数字化工厂

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—CAM—CAD—CAD/CAM—PDM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-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/PDM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——DAPDG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WindchillMESERPCAD/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App3D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－PublicationEditor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－ContentCenter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－PublicationCenter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－3DPublisher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iServiceCloud通过云系统实现数字化发布物核心价值；通过云系统整合，实现增值售后服务业务；-28-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发布物编辑器－PublicationEditor基于XML的结构化发布物编辑技术，国际通用的发布物编辑方法；通过素材资源中心关联PDM/ERP/MES数据，实现关联更新；快速插入文字、图、表等元素，与结构化单元同步更新，易于实现内容变更与重用；-29-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系统发布物素材