基于數字化工廠的車間仿真布局研究

劉文博 梁惠子

摘 要：數字化工廠依據既定工藝進行運動仿真，克服了傳統生產系統設計存在困難和問題，將成為生產系統規劃的重要輔助手段之一，已在重機、汽車、船舶等多個行業得到應用。

關鍵詞：數字化工廠；車間布局；生產仿真

引言

虛擬工廠技術為產品設計、制造、管理等多個環節中的仿真與分析提供了支持，成為企業信息化的基礎技術之一，近年來以數字化技術支撐的虛擬仿真技術則給虛擬工廠仿真提供了更為有效的技術和工具。

它不但表現在產品及工藝設計過程的數字化，還表現在實際制造過程的數字化、實體與虛擬生產系統的一體化。為今后的虛實生產系統融合和一體化提供了技術基礎。

1 數字化工廠技術

數字化工廠是以產品全生命周期的相關數據為基礎，根據虛擬制造原理，在虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、優化和重組的新的生產組織方式。廣義的數字化工廠系統的架構如圖1所示。

從圖1可以看到，數字化工廠技術在規劃領域的應用主要包括工藝規劃、物流規劃和布局規劃3大模塊。

a.工藝規劃主要用于分析產品的加工工藝和裝配工藝，將所有工藝數據數字化集成，實現人機互動，以三維工藝資源庫取代現有的二維CAPP系統，目前僅處于探索應用階段[1]。

b.物流規劃是指在三維環境下對物流仿真邏輯進行建模，以分析工位設置和物流路徑 的合理性，計算物流設備的利用率，為物流系統的優化提供建議。

c.工廠布局規劃包括現有廠房的布局優化以及新建廠房的布局規劃，它在虛擬環境中以三維交互式的方式直觀展現廠房實景，并作為布局評估與優化的工具。

目前，布局規劃模塊是數字化工廠的應用重點，它以靜態工廠布局仿真為表現形式。許多優秀企業的實施經驗表明，這種先進的規劃理念能很好地輔助改造現有車間布局和規劃新建廠房[2]。

2 基于數字化工廠的車間規劃

數字化工廠中的規劃是基于數字化工廠技術實現的，數字化工廠技術是利用計算機和網絡實現產品生命周期中的設計、制造、裝配、質量控制和檢驗等功能，可在計算機虛擬環境中對整個生產過程進行仿真、評估和優化，從而解決由產品的設計到制造現實的轉化過程，并大大縮短從設計到生產的轉換時間[3]。

布局仿真的實施思路為：將二維工藝布局圖輸入至三維布局工具，或直接根據設計者已有思路進行三維布局；已有的模型直接從數字模型庫中提取，然后按照布局約束關系，進行落位，并在仿真平臺中展示。在實施的過程中需不斷完善、充實三維數字化模型庫。

3 基于數字化工廠的車間布局

3.1 工藝布局圖

數字化工廠是對二維工藝布局的三維展現，因此，工藝布局圖是數字化布局規劃實施的基礎；同時，工藝布局圖的定稿是一個反復修改的過程，它需要借助于數字化平臺進行評審 和改善，因而，它又是數字化布局規劃改善的對象。

3.2 三維數字模型庫

三維模型是靜態工廠仿真的基礎，其最大優勢在于可以直觀呈現三維造型，便于交互式訪問。實施數字化工廠，有大量的三維數字模型需要調用和處理，因此，應首先建立所有元 素（廠房、外景、設備、工裝、貨架和6S等）的數字模型庫。

3.3 布局落位

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

3.4 仿真平臺

實施數字化工廠布局的主要目的，是為工藝人員、廠房設計人員提供一個能實現三維交互式漫游的仿真平臺。

仿真平臺是一款虛擬現實軟件，它將單個視景文件集成到一起，結合其自身的控制邏 輯，實現漫游。

4 結束語

現代制造企業面臨著諸如生產線規劃、制造工藝規劃、物流規劃等方面問題的挑戰，數字化工廠作為現代制造領域新的研究方向，提供了產品從設計規劃到產品下線整個過程，是對整個項目各項性能評估分析的有效工具。但是數字化工廠在國內的研究還有很多局限，與國外的差距還很大，另外數字化工廠是一個復雜而且龐大的系統，本文探討的內容只是在基礎應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

[1]趙榮泳，張浩，樊留群，等.數字化工廠與虛擬制造的關系研究[J].計算機集成制造系統，2004，10：46-50.

[2]王瑩，張浩，馬玉敏.數字化工廠工藝規劃系統的研究與開發[J].組合機床與自動化加工技術，2005（9）：88-89.

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

（作者單位：沈陽工學院）