數字工廠是在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和最佳化，並進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。是現代數字製造技術與計算機仿真技術相結合的產物，主要作為溝通產品設計和產品製造之間的橋樑。
基本介紹
- 中文名：數字工廠
- 外文名：Digital Factory
- 簡稱：DF
- 出現背景：第三次工業革命
- 主要理念：數位化
- 本質：信息合成
定義,出現背景,智慧型工廠,智慧型製造,套用,
定義
對於數字工廠，德國工程師協會的定義是：數字工廠（DF）是由數位化模型、方法和工具構成的綜合網路，包含仿真和3D虛擬現實可視化，通過連續的沒有中斷的數據管理集成在一起。數字工廠集成了產品、過程和工廠模型資料庫，通過先進的可視化、仿真和文檔管理，以提高產品的質量和生產過程所涉及的質量和動態性能。
在國內，對於數字工廠接受度最高的定義是：數字工廠是在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和最佳化，並進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。是現代數字製造技術與計算機仿真技術相結合的產物，主要作為溝通產品設計和產品製造之間的橋樑。從定義中可以得出一個結論，數字工廠的本質是實現信息的集成。
出現背景
現代工業經歷了機械化、電氣化革命，未來的第三次工業革命必然是以機、電、信息相結合的智慧型化製造革命。《經濟學人》2012年4月發表的《第三次工業革命：製造業與創新》專題報導中闡述了目前由技術創新引發的製造業深刻變化，其中，數位化與智慧型化的製造技術是“第三次工業革命”的核心技術。
作為數位化與智慧型化製造的關鍵技術之一，數字工廠是現代工業化與信息化融合的套用體現，也是實現智慧型化製造的必經之路。數字工廠藉助於信息化和數位化技術，通過集成、仿真、分析、控制等手段，可為製造工廠的生產全過程提供全面管控的一種整體解決方案。早在2000年前後，上汽、海爾、華為和成飛等製造企業均已開始著手建立自己的數字工廠。今年來，隨著國際競爭的不斷加劇和我國製造業勞動力成本的不斷上升，對設備效率、製造成本、產品質量等環節的要求不斷提高，離散製造業中以汽車、工程機械、航空航天、造船為代表的大型企業已越來越重視數字工廠的建設。
智慧型工廠
智慧型工廠是在數字工廠的基礎上，利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計畫排程。同時，集初步智慧型手段和智慧型系統等新興技術於一體，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。
智慧型工廠已經具有了自主能力，可採集、分析、判斷、規劃；通過整體可視技術進行推理預測，利用仿真及多媒體技術，將實境擴增展示設計與製造過程。系統中各組成部分可自行組成最佳系統結構，具備協調、重組及擴充特性。已系統具備了自我學習、自行維護能力。因此，智慧型工廠實現了人與機器的相互協調合作，其本質是人機互動。
智慧型製造
智慧型製造系統不只是人工智慧系統，而是人機一體化智慧型系統，是混合智慧型。系統可獨立承擔分析、判斷、決策等任務，突出人在製造系統中的核心地位，同時在智慧型機器配合下，更好發揮人的潛能。機器智慧型和人的智慧型真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。本質是人機一體化。
國內很多企業都在炒作智慧型製造，但是絕大多數企業還處在部分使用套用軟體的階段，少數企業也只是實現了信息集成，也就是可以達到數字工廠的水平；極少數企業，能夠實現人機的有效互動，也就是達到智慧型工廠的水平。
套用
基於三維模型的數位化協同研製
在設計部分，三維CAD系統的套用已相當普及。1997年，美國機械工程師協會ASME就開始了全三維設計相關標準的研究制定工作，並於2003年頒布了“Y14．41(Digital Product Definition Data Practices)”標準，把三維模型和尺寸公差及製造要求統一在一個模型中表達。在生產部分，各類數控設備在加工精度和智慧型控制水平上近年來都得到飛速發展。基於三維模型的單一數據源和數控設備的廣泛套用使得從設計端到製造端的一體化成為可能。基於三維模型的數位化協同研製套用的嘗試始於航空航天製造領域。由於在產品設計、材料成本、成型技術和製造精度方面具有相對更苛刻的要求，航空航天領域在加工和裝配製造工藝上整體領先於其他行業，這為基於三維模型的數位化協同研製奠定了基礎。
當前，世界先進的飛機製造商已逐步利用數位化技術實現了飛機的“無紙化”設計和生產，美國波音公司在波音777和洛克希德·馬丁公司在F35的研製過程中，基於三維模型的數位化協同研製和虛擬製造技術，縮短了三分之二的研製周期，降低研製成本50%。
基於虛擬仿真技術的數位化模擬工廠
數位化模擬工廠是數字工廠技術在製造規劃層的一個獨特視角。基於虛擬仿真技術的數位化模擬工廠是以產品全生命周期的相關數據為基礎，採用虛擬仿真技術對製造環節從工廠規劃、建設到運行等不同環節進行模擬、分析、評估、驗證和最佳化，指導工廠的規劃和現場改善。由於仿真技術可以處理利用數學模型無法處理的複雜系統，能夠準確地描述現實情況，確定影響系統行為的關鍵因素，因此該技術在生產系統規劃、設計和驗證階段有著重要的作用。正因為如此，數位化模擬工廠在現代製造企業中得到了廣泛的套用，典型套用包括：
（1）加工仿真，如加工路徑規劃和驗證、工藝規劃分析、切削餘量驗證等。
（2）裝配仿真，如人因工程校核、裝配節拍設計、空間干涉驗證、裝配過程運動學分析等。
（3）物流仿真，如物流效率分析、物流設施容量、生產區物流路徑規劃等。
（4）工廠布局仿真，如新建廠房規劃、生產線規劃、倉儲物流設施規劃和分析等
基於製造過程管控與最佳化的數位化車間
在製造企業，車間是將設計意圖轉化為產品的關鍵環節。車間製造過程的數位化涵蓋了生產領域中車間、生產線、單元等不同層次上設備、過程的自動化、數位化和智慧型化。其發展趨勢也分別體現在底層製造裝備智慧型化、中間層的製造過程最佳化和頂層的製造績效可視化3個層次。
在底層製造裝備方面，數字工廠主要解決製造能力自治的問題。設備製造商不僅持續在提升設備本身高速、高精、高可靠等性能方面不斷取得進展，同時也越來越重視設備的感知、分析、決策、控制功能，比如各種自適應加工控制、智慧型化加工編程、自動化加工檢測和實時化狀態監控及自診斷/自恢復系統等技術在生產線工作中心及車間加工單元中得到普遍運用。如日本Moriseiki的最新工具機產品上安裝的作業系統MAPPS，該系統內置了森精機的操作編程維修軟體，具有很高的開放性，具有對話式編程，三維切削模擬和維修指導畫面，提供遠程監控功能方便維修服務，並且可以直接進行切削仿真。製造裝備的另一個趨勢是把工具機設備和相關輔助裝置(如機械手)進行集成，共同構成柔性加工系統或柔性製造單元。也有不少廠商支持將多台數控工具機連成生產線，既可一人多機操縱，又可進行網路化管理。上文提到的MAPPS系統就可以通過使用CAPS—NET網路軟體建立基於乙太網的網路，從而可以對作業狀況和生產計畫進行一元化管理。
