1 引言

    數(shù)字化制造是指將信息技術(shù)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造以及管理等產(chǎn)品全生命周期中，以達(dá)到提高制造效率和質(zhì)量、降低制造成本、實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的目的，所涉及的一系列活動(dòng)的總稱。數(shù)字化制造的提出是根據(jù)虛擬制造的原理，通過(guò)提供虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的設(shè)計(jì)、制造、裝配、質(zhì)量控制和檢測(cè)等各個(gè)階段的功能，達(dá)到縮短新產(chǎn)品上市的時(shí)間、降低成本、優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。

    在傳統(tǒng)的機(jī)械加工過(guò)程中，機(jī)械的生產(chǎn)往往以流程為核心，不同的加工流程在不同的設(shè)備上運(yùn)行，流程之間區(qū)分明確。但在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的新形勢(shì)與新技術(shù)的沖擊之下，功能單一的傳統(tǒng)設(shè)備正在被具有復(fù)合加工能力的加工中心逐漸取代。高速化、復(fù)合化、自動(dòng)化、數(shù)字化的機(jī)械加工是未來(lái)加工行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

    我國(guó)的數(shù)字化制造技術(shù)目前處于快速發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)一系列較大型數(shù)字化工廠已經(jīng)建成或處于規(guī)劃建設(shè)階段，如長(zhǎng)春奧迪數(shù)字化汽車生產(chǎn)中心，成都西門子工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品生產(chǎn)及研發(fā)基地，北京石油機(jī)械廠新廠區(qū)等。本文以寧夏某機(jī)床數(shù)字化制造工廠為例，旨在說(shuō)明數(shù)字化制造技術(shù)在現(xiàn)代化工廠中的實(shí)際應(yīng)用。

2 數(shù)字化制造的要素

    在數(shù)字化制造中，通過(guò)建模與仿真技術(shù)模擬制造、生產(chǎn)和裝配過(guò)程，設(shè)計(jì)者可以在計(jì)算機(jī)中“制造”出產(chǎn)品，通過(guò)揭示制造工藝過(guò)程的本質(zhì)，獲得知識(shí)及進(jìn)行制造工藝自主設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制的能力。而數(shù)字化制造實(shí)現(xiàn)需要四個(gè)要素：數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備，數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)化工作環(huán)境與智能化管理軟件(見(jiàn)圖1)。

    圖1 數(shù)字化工廠的構(gòu)成

    2.1 數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備

    生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化至關(guān)重要：即使有再好的環(huán)境網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，其信息化管理的程度也會(huì)大打折扣。管理者必須盡可能實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)，并及時(shí)做出反應(yīng)，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌控，就成為了數(shù)字化工廠管理的一個(gè)前提條件。

    2.2 數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)

    數(shù)字化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并不是簡(jiǎn)單的將企業(yè)產(chǎn)品圖紙、工藝文件、技術(shù)資料的管理記錄轉(zhuǎn)換成電子表格，而是要建立起一個(gè)關(guān)系型的數(shù)學(xué)模型，以數(shù)據(jù)流作為不同模塊之間的溝通渠道。從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)始，就做好與PDM數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成、建立數(shù)據(jù)共享。數(shù)字化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是數(shù)字化制造的前端，這部分的核心在于CAD、PDM軟件和技術(shù)的應(yīng)用，解決“做什么”的問(wèn)題，一切的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)都是圍繞其進(jìn)行的。

    整個(gè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)是圍繞產(chǎn)品展開(kāi)的，管理的對(duì)象自然也是產(chǎn)品，所以產(chǎn)品數(shù)據(jù)是—切經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的源頭和基礎(chǔ)。如果所有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)全部停留在紙面上，那么當(dāng)需要的時(shí)候查找相關(guān)數(shù)據(jù)的工作，無(wú)疑會(huì)非常困難—一因?yàn)殛P(guān)系型的數(shù)據(jù)關(guān)系很難建立起來(lái)，所有的數(shù)據(jù)無(wú)疑成為了若干個(gè)信息孤島，缺乏信息流動(dòng)。比如，在上萬(wàn)種零件中找到一張圖紙，但僅憑圖紙的編號(hào)我們很難找到這張圖紙是在哪里使用的，這樣的搜索方法無(wú)疑會(huì)降低信息搜索的效率和準(zhǔn)確性。而如果是在關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)中，查找某個(gè)特定產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)，是件非常容易辦到的事情。所以，數(shù)字化制造需要把產(chǎn)品的數(shù)據(jù)建立起關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，并用智能的軟件去管理他們。

