數(shù)字化工廠究竟是如何運行的？

　　數(shù)字化工廠主要是將整個生產(chǎn)的信息總結(jié)為三類對象。這三類對象分別為：產(chǎn)品、工藝及資源。詳細地講，產(chǎn)品主要是指汽車的零件信息，其中包含車身件、裝配件及標(biāo)準(zhǔn)件。工藝是指描述如何安裝零件的方法，以及零件安裝的后質(zhì)量特性，一般汽車廠都會以工藝卡的形式體現(xiàn)整個裝配的工藝。資源是指為生產(chǎn)提供的全部的設(shè)備以及人員，就拿一個普通的工位舉例，可能包含擰緊槍、輸送設(shè)備、物料箱、工裝夾具以及操作者等。那么數(shù)字化工廠技術(shù)的主旨實際上就是將產(chǎn)品、工藝及資源三者有機地結(jié)合起來，在3D技術(shù)、模擬技術(shù)的渲染條件下，直觀地觀察每個工位所包含的全部信息。這樣可以使工藝規(guī)劃人員很容易地發(fā)現(xiàn)設(shè)計的問題所在，可以及時地反饋到設(shè)計部門，然后再做相應(yīng)的調(diào)整，將制造成本降低到最小。

　　下面筆者就按步驟分析數(shù)字化工廠的工作內(nèi)容。數(shù)字化工廠技術(shù)在裝配工藝的運用實際上包含以下幾個階段：(1)產(chǎn)品的輸入及管理；(2)工藝的建立；(3)資源的建立；(4)產(chǎn)品、工藝、資源的關(guān)系搭建。

一、產(chǎn)品的輸入及管理

　　在設(shè)計第一次與工藝在新產(chǎn)品的交流中，實際上有如下幾種交付資料：一是產(chǎn)品零件的明細表，我們稱之為BOM(BillofMaterials)表，主要的內(nèi)容是汽車零件的清單；二是產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都是以車身坐標(biāo)系下體現(xiàn)的，而且BOM表上的零件清單與產(chǎn)品的3D數(shù)據(jù)應(yīng)該是一一對應(yīng)的；三是整車的產(chǎn)品質(zhì)量特性，主要描述產(chǎn)品在安裝完成后的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。在從研發(fā)部門接收到這三方面資料后，就可以將產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)字化工廠的軟件中，導(dǎo)入軟件后，將獲得一個產(chǎn)品庫和一個產(chǎn)品樹，產(chǎn)品庫包含了汽車上所有的零件(包括車身)，它的表現(xiàn)形式是零件的ID與零件的3D數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并且自動生成零件的預(yù)覽圖，方便查找。產(chǎn)品樹來源于產(chǎn)品庫，它反映著產(chǎn)品設(shè)計的最新狀態(tài)，并且保持著BOM中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系，也就是層次關(guān)系。

　　目前在產(chǎn)品導(dǎo)入的階段中，導(dǎo)入零件主要有兩種形式，這主要取決于研發(fā)部門的管理方法。

　　第一種就是類似于Teamcenter的管理形式，在Teamcenter中，產(chǎn)品的ID已經(jīng)與3D結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)，數(shù)字化工廠軟件擁有直接讀取Teamcenter信息的接口，通過這種方式直接將產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入。這種方法在數(shù)據(jù)的版本管理以及與研發(fā)設(shè)計進度同步方面都相當(dāng)?shù)厝菀缀头奖?。?yīng)該說這樣方法是比較科學(xué)也是比較方便的。但是，由于一些公司還沒有搭建這樣設(shè)計信息平臺。那么只能按照第二種方法，對軟件進行二次開發(fā)，使得產(chǎn)品的BOM與3D數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，然后再將其導(dǎo)入。這種方法只能夠?qū)朐O(shè)計階段中的一個版本。對于產(chǎn)品數(shù)據(jù)后續(xù)的版本維護只能靠人為完成，那樣在操作中難免會產(chǎn)生錯誤，影響項目的工作質(zhì)量。實際上，目前很少公司能夠達到協(xié)同的設(shè)計及制造環(huán)境。所謂協(xié)同的開發(fā)環(huán)境應(yīng)該是，整個產(chǎn)品開發(fā)團隊在同一個平臺內(nèi)完成設(shè)計的各個階段，每個零件在完成一個階段的設(shè)計后分別建立新的版本號，這樣會使得項目組所有的人都能夠觀察到每個人的工作進度，以及對自己設(shè)計范圍的影響。同樣，生產(chǎn)部門也可以將這個平臺與自己的數(shù)字化工廠做出接口，實時地觀察及跟進項目的進度，對與生產(chǎn)制造成本關(guān)系較大的設(shè)計問題給予及時的反饋，縮短產(chǎn)品實體驗證的時間，做到真正意義上研發(fā)部門與工藝部門的同步工程

