样式,多样化可交互呈现形式,基于数据映射的自动更新,数字化发布物模板管理,发布物管理系统,版本与变更管理,发布物协同设计,发布物内部发布,三维数字化发布物库,Wi

15、ndchill,MES,ERP,CAD/PROE,发布物资源库 文档在线阅读、交互 备件查询与申购 设备维护数据管理 其他后期服务扩展模块,客户服务系统,发布物素材资源库,文字说明、描述、表格,2D/3D模型（轻量化数据）,表格、SBOM、Partlist,爆炸图、示意图等插图,3D可交互发布物制作工具,可交互3D数字爆炸模型,装配流程仿真动画制作,模型数据轻量化处理,产品数字化发布物App,3D可交互发布物Viewer,数据安全机制,三维发布物标准与规范,发布物标准 发布物设计规范 发布物发布规范 发布物模板设计 ,- 27 -,数字化工厂技术应用SJTU-CIM研究结果,电子发布物管理与制

16、作iPEP系统,一套标准：电子发布物数字化设计标准 电子发布物内容与形式、制作与发布流程 电子发布物模板库 四大工具：素材、编辑、3D制作、发布物管理 发布物编辑工具系统Publication Editor 通过素材资源库关联PDM/ERP/MES数据；基于XML国际通用的结构化发布物编辑技术 发布物素材资源库 Content Center 建立发布物素材与三维设计数据的映射关系与关联更新，实现发布物素材的高效重用与更新 发布物版本与变更管理系统 Publication Center 发布物版本管理，实现一机一档一册准确管理； 三维可交互发布物设计工具 3D Publisher 通过WebGL与轻量化技术实现云端和移动终端可交互动态发布物； 一个平台：客户服务云系统 iService Cl