    以寧夏某機(jī)床數(shù)字化制造工廠為例，該數(shù)字化工廠技術(shù)部采用了自主研發(fā)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件與PDM系統(tǒng)。這套系統(tǒng)采用BS構(gòu)架，獨(dú)創(chuàng)的NVS-通知書(shū)驗(yàn)證系統(tǒng)+ICE智能編號(hào)管理引擎系統(tǒng)，非常高效和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貙⒐�廠的產(chǎn)品系統(tǒng)地組織起來(lái)，并全部實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理，工廠的生產(chǎn)活動(dòng)全部以其為根據(jù)進(jìn)行。由于這套系統(tǒng)是企業(yè)為自己量身定做，在生產(chǎn)過(guò)程中，PDM系統(tǒng)與實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)的配合準(zhǔn)確、快捷，在提高了整個(gè)數(shù)字化工廠的工作效率的同時(shí)，也節(jié)省了大量人工成本。

    2.3 網(wǎng)絡(luò)化工作環(huán)境

    在數(shù)字化制造進(jìn)程中，企業(yè)各處的信息都是通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)化來(lái)進(jìn)行的，工作環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)據(jù)得以流動(dòng)的大前提。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的信息共享，設(shè)計(jì)制造各個(gè)環(huán)節(jié)的信息與知識(shí)在數(shù)字化描述的基礎(chǔ)上得到流通與集成。企業(yè)的管理者必須盡可能實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)，并及時(shí)做出反應(yīng)，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌控，就成為了數(shù)字化工廠管理的一個(gè)前提條件。

    目前，我國(guó)的工廠中，辦公室內(nèi)的生產(chǎn)管理部門、營(yíng)業(yè)銷售部門、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)部門之間的聯(lián)網(wǎng)通常很容易實(shí)現(xiàn)，但這些部門與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間聯(lián)網(wǎng)與信息流通情況，多半是不夠完善的。若無(wú)法實(shí)現(xiàn)管理部門與生產(chǎn)部門雙向數(shù)據(jù)流動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)化的效用將會(huì)大打折扣，數(shù)字化工廠的障礙也多在于此。與之相比，寧夏某機(jī)床數(shù)字化制造工廠生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床，聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控等功能是標(biāo)準(zhǔn)的配置，通過(guò)數(shù)字化監(jiān)控軟件CyberMonitor，管理人員可以直觀地看到各臺(tái)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，包括各種狀態(tài)下運(yùn)行的時(shí)間和百分比，從而了解每臺(tái)設(shè)備的開(kāi)動(dòng)率、輔助時(shí)間等信息，為設(shè)備的管理提供了可靠的依據(jù)。

    2.4 數(shù)字化管理軟件

    數(shù)字化管理是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、信息技術(shù)包括GS、GIS、GPS等對(duì)管理對(duì)象和內(nèi)容，進(jìn)行統(tǒng)一深入的管理。透過(guò)個(gè)人電腦數(shù)據(jù)庫(kù)與現(xiàn)代化的信息管理軟件的連接，將傳統(tǒng)的復(fù)雜的手工操作流程在電腦上進(jìn)行數(shù)字化的整合，將結(jié)果以直觀、形象的用戶界面形式表現(xiàn)給用戶。

    傳統(tǒng)的管理模式中，工作人員往往需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的腦力處理，不僅工作負(fù)擔(dān)很重，而且工作效率低，從而影響到企業(yè)的整體運(yùn)營(yíng)效率。而現(xiàn)代化的數(shù)字化管理通過(guò)程序軟件的設(shè)計(jì)，將繁瑣的數(shù)據(jù)處理過(guò)程運(yùn)用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行處理，不僅效率高，而且極大地減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)。

    以寧夏某機(jī)床數(shù)字化制造工廠為例，該工廠的營(yíng)業(yè)部門使用空中辦公室：其核心為BS結(jié)構(gòu)，構(gòu)建在該公司網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，營(yíng)業(yè)部的人員可以隨時(shí)隨地進(jìn)行網(wǎng)上辦公。營(yíng)業(yè)的項(xiàng)目管理、售后數(shù)據(jù)庫(kù)、售后人員工作與數(shù)據(jù)交換平臺(tái)服務(wù)都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)。此外，其管理系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)中軟件程序?qū)��?shù)據(jù)處理的方式是可變的，不是靜態(tài)的。隨著數(shù)字化工廠體系應(yīng)用環(huán)境的變化，各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系可以做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，重新應(yīng)用到相應(yīng)的領(lǐng)域中去，這就為數(shù)字化管理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

