数字化工厂技术与应用

1字数字化工厂技术及应用何其昌博士上海交通大学上海交通大学2010年03月08日数字化工厂系统构架2目录布局规划与仿真技术工艺规划技术仿真优化技术数字化工厂的实施与应用体会与总结数字化工厂技术——布局规划与仿真技术车间布局是将加工设备，物流设备，物料存储设备，通道精益元素等制造资源合理放置在一个有限空间内的过程；车间布局是影响企业及其产品竞争力的个重要因素合车间布局是影响企业及其产品竞争力的一个重要因素，合理的车间设备布局可以节约大量的物料运输费用，提高设备使用效率车间布局问题特点：¾不同于一般的几何布局问题，单纯的几何约束；¾除了空间利用率还需要考虑系统的物流问题¾除了空间利用率，还需要考虑系统的物流问题；¾其他定性定量条件：物流关系，功能关系以及某些特定的约束关系等；3业界证明，数字化工厂布局与仿真工具是辅助新厂建设以及车间改造中有效的工具；在三维的交互虚拟环境中可视化车间布局的各类元素在三维的交互虚拟环境中，可视化车间布局的各类元素，提供布局优化与评估的工具；往往需要与物流仿真，加工仿真结合起来，综合进行工厂布局的优化与评估；数字化工厂技术—三维布局规划与仿真流程4布局规划与仿真实施过程建立车间厂房，物流通道等的数字模型——空间约束建立所有制造资源的三维数字化模型，并通过数据库进行管理；行管理；根据工艺规划，对制造资源进行布置；在三维环境下进行初始评估；进行加工仿真分析，分析设备空间是否足够，物料空间是否合适等，以提供优化依据；进行物流仿真分析，对初始布置方案进行物流仿真分析，分析物流是否阻塞，设备的利用率是否合理等；以提供布局优化依据；三维的布局规划软件¾VRFlier——SanyDemo(基本功能)¾UGSplantlayout¾Delmialayoutplanning5目录布局规划与仿真技术工艺规划技术仿真优化技术数字化工厂的实施与应用体会与总结数字化工厂技术——工艺规划工艺规划是产品设计与制造之间的桥梁，将产品的设计信息转换为制造信息；工艺规划技术是数字化工厂系统中的核心技术工艺规划技术是数字化工厂系统中的核心技术；主要分为加工工艺与装配工艺数字化工艺规划是在三维数字环境下对产品的工艺进进行规划；制定产品的艺路线时定额成本核算以代制定产品的工艺路线，工时定额，成本核算以及NC代码生成等；加工装配顺序、资源分配（机床、刀具、工装，人员），加工参数等；6数字化工厂技术——工艺规划传统采用CAPP二维文档系统完成加工与装配工艺设计由工艺设计人员，通过阅读大量二维产品图纸和技术要求在头脑中抽象三维装配空间设计加工与装配顺序求，在头脑中抽象三维装配空间、设计加工与装配顺序，最终以加工与装配指令等纸制文件，用平面方式表述、发布工艺设计周期长，对工艺人员抽象思维能力、工作经验等要求较高，工艺设计难以保证高质量传统工艺规划系统——缺陷现有CAPP系统基于二维设计模式开发。不能充分利用上游三维CAD数据；现在的工艺设计系统不能处理设计三维模型工艺人员现在的工艺设计系统不能处理设计三维模型，工艺人员只能采用截图、拷屏等常见技术手段利用这些数据；对制造资源的描述是二维，二维设计模式对工艺设计人员来说，不可能考虑到到每一个具体的装配细节，传统2维工艺设计平面化导致工艺设计过程对细节设计淡化7传统工艺规划系统——缺陷目前CAPP缺少工艺设计优化功能目前CAPP无法进行三维工艺设计验证现有工艺设计环境不具备三维工艺验证能力，致使装配中产品与工装协调性、装配顺序合理性、操作空间是否开敞等一系列问题只能在生产试制阶段才能暴露出来，造成大量设计更改，从而影响产品研制的进度和质量。目前CAPP数据输出结果单一，仅为二维卡片式工艺文档数字化工厂技术——三维工艺规划设计定义产品加工制造特征：基本特征与复合特征建立加工方法库：建立企业典型加工方法库产品特性+企业特征工艺知识库：典型零件制造工艺，结构工艺，工艺路线制定方法工艺资源库工具，零件，设备，产品，操作等工艺规划结果：PERT图，GANT图，工作计划8数字化工厂技术——工艺规划工艺文档：客户化分析报告（工时，成本，生产率，设备利用率），PERT图，GANT图，操作手册，加工指令等三维工艺设计流程在三维环境中，通过人机交互的方式设计工艺¾导入零件毛坯和零件几何三维模型¾添加尺寸