基于數(shù)字化工廠的車間仿真布局研究

劉文博 梁惠子

摘 要：數(shù)字化工廠依據(jù)既定工藝進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，克服了傳統(tǒng)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在困難和問題，將成為生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃的重要輔助手段之一，已在重機(jī)、汽車、船舶等多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠；車間布局；生產(chǎn)仿真

引言

虛擬工廠技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理等多個(gè)環(huán)節(jié)中的仿真與分析提供了支持，成為企業(yè)信息化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，近年來以數(shù)字化技術(shù)支撐的虛擬仿真技術(shù)則給虛擬工廠仿真提供了更為有效的技術(shù)和工具。

它不但表現(xiàn)在產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)過程的數(shù)字化，還表現(xiàn)在實(shí)際制造過程的數(shù)字化、實(shí)體與虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)的一體化。為今后的虛實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)融合和一體化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 數(shù)字化工廠技術(shù)

數(shù)字化工廠是以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)虛擬制造原理，在虛擬環(huán)境中，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、優(yōu)化和重組的新的生產(chǎn)組織方式。廣義的數(shù)字化工廠系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看到，數(shù)字化工廠技術(shù)在規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括工藝規(guī)劃、物流規(guī)劃和布局規(guī)劃3大模塊。

a.工藝規(guī)劃主要用于分析產(chǎn)品的加工工藝和裝配工藝，將所有工藝數(shù)據(jù)數(shù)字化集成，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，以三維工藝資源庫取代現(xiàn)有的二維CAPP系統(tǒng)，目前僅處于探索應(yīng)用階段[1]。

b.物流規(guī)劃是指在三維環(huán)境下對物流仿真邏輯進(jìn)行建模，以分析工位設(shè)置和物流路徑 的合理性，計(jì)算物流設(shè)備的利用率，為物流系統(tǒng)的優(yōu)化提供建議。

c.工廠布局規(guī)劃包括現(xiàn)有廠房的布局優(yōu)化以及新建廠房的布局規(guī)劃，它在虛擬環(huán)境中以三維交互式的方式直觀展現(xiàn)廠房實(shí)景，并作為布局評估與優(yōu)化的工具。

目前，布局規(guī)劃模塊是數(shù)字化工廠的應(yīng)用重點(diǎn)，它以靜態(tài)工廠布局仿真為表現(xiàn)形式。許多優(yōu)秀企業(yè)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)表明，這種先進(jìn)的規(guī)劃理念能很好地輔助改造現(xiàn)有車間布局和規(guī)劃新建廠房[2]。

2 基于數(shù)字化工廠的車間規(guī)劃

數(shù)字化工廠中的規(guī)劃是基于數(shù)字化工廠技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)字化工廠技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的設(shè)計(jì)、制造、裝配、質(zhì)量控制和檢驗(yàn)等功能，可在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化，從而解決由產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到制造現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)化過程，并大大縮短從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換時(shí)間[3]。

布局仿真的實(shí)施思路為：將二維工藝布局圖輸入至三維布局工具，或直接根據(jù)設(shè)計(jì)者已有思路進(jìn)行三維布局；已有的模型直接從數(shù)字模型庫中提取，然后按照布局約束關(guān)系，進(jìn)行落位，并在仿真平臺(tái)中展示。在實(shí)施的過程中需不斷完善、充實(shí)三維數(shù)字化模型庫。

3 基于數(shù)字化工廠的車間布局

3.1 工藝布局圖

數(shù)字化工廠是對二維工藝布局的三維展現(xiàn)，因此，工藝布局圖是數(shù)字化布局規(guī)劃實(shí)施的基礎(chǔ)；同時(shí)，工藝布局圖的定稿是一個(gè)反復(fù)修改的過程，它需要借助于數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行評審 和改善，因而，它又是數(shù)字化布局規(guī)劃改善的對象。

3.2 三維數(shù)字模型庫

三維模型是靜態(tài)工廠仿真的基礎(chǔ)，其最大優(yōu)勢在于可以直觀呈現(xiàn)三維造型，便于交互式訪問。實(shí)施數(shù)字化工廠，有大量的三維數(shù)字模型需要調(diào)用和處理，因此，應(yīng)首先建立所有元 素（廠房、外景、設(shè)備、工裝、貨架和6S等）的數(shù)字模型庫。

3.3 布局落位

完成工藝布局圖的輸出和數(shù)字模型庫的建立后，便可著手在Creator中進(jìn)行布局落位，將分散的單個(gè)模型集成到一個(gè)文件中，得到三維視景文件，整體呈現(xiàn)廠房的三維場景。

3.4 仿真平臺(tái)

實(shí)施數(shù)字化工廠布局的主要目的，是為工藝人員、廠房設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)能實(shí)現(xiàn)三維交互式漫游的仿真平臺(tái)。

仿真平臺(tái)是一款虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，它將單個(gè)視景文件集成到一起，結(jié)合其自身的控制邏 輯，實(shí)現(xiàn)漫游。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代制造企業(yè)面臨著諸如生產(chǎn)線規(guī)劃、制造工藝規(guī)劃、物流規(guī)劃等方面問題的挑戰(zhàn)，數(shù)字化工廠作為現(xiàn)代制造領(lǐng)域新的研究方向，提供了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)規(guī)劃到產(chǎn)品下線整個(gè)過程，是對整個(gè)項(xiàng)目各項(xiàng)性能評估分析的有效工具。但是數(shù)字化工廠在國內(nèi)的研究還有很多局限，與國外的差距還很大，另外數(shù)字化工廠是一個(gè)復(fù)雜而且龐大的系統(tǒng)，本文探討的內(nèi)容只是在基礎(chǔ)應(yīng)用層面上的滄海一粟，還有更多的問題值得去探討。

參考文獻(xiàn)

[1]趙榮泳，張浩，樊留群，等.數(shù)字化工廠與虛擬制造的關(guān)系研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2004，10：46-50.

[2]王瑩，張浩，馬玉敏.數(shù)字化工廠工藝規(guī)劃系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005（9）：88-89.

[3]季金花，陸劍峰，朱志浩，等.數(shù)字化工廠技術(shù)在汽車制造企業(yè)布 局 規(guī) 劃 中 的 應(yīng) 用研究[J].汽 車 工 程，2009，31（11）：1104-1107.

（作者單位：沈陽工學(xué)院）