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数字化工厂——集成模拟以增强产品和生产过程，从而实现操作控制和优化
摘要：数字化工厂概念提供了一种集成方法来增强产品和生产工程流程。 仿真是此概念中的一项关键技术。 可以在虚拟模型中将不同类型的仿真（例如离散事件或3D运动仿真）应用于各种计划任务和阶段，以改善各个级别的产品和流程计划。 重点和关键因素是各种计划和仿真过程的集成。 在高级阶段，可以将仿真技术应用到数字工厂概念中，以增强可操作的生产计划和控制，这是从顶层到工厂车间控制的集成过程。 此外，模拟和优化技术的结合将为规划和改进产品开发与生产规划流程提供先进的方法。
关键字：数字化工厂，虚拟工厂，离散事件仿真，机器人仿真，数据集成
1引言
数字化工厂概念的愿景侧重于在不同级别上可用的方法和工具的集成，以计划和测试从早期设计阶段到工厂的操作控制的产品及相关生产过程。数字工厂集成了以下过程：
bull;产品开发，测试和优化。
bull;生产流程的开发和优化。
bull;工厂设计和改进。
bull;执行生产计划和控制。
数字化工厂是一个包含数字模型，方法和工具的网络（例如仿真和3D可视化），这些都是通过全面的数据和灵活的模块管理进行集成。产品、流程和资源是基于虚拟工厂中的实际数据建模的。根据实际数据和模型，可以通过使用虚拟模型来改进计划的产品和生产过程，直到这些过程得到充分的开发，广泛测试并在实际工厂中基本无误差的使用。
数字化工厂是一种综合方法，包括虚拟工厂及其在实际工厂中的集成（图1）。 实际生产启动的许可是基于经过数字验证的并发工程进行的。这样可以大大缩短生产的启动时间(时间-量)，提高公司的竞争地位。进一步的数字化工厂缩短了产品推向市场和客户的时间。
图1：数字化工厂将虚拟工厂与真实工厂集成在一起
数字化工厂超过整个计划工具的总和,主要关注:
bull;集成产品开发和生产计划,检查和优化规划对经济效率、灵活性和减少规划时期(上市时间)
bull;通过实际计划数据降低计划成本，避免错误等。
bull;快速安全的开始生产(时间-量)
bull;通过标准化解决方案和提高生产率降低生产成本和变更成本
bull;整体检查生产和优化供应链(交付客户的时间)
图2 数字化工厂的概念
图2中所示的数字化工厂的概念也可以看作是一家企业，该企业包括一种信息策略，用于管理和集成全球网络中多个工厂的流程。它为产品和产品组合规划、数字产品开发、数字制造、销售和支持提供方法和软件解决方案，以加快实现价值，如图3所示。协作解决方案支持产品和生产阶段的每个主要阶段所涉及的人员和流程。基于数字工厂的方法甚至可以应用于中小企业。
图3 数字化工厂-效益和努力
因此，数字化工厂的概念集成了产品、流程和工厂建模的数据库，以及先进的可视化、模拟和文档，以提高产品的质量和所涉及的生产流程的质量和动态。通过数字化工厂的组织架构，实现技术和经济目标，如:
bull;提高盈利能力
bull;提高规划质量
bull;缩短产品发布时间
bull;透明沟通
bull;规划流程标准化
bull;知识管理能力强
下面将讨论数字工厂的一些方面，这些方面涉及到模拟的集成以增强产品和生产过程。将讨论涵盖从产品设计过程到有效的生产控制和优化的步骤。
2 生产工程
在数字工厂的概念中，工艺过程必须通过改进工程性能为企业获得竞争优势。
如图4所示，创新工程通过使团队协作简化工程流程，加速了产品设计和生产流程。数字工厂的概念要求:
bull;将CAD设计和CAE信息相结合
bull;同步要求整个价值链参与的工程流程，以访问所有所需的产品信息。
bull;使所有与产品相关的团队能够有效地合作，而不必考虑其实际位置。
bull;通过使设计团队与制造团队无缝协作来加速产品交付。
bull;在整个产品生命周期和多个产品中建立可重复使用的产品配置。
图4 数字化工厂流程
数字化工厂要求使用多种CAD应用程序的多站点产品团队进行全面的产品设计管理，以便使用所有产品信息（不仅仅是CAD文件）来管理产品结构。必须管理所有相关的CAD，CAM和CAE信息（参见图5）以及设计规范，文档，要求以及其他类型的产品相关信息：