公差、形位公差，粗糙度信息等工艺要求¾通过人机交互为每道工序定义所需要的机床，刀具，夹具等资源的定义¾基于资源库与加工知识库推理相应的加工策略及所需要的资源；¾生成加工与装配工序，刀具轨迹，装配路径等；9三维环境下的工艺规划三维环境下的加工工艺验证——加工仿真在三维环境下对加工工艺过程进行仿真，仿真工艺路线，刀具切换，装夹过程等；通过分析加工时间，加工成本，加工路线，评估加工工通过分析加工时间，加工成本，加工路线，评估加工工艺的合理性；优化与设计加工工艺；10三维环境下的装配工艺验证——虚拟装配工艺路线在三维虚拟环境下进行验证，可以分析在工具，夹具，以及操作者等工位环境的工艺可行性；通过人机动作分析装配路径装配顺序评价装配过程通过人机动作分析装配路径，装配顺序，评价装配过程的合理性与有效性；设计与优化装配顺序与路径目录布局规划与仿真技术工艺规划技术仿真优化技术数字化工厂的实施与应用体会与总结11数字化工厂技术——仿真优化生产线仿真：物流，工时，线平衡单元仿真：加工仿真，装配仿真人机工程仿真：人体在特定工作环境下的行为数字化工厂技术——物流仿真传统的物流规划采用二维方式，主要基于工业工程师的经验在三维环境下对物流仿真逻辑进行建模，主要分析工位装配任务分配的合理性，物流路径规划的合理性，物流设备的分配以及利用率配的合理性，物流路径规划的合理性，物流设备的分配以及利用率等，从而评价和优化物流规划方案；是工厂布局规划与仿真的辅助工具之一；基于建立的物流仿真模型，可以参数和调整物流方案，实时获得仿真结果；12建立物流仿真模型工艺流程的整理：工艺工步，操作时间，关联资源等；物流元素建模：加工设备，操作者，物流设备等；物流逻辑建模：物流设备的控制逻辑；加工装配工艺逻辑；物料关联逻辑等；模型参数化调整接口；仿真结果报表定制物流仿真技术13目录布局规划与仿真技术工艺规划技术仿真优化技术数字化工厂的实施与应用体会与总结利用企业现有条件——三一集团CAD软件Pro/E进行产品设计，基本实现了产品的参数化设计CAE软件对产品的数字模型进行功能仿真分析，优化产品设计制造技术方面，数控设备的广泛使用使加工制造逐步实现自动化建立了以基于SAP的ERP系统基于Wihill的PDM系统以及自主开发建立了以基于SAP的ERP系统、基于Winchill的PDM系统以及自主开发的ECC系统为核心的IT构架，并融入到企业的日常生产与管理工作中目前集团内部全面启动MES信息系统建设，实时采集车间底层信息与控制实际生产14需求分析理解了不同业务部门，不同角色的人员对数字化工厂期望不同，还需要深入调研角色关注点公司领导合理规划，提高产能，降低成本，实现精益生产设计工程师产品，夹具的设计与生产线现场结合，保证可制作性和可装配性规划工程师可视化工具简化工艺规划过程，混线工艺规划，辅助进行生产线的调整与优化生产工程师制造过程得到监控和管理，改善工艺、控制和物流部门之间的交流信息工程师不同部门的信息交流，实现制造资源共享，提高工作效率数字化工厂的实施与应用——难度对企业各方面的影响巨大，往往需要流程重组：¾产品设计方面：数字模型¾组织结构方面：小组化和扁平化，动态结构织结构方面小扁平动结构¾管理方面：远程协同设计与管理¾技术方面：各种先进制造技术和方法的综合应用¾人的方面：专业知识+信息技术涉及生产，设计，物流，管理，IT部门等业务单位以及多领域的技术人员¾产品工程师¾产品工程师¾时间分析工程师¾工艺规划工程师¾仿真分析工程师¾工装夹具设计工程师15实施难度信息量巨大并且类型复杂造成数据管理困难：多层仿真层次，不同仿真目的，需要对物流，装配，加工等点方案进行独立仿真并在统的可视化环境进行结果分析案进行独立仿真，并在统一的可视化环境进行结果分析各企业数字化技术应用基础不一，需要进行合理配置；需要全面的数字化设计为基础：产品数字化设计管理平台与制造数字化平台不完全兼容（PTC，Dassult，UGS）实施建议选择成熟的软件提供商和被业界证明可靠的解决方案采取先点后面、循序渐进的实施策略，不要一下铺得太大¾密切联系企业实际实施相应的数字化工厂项目¾密切联系企业实际，实施相应的数字化工厂项目；¾根据企业资源条件，开展点仿真方案；在PLM体系框架的指引下开展实施工作重视实施人员的培养16谢谢！