3 數(shù)字化制造的優(yōu)勢(shì)

    與傳統(tǒng)的制造工業(yè)相比，應(yīng)用了數(shù)字化制造技術(shù)的工廠有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

    傳統(tǒng)工廠存在的問(wèn)題之一在于，公司管理人員無(wú)法掌握控制實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的掌握也缺乏時(shí)效性。而數(shù)字化制造工廠，管理人員則可以準(zhǔn)確、高效地了解每一臺(tái)設(shè)備的工作情況。以寧夏某機(jī)床數(shù)字化制造工廠為例，工廠采用了可視化的智能監(jiān)控軟件，管理人員可以通過(guò)軟件，直接看到各臺(tái)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，包括各種狀態(tài)下運(yùn)行的時(shí)間和百分比，從而了解每臺(tái)設(shè)備的開(kāi)動(dòng)率、輔助時(shí)間等信息，為設(shè)備的管理提供了可靠的依據(jù)。

    傳統(tǒng)工廠機(jī)械加工的另一個(gè)問(wèn)題在于，接到零件圖紙后，需要占用大量本可用于切削加工的時(shí)間進(jìn)行編程試切，這樣無(wú)形中就降低了機(jī)床的開(kāi)動(dòng)率。而且，正式生產(chǎn)加工的時(shí)候，無(wú)法提前展開(kāi)加工所需的刀具和卡具等作業(yè)準(zhǔn)備信息，需要額外的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)備好相關(guān)的作業(yè)準(zhǔn)備信息。而數(shù)字化制造工廠則可以通過(guò)Camware系統(tǒng)，直接將DXF格式的CAD圖紙轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床可以識(shí)別的加工命令，并同時(shí)準(zhǔn)備好所需的刀具、卡具等作業(yè)相關(guān)信息，省略了由CAD圖紙編程再輸入的繁瑣步驟，從而節(jié)約了大量時(shí)間，提高了機(jī)床的開(kāi)動(dòng)率，也就降低了每件產(chǎn)品的實(shí)際成本，提高了企業(yè)效益。

    在傳統(tǒng)的以流程為主體的機(jī)械加工系統(tǒng)中，實(shí)際生產(chǎn)量往往需要根據(jù)過(guò)去的歷史記錄進(jìn)行預(yù)估，而預(yù)估的需求量與實(shí)際訂貨量往往會(huì)產(chǎn)生較大差別，容易產(chǎn)生兩種狀態(tài)：要么產(chǎn)能不足，要么庫(kù)存增多。采用了數(shù)字化制造技術(shù)的新型制造商，告別過(guò)去預(yù)估的生產(chǎn)方式，采取以客戶為中心的以銷定產(chǎn)的生產(chǎn)模式。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程由于采用了智能生產(chǎn)中心管理，可以大大縮短產(chǎn)品的在制總需時(shí)間。在未接到訂單前，即可計(jì)算出來(lái)產(chǎn)品準(zhǔn)確的交貨期，并且模擬整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。

    此外，在傳統(tǒng)的制造工廠，以流程為核心，采取從上至下的二維內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，帶來(lái)的弊端之一是所有的信息網(wǎng)絡(luò)是單向流通的，各部門的負(fù)責(zé)人與顧客的距離會(huì)有所差別，而高層管理人員與客戶的距離往往較遠(yuǎn)，難以準(zhǔn)確快速了解最新的客戶需求。采用了數(shù)字化制造技術(shù)的生產(chǎn)商，則可以更為便捷地將公司的中樞機(jī)構(gòu)設(shè)置于離顧客最近的地方，能夠有效地獲得從營(yíng)業(yè)生產(chǎn)中傳遞來(lái)的第一手信息，促使生產(chǎn)營(yíng)業(yè)部忠實(shí)地為客戶服務(wù)，以市場(chǎng)信息為中心展開(kāi)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)。公司全員將客戶作為生產(chǎn)活動(dòng)的中心，以最短距離開(kāi)展工作，從而取得更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

    數(shù)字化技術(shù)的成功應(yīng)用可以極大地提高生產(chǎn)效率，而數(shù)字化的制造模式也將會(huì)是今后制造業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。制造模式的改變，對(duì)制造裝備本身提出了新的要求。僅僅是設(shè)備本身性能的提高，為提高生產(chǎn)效率所帶來(lái)的貢獻(xiàn)是非常有限的，只有制造模式和管理模式的變革，才能讓生產(chǎn)效率得到飛躍式的提高。數(shù)字化技術(shù)必將對(duì)未來(lái)制造業(yè)發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。

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