bull;CAD集成，可连接多个不同的CAD系统，包括CATIA，Pro/Engineering SolidWorks,Unigraphics NX系列，Solid Edge，AutoCAD等
bull;用于集成可视化功能和工作流管理的可视产品协作可改善团队成员之间的沟通。
bull;多站点协作以参与设计，自动化工程和制造过程。
图5 产品和过程定义
流程管理功能使你能够定义工程流程，以实施公司特定的业务规则并有效执行与产品相关的自动化流程。先进的工程过程管理优点是：
bull;增加产品创新和灵活性
bull;增加设计和制造的并发性
bull;在产品生命周期中预先发现代价高昂的设计错误。
bull;使团队成员能够安全的访问所有相关信息。
bull;改善OEM。供应商和合作伙伴之间的沟通。
bull;同步全球分布的团队活动。
bull;将当前的CAD，CAM和CAE技术集成到集成的参考流程之中。
2.1 产品生命周期管理
产品生命周期管理（PLM）使一种集成的，信息驱动的方法，从概念设计到产品的各个方面通过其制造，部署和维护，最终将其从服务中移除并进行最终处置。PLM方法立即需要信息策略，企业策略以及最终的转型业务策略。可以将其视为一种全方面的创新方法，其基础是企业范围内对产品信息和流程的通用存储库的访问。
PLM代表了针对全球制造商的变革性业务战略，该战略建立在对与该产品相关的所有知识，数据和流程的单个存储库具有通用访问权限的基础上。PLM建立了一个一致的数据结构，可以进行实时，虚拟协作和全局数据共享。它使公司可以在利用现有投资的同时整合系统。通过开发的KPI和对标准的遵守，它可以最大程度的减少数据转换问题，同时提供信息以在产品和生产的每个阶段作出有效决策。
3 工厂设计与优化
工厂设计和优化专注于从全球生产网络到本地工厂直至特定生产线的各个级别的工厂计划的物料流动，资源利用和物流优化，其目标如下：
bull;缩短新产品介绍，缩短上市时间和缩短批量生产时间。
bull;改善生产布局并最小化投资。
bull;确保机器和设备放在正确的位置。
bull;确保有足够的物料搬运设备。
bull;优化缓冲区大小。
bull;确保将产品处理量降至最低。
图6：使用预定义对象（UGS）建立3D工厂布局
根据特定目标，需要不同级别的详细信的息。对于数字工厂中的复杂仿真任务，建议定义可管理的子任务并将其分开建模 而不是出于所有目的使用单个仿真模型。例如，可以通过考虑详细的运动控制参数和策略，使用详细模型对复杂生产单元中机器人的运动路径和过程进行建模和编程。在下一级别上，仅此详细模型的选定结果（例如处理时间）可以用于生产流程的逻辑模型。
具体而言，在数字工厂中，可以通过使用分层模型在多个级别上执行仿真（图5）。在某些应用中，例如机器人技术或NC处理，具有几何和运动模型的运动仿真占主导地位。在生产流程计划和控制等其他领域，主要应用离散事件模拟。数字工厂方法要求这些级别和子任务之间的数据一致性。建模和仿真技术可以进行动态分析，以确保在公司加快生产之前发现工厂设计问题和浪费。进一步的仿真技术可确保在生产开始之前，工厂将能够满足高效运营的需求。数字工厂中的典型仿真应用为：
- 用于布局验证和优化的布局规划和仿真
- 物流和生产流程的静态分析和动态模拟
- 组装过程的生产线平衡
- 模拟复杂的物料搬运
- 机器人与复杂运动
- 零件制造仿真
- 人力资源模拟
- 人机工学模拟
- 生产物流模拟
- 控制软件测试仿真
- 操作生产控制仿真
数字工厂的集成概念需要强大的接口和数据库系统，以便在不同复杂程度之间(纵向集成)和业务功能区之间(横向集成)联合使用实际数据和模块。
3.1资源数据库
资源数据库提供了一个用于管理各种制造资源数据的库。 这包括机器资源，机床，切削工具和量规，机器人，焊枪和制造过程模板。 基于参数搜索的查询技术允许从全面的结构中检索数据。
3.2工厂的设计和布局