　　另外，數(shù)字化工廠中所需要的產(chǎn)品數(shù)據(jù)都還要進行轉(zhuǎn)換。由于設(shè)計部門完成的3D文件包含信息過多，導(dǎo)致在打開多個文件時，對計算機的要求很高，而生產(chǎn)工程師實際上更多關(guān)心的是產(chǎn)品的安裝結(jié)構(gòu)及在整車中的位置。所以為了更好更輕便地瀏覽3D圖樣，對產(chǎn)品的數(shù)據(jù)都要進行輕量化處理。目前，國際上數(shù)字化工廠軟件應(yīng)用得較為廣泛的是西門子公司的Tecnomitix及達索公司Delmia，Tecnomitix公司是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為JT文件，而Delmia轉(zhuǎn)化的格式為CGR。轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)減少了很多沉贅的數(shù)據(jù)信息，對計算機的內(nèi)存及顯卡的要求都大大的降低。

二、工藝的建立

　　在工藝規(guī)劃的工作中，主要有三個任務(wù)，(1)根據(jù)質(zhì)量特性文件，分析每個零件的安裝方法；(2)工時分析，計算安裝零件時，每個工步的安裝工時；(3)工藝流程規(guī)劃，對每個單步操作進行安裝順序分析，并分配到每個工位。

1. 分析安裝方法

　　在分析零件的安裝方法時，數(shù)字化工廠可對零件的安裝進行仿真，方法是給出零件的安裝路徑，然后根據(jù)路徑進行仿真，仿真過程中使用干涉驗證的方法檢查裝配方法是否合理，最后會給出檢測的報告。圖1為對儀表板合裝工位的仿真案例。一般來講，零件的安裝方法都會以工藝卡片的文件形式來體現(xiàn)。在數(shù)字化工廠軟件中，并沒有對工藝卡片等進行集成，原因是考慮到每個主機廠的工藝卡片的內(nèi)容和排版形式都不同。所以如果要完成與工藝文件的集成，一般來講都需要對軟件進行二次開發(fā)，也就是對軟件進行客戶化處理。要使軟件更好地應(yīng)用到實際工作中，一些客戶化的定制是十分必要的。同時，數(shù)字化工廠支持e-Bop的功能，也就是以工藝部門為服務(wù)器，以生產(chǎn)車間、質(zhì)量等相關(guān)部門為客戶端，工藝部門直接在軟件中發(fā)布新產(chǎn)品或者新版本的工藝文件，車間直接通過訪問服務(wù)器了解文件的更改情況。使用這種方式代替原有的工藝文件打印后下發(fā)的模式，可以節(jié)約成本，而且更便于的管理。

2.工時分析

　　工時分析主要是對零件的安裝時間進行仿真計算。汽車的裝配主要是人的操作，所以工時主要是計算操作者對每個零件的工作時間。

　　數(shù)字化工廠技術(shù)的工時分析是以MTM(MethodsofTimeMeasurement)國際標(biāo)準(zhǔn)工時計算法則為核心基礎(chǔ)進行計算。MTM的計算方法是將工作或工作單元分解成基本動作。分解的動作主要包括：移動、放下、定向、裝配、使用、拆卸和精神準(zhǔn)備等動作要素，每個要素有多個值，通過調(diào)節(jié)因素，以便選擇合適的表格值。調(diào)節(jié)因素包括：重量、距離、物體尺寸，以及動作的難度等。然后合計動作的標(biāo)準(zhǔn)時間，得出工作的正常時間，最后在正常時間上加上寬放時間，得出標(biāo)準(zhǔn)工作時間。不過由于這種工時的計算方法比較繁瑣，比較不適宜在工作中使用，一般來講，每個汽車主機廠都該應(yīng)根據(jù)自己公司的工作實際情況，制訂一套工時的計算方法，用來簡化計算工時的工作量。同樣，數(shù)字化工廠軟件可以將每個公司自己的工時計算方法與軟件結(jié)合起來，這也屬于對軟件的客戶化處理。另外，數(shù)字化工廠軟件中會有一個工藝庫的概念，主要是儲存一些比較典型的安裝樣板。如，在現(xiàn)實生產(chǎn)中，安裝一個需要使用四個螺栓緊固的零件，它的工時為20秒。那么把這個工藝過程加入到工藝庫中，待有同樣的案例出現(xiàn)時，可以直接使用這個時間標(biāo)準(zhǔn)。

