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制造业的变革:数字化工厂与虚拟实现技术




近年来,高技术产业在我国制造业增加值所占的比重呈下降趋势,制造业产业结构亟待调整。我国制造业与发达国家相比,创新能力不强,高新技术方面仍然处在追赶状态,许多关键的核心技术还没有掌握,制造业综合竞争力较弱,总体上处于国际分工和产业链的中低端。目前,我国高技术产业占制造业的比重大约是美国的三分之一,我国制造业产业结构有待优化,数字化制造在制造业中的比重亟待提高。

在当前复杂的国际国内环境下,为提升我国制造业在全球产业价值链中的地位,解决制造业大而不强的问题,必须促进从工业大国向工业强国的转变。从传统生产方式向数字化生产方式转变,跨越难度大,面临严峻困难。

在数字化技术和制造技术融合的背景下,并在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下,根据用户的需求,迅速收集资源信息,对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组,实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造,进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程。

虚拟制造技术的广泛应用将从根本上改变现行的制造模式,对相关行业也将产生巨大影响,可以说虚拟制造技术决定着企业的未来,也决定着制造业在竞争中能否立于不败之地。

什么是虚拟制造?

虚拟现实(VirtualReality)技术是使用感官组织仿真设备和真实或虚幻环境的动态模型生成或创造出人能够感知的环境或现实,使人能够凭借直觉作用于计算机产生的三维仿真模型的虚拟环境。基于虚拟现实技术的虚拟制造(VirtualManufacturing)技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程进行集成,它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。其目的是在产品设计阶段,借助建模与仿真技术及时地、并行地、模拟出产品未来制造过程乃至产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响,预测、检测、评价产品性能和产品的可制造性等等。从而更加有效地、经济地、柔性地组织生产,增强决策与控制水平,有力地降低由于前期设计给后期制造带来的回溯更改,达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。

虚拟制造(VM)是国际上提出的新概念。VM与AM联系密切。VM的特征是:当市场新的机遇出现时,组织几个有关公司联作,把不同的公司,不同地点的工厂或车间重新组织协调工作。在运行之前必须分析组合是否最优,能否协调运行,以及投产后的效益和风险进行评估,这种联作公司称虚拟公司。虚拟公司在一定的环境和条件下通过虚拟制造系统运行,包括物理基础、法律保障、社会环境和信息技术。因此研究开发虚拟制造技术(VMT)和虚拟制造系统(VMS)意义重大,美国称AM为21世纪制造业发展战略。

虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之前,首先在虚拟制造环境中生成软产品原型(SoftPrototype)代替传统的硬样品(HardPrototype)进行试验,对其性能和可制造性进行预测和评价,从而缩短产品的设计与制造周期,降低产品的开发成本,提高系统快速响应市场变化的能力。虚拟企业是为了快速响应某一市场需求,通过信息高速公路,将产品涉及到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性,即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。

数字化给制造业带来什么?

几年前,数字化工厂在人们的脑海中还仅仅是个梦想,而今天,它已经真切地实现了。它不仅能够使制造充满灵活性,而且提高了资金效率,减少新产品上市时间,因而使企业能够以有竞争力的价格提供优质的产品。

利用数字化工厂技术,整个企业在设计之初就可以对工厂布局、产品生产水平与能力等进行预规划,帮助企业进行评估与检验。同时,数字化工厂技术的应用使得工厂设计不再是各部门单一地流水作业,而是各部门成为一个紧密联系的有机整体。

利用数字化工厂技术,能够对产品设计、产品原料、生产过程等进行严格把关,统筹安排,降低设计与生产制造之间的不确定性,从而提高产品数据的统一性,方便地进行质量规划,提升质量水平。

数字化工厂平台可以将工厂及其相关价值链上的厂商用统一的平台联系起来,比如,汽车工业就有很多相关产业--汽车音响、汽车座椅、车灯等等的供应商。这样做的好处是,除了生产标准品外还可以根据客户订单生产客制化产品,而所用的生产时间与标准品不相上下。宝马的销售员根据客户要求向工厂下订单的同时,供应商也会得到一份相应的原料采购订单,自动化的物流系统可以将装配所需的原料自动送到装配员的手上。

这种灵活性也体现在工厂的设计之初。整个工厂的设计中不再是研发、流程、机械、电气、自动化、行政各自为战,而是连成了一个可以无缝集成的模块化整体,各个模块处在相同的数据传输平台,不再有部门间的鸿沟。基于整个工厂的整体设计,各个模块的实施不需要按照时间顺序进行,而是可以同时建造,极大缩短了建厂周期。

过去的工厂是根据研发出来的产品设计方案来决定生产流程,并按序生产,一旦产品发生变化,工厂里的一切都需要改变。数字化工厂的模块化设计改善了这种情况,你只需要随时调出设计图,修改或虚拟某一个工艺段,就可以在不影响其他工艺段的情况下完成改变,甚至可以不花一分钱虚拟出整个生产流程,并看到其中可能存在的问题。

数字化工厂能够根据市场需求,实现产品设计、制造工艺设计、产品仿真、虚拟试生产等多个环节的数字化,即无需投资制作样品,也可模拟未来产品,并预见生产这件产品时可能遇到的问题,这可以最大限度上节约研发的时间和费用。

虚拟制造将大量用于汽车生产

借助虚拟现实技术建立的3维汽车模型,可显示汽车的悬挂、底盘、内饰直至每一个焊接点,设计者可确定每个部件的质量,了解各个部件的运行性能。这种三维模型准确性很高,汽车制造商可按得到的计算机数据直接进行大规模生产。

在戴姆勒—克莱斯勒公司耗资巨大的梅赛德斯汽车设计中心里,设计人员可在该中心提供的“虚拟现实中心”的虚拟环境中进行工作,车身设计师可以在这里检查车体的线条和轮廓,检测车身表面的光洁度,分析汽车的空气动力学性能等。

日产利用虚拟现实技术,模拟生产线上的过程,它使用虚拟工具,虚拟机械手和虚拟雇员(穿着与日产汽车工人一样的蓝色制服),利用数据库中已经存在的CAD信息模拟一种虚拟的生产线,使各生产过程中的不同问题呈现出来。

虚拟试验技术作为虚拟制造技术的一个环节,在汽车空气动力学及汽车被动安全性研究中正得到越来越广泛的应用,汽车被动安全性研究包括车身抗撞性研究、碰撞生物力学研究以及乘员约束系统和内饰件的研究。

虚拟现实技术正渗入汽车工业的各个领域,如汽车的虚拟造型、虚拟设计、虚拟工艺制造、虚拟试验、虚拟装配等,它不仅为汽车开发人员创造了更为自由得工作环境,而且,从根本上动摇了一系列被视为经典的汽车产品开发理论和原则。虚拟现实技术的推广和应用将使汽车工业的思想概念、开发方式、部件供应、组织形式、市场竞争及人才培训方面产生全方位的创新和变革。在虚拟现实技术的未来发展中,虚拟汽车和真实汽车之间的界线会变得越来越模糊。

随着虚拟实现技术的成熟发展,这种数字化的制造模式将大规模应用到汽车生产中,结合现场的高度自动化设备,实现了制造流程的优化,未来的制造将变得更简单和直接。只要在电脑里输入要制造产品的图纸,就可以通过制自动化设备进行生产出来,过程不再需要大量的工人。

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