工厂布局规划的CAD工具提供了预先定义的模块来创建详细的工厂模型。这些布局工具允许使用预定义的对象，这些对象实际上表示工厂中使用的资源，从地板和高架传送带、阁楼和起重机到物料处理容器和操作人员。有了这些模块化的对象，一个布局模型，如图7所示，可以实现在三维的快速和有效的方式，而无需绘制详细的设备。
图7 使用预定义对象（UGS）建立3D工厂布局
虚拟现实模型可以在工厂模型中移动，在工厂中穿行，在渲染的3d 工厂模型中检查和运动。 该设计和通信技术还提供设计协作活动，以便在一个3d 虚拟工厂模型中查看、测量、分析和检查间隙。
3.3优化工厂流程
工厂布局可以在第一步通过使用零件路由信息、材料存储要求、材料处理设备规范和零件包装信息进行分析。可以确定任意两点之间的最短距离、距离零件使用点最近的进坞和存储区域。物料流动的研究可以进行替代布局配置和布局选项可以进行比较，以找到最佳的布局而提高生产效率。
基于考虑物料流动距离、频率和成本的方法来改进工厂布局是实现更有效的工厂布局的第一步，这将直接减少物料搬运和提高生产产量
3.4工厂，生产线和过程模拟
通过离散事件仿真工具可以实现工厂、生产线和流程的仿真。这些工具可以分析系统和过程，以改善各个级别工厂计划的物料流，资源利用和物流。这包括规划全球生产设施，通过当地工厂，到特定的生产线。离散事件仿真技术允许:
- 在满足所需生产需求的同时，将生产线的投资成本降至最低。
- 检测并消除可能在生产提升期间需要耗费时间和成本的纠正措施的问题。
- 通过实施在实施之前已在模拟环境中验证过的措施，提高现有生产系统的性能。
图8a：JIT生产系统的离散事件仿真，用于动态分析高度自动化的单轨运输系统（SIPOC）
图8b：上述JIT生产系统（SIPOC）的运输结构（部件部分）
仿真模型能够在不干扰现有生产系统的情况下运行实验和假设场景。在实际系统安装之前，也可以探索系统特性并优化计划生产和物流系统的性能。特别是对于具有复杂系统动态的生产系统(如图8所示)，JIT需求和极限峰值负载，对于生产计划人员来说有很大的好处。此外，仿真提供了一个强大的平台，以改善所有部门和参与规划和操作过程的人员之间的公开和透明的沟通。关键问题可以提前讨论和检查。所获得的规划可靠性节省了时间和金钱。
3.5零件制造仿真
零件制造应用程序需要将制造工程师、NC程序员、工具设计师和工具经理的任务联系起来，同时扩展对车间的访问。它的特点是能够使用图形编辑和显示在层次结构和过程序列中创建操作。
如图9所示的NC路径的3d仿真能够检测碰撞、分析材料、去除和减少循环时间。可以将更详细的过程信息交付到车间，并且可以根据每一组特性和操作的周期时间创建NC工具路径
图9:集成数控规划、仿真和离线编程的3D技术
3.6机器人工作单元的仿真
如图10所示，机器人工作单元的数字制造和模拟，侧重于在产品和生产资源信息的背景下，机器人工作单元和自动化制造过程的设计、模拟、优化、分析和离线编程。这就需要一个并行工程平台来对三维图形上的制造单元模型进行建模，以优化流程并计算周期时间。
需要对多个机器人和机构进行运动仿真和同步，包括三维路径定义，以执行可达性检查、碰撞检测和优化循环时间。
bull;基于3D-CAD-Data的工作单元布局设计和建模。
bull;机器人、机器、工具和设备库。
bull;机器人和其他机构的复杂运动学建模。
bull;机器人校准，以提高精度。
bull;自动路径规划。
bull;碰撞检测。
bull;操作顺序（SOP）。
bull;离线编程（OLP）
图10：3D机器人工作单元模拟
用于离线编程的应使用模型必须实现机器人和其他自动化设备的物理和控制特性。机器人离线编程需要精确模拟机器人的运动序列，以便将机器程序下载到车间的实际控制器中。控制器特定的信息，包括运动和过程属性，必须添加到生成的机器人路径中。
3.7现实机器人仿真（RRS）
为了改进机器人应用程序的建模、仿真和离线编程，我们引入了一个虚拟机器人控制器(VRC)接口，如图11所示。该接口能够以标准的方式将工业机器人控制器的原始软件几乎完全集成到仿真系统中。RRS I专注于运动
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