3.工藝流程分析

　　資源的建立是組建數(shù)字化工廠過程中工作量最大的部分。由于是使用3D仿真技術(shù)，那么對于所有的設(shè)備都必須有3D的模型。在完成模型的建立后，就需要將所有的設(shè)備按照圖紙進行布局。規(guī)劃員可以將規(guī)劃圖紙導(dǎo)入系統(tǒng)，將平面布置圖作為背景，將資源中包含的設(shè)備、人員、工具、工裝、夾具、鋼結(jié)構(gòu)和物料箱等相關(guān)資源布置到工廠相應(yīng)的位置。并且數(shù)字化工廠技術(shù)支持協(xié)同工作，每個工程師可以負責(zé)完成自己的生產(chǎn)區(qū)域的布局，最后再將所有的資源匯總。圖2為資源布局圖。

　　目前在工業(yè)技術(shù)先進國家，3D技術(shù)基本已經(jīng)成熟，設(shè)備供應(yīng)商基本都有能力提供3D圖樣。國內(nèi)的大多數(shù)設(shè)備供應(yīng)商廠家對這方面的能力還不夠成熟，但有很多公司已經(jīng)認識到3D圖樣的重要性，隨著工業(yè)水平的發(fā)展，相信在這方面的能力都會有很大的提升。

　　完成了產(chǎn)品的輸入、工藝的安排和資源的布局，那么下一步就是將工藝、產(chǎn)品與資源整合在一起。以工藝為核心，將產(chǎn)品和資源附在工藝上，做出生產(chǎn)線的裝配樹，從而進行裝配仿真模擬。在這一過程中，主要工作內(nèi)容包括裝配順序的規(guī)劃驗證、裝配運動驗證、干涉檢查和裝配工程仿真。裝配仿真模擬能夠清晰地看到每個工位做什么工作、涉及到什么產(chǎn)品，以及使用什么樣的資源。應(yīng)該說，能夠直觀地觀察到整個工廠的情況，大大地幫助規(guī)劃人員對模擬現(xiàn)場的分析從而做出更好的調(diào)整。當(dāng)所有的調(diào)整都結(jié)束后，數(shù)字化工廠軟件輸出整個工廠的工藝概況表。概況表的信息以工段和工位為單元，涵蓋了產(chǎn)品、工藝和資源全部信息。

四、人機工程

　　人機工程仿真模塊主要仿真人體在特定的工作環(huán)境下的一些行為變化，如動作的時間評估、工作姿態(tài)好壞的評估和疲勞強度的評估。系統(tǒng)可提供多種人體模型標(biāo)準(zhǔn)，可以詳細仿真工人在特定工作環(huán)境下的人機工程問題。系統(tǒng)提供多種人體建模標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)不同的人體模型輸入不同的參數(shù)，如性別、體重和身高。并且，建立關(guān)于人體模型的數(shù)據(jù)庫和良好的可視界面，進行人體模型主要屬性的設(shè)置，分析人體可觸及范圍。在仿真環(huán)境下，系統(tǒng)自動分析人力能夠包羅到的空間，分析人體可以觸及的范圍和動作時間，系統(tǒng)支持MTM工時定額評估標(biāo)準(zhǔn)，快速分析動作時間。同時，人體動作的控制由宏命令編譯。在仿真環(huán)境下，系統(tǒng)自動分析人雙眼包羅空間，分析人可以看見的范圍，提供多種的人體工程評估標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)支持包括：OWAS(工作姿態(tài)分析)、Burandt-Scheultets(抓取力分析)和NIOSH81/91(疲勞評估標(biāo)準(zhǔn))。實際上，數(shù)字化工廠的構(gòu)建如同建立一個實際工廠一樣，在建立初期需要投入大量的人力和物理，需要構(gòu)建工廠、車間、生產(chǎn)線以及設(shè)備的數(shù)字模型，一旦建立完成，就可以長期使用進行仿真。尤其對于驗證新車型是否在原有生產(chǎn)線生產(chǎn)的可行性分析，有極大地幫助。數(shù)字化工廠系統(tǒng)通過工藝規(guī)劃部門、產(chǎn)品研發(fā)部門、生產(chǎn)工程部門和生產(chǎn)車間的高度信息共享，實現(xiàn)各部門間的并行協(xié)同作業(yè)。同時，可以在產(chǎn)品的設(shè)計、規(guī)劃階段就預(yù)測整個產(chǎn)品的全生命周期的本質(zhì)行為，把潛在的問題解決在設(shè)計階段，從而避免時間和資金的問題。相信不久以后，數(shù)字化制造技術(shù)會成為提高企業(yè)和產(chǎn)品競爭力的重要手段。