數字化工廠技術在汽車發動機制造企業中的應用

黃大泛

摘要： 在當前的數字化工廠技術快速發展的過程中將其應用在發動機制造企業中，對提高企業的管理和發動機的生產效率有積極幫助。數字化工廠技術目前已經成為各大制造企業所使用的主流技術之一。以下本文將主要就數字化工廠在汽車發動機制造企業中的應用要點展開分析，以期為相關行業工作人員進一步了解數字化工廠的應用方法提供些許參考。

Abstract： In the current process of rapid development of digital factory technology， its application in engine manufacturing enterprises is of positive help to improve enterprise management and engine production efficiency. Digital factory technology has become one of the mainstream technologies used by major manufacturing enterprises. In the following， this paper will mainly analyze the application points of digital chemical plant in automobile engine manufacturing enterprises， in order to provide some reference for relevant industry staff to further understand the application methods of digital chemical plant.

關鍵詞： 發動機;數字化制造;生產線技術

Key words： engine;digital manufacturing;production line technology

中圖分類號：U463.99? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0173-03

0? 引言

隨著時代的發展，產品的更新換代速度以及設計效率也在不斷的縮短，各個企業為了更好地適應市場發展需求，均在不斷的提升自身的生產能力以及生產質量。尤其是隨著信息技術以及物聯網等新型技術的發展和應用，各個制造技術也逐漸朝著自動化、智能化方向發展，企業也想通過最快的速度以及最低的成本來生產高質量的產品以求在經濟市場中站穩腳跟。但即使如此，雖然各個企業加強了對新技術的引進，但由于缺乏集成管理，沒有完全的對生產設備自動化以及管理系統的整合，導致并沒有完全發揮智能技術的優勢作用。而通過構建數字化工廠則不僅可以實現各項數據的利用共享，而且還可以通過對數據的交換、加工、處理來直接促進生產效率的提升和管控能力，進而為提升企業的核心競爭力。

1? 數字化工廠技術概述

1.1 定義

所謂的數字化工廠就是以產品以及服務全生命周期相關信息數據作為基礎，然后借助計算機虛擬環境實現對整個生產的仿真、評估以及優化，為此，數字化工廠又被稱為虛擬工廠。通過數字化工廠的建設不僅可以提升整個生產系統的優化，而且還可以通過網絡技術的應用來實現對各個業務數據的交流，進而實現虛擬制造并對實際生產流程等進行調整，降低失誤發生幾率，實現整個生產的數字化、智能化。數字化工廠具有狹義與廣義兩種概念，在廣義中，企業是工廠的核心部分，其中包括了核心企業與有緊密關系的成員，這是一個可以將信息數字化的動態組織。廣義的數字化則更為全面，不僅包括前期的市場需求、產品設計以及生產加工的數字化，而且還包含了企業管理的數字化。通過數字化工廠的應用則可以對實際生產進行映射，進而在最短時間內生產出滿足客戶需求的高質量產品，進而提升產品質量、生產質量各項性能，總之，廣義的數字化工廠包含了所有生產活動可能涉及的范圍，主要有原料供應、制造企業以及銷售部門等。在狹義化中制造資源，生產操作和產品是工廠的核心內容，將數字化產品設計數據運用在制造系統的虛擬現實環境當中，對生產過程中進行計算機仿真與優化的虛擬制造方式。本文中提到的數字化工廠主要指狹義數字化工廠。數字化工廠出現對以往運用的設計理念產生了深遠影響，它將工作經驗和手工式設計規劃轉換為計算機輔助數字仿真與優化的精確可靠的規劃設計，這種轉化方式在時間，質量和成本等幾個方面中發揮出非常重要的作用;較以往相比工藝過程中花費的時間減少了，生產準備周期縮短。規劃質量和變形生產效率得到了提升，確保產品數據一致性，對生產線的配置進行和優化，減少物理原型的使用，更改工程規模，設備人員的使用正在逐漸減少。

1.2 數字化工廠的基本功能

數字化工廠系統在穩定的“輸入”、“控制”、“機制”的綜合作用下形成“數碼工廠”，使得規劃工程師、工藝工程師以及工業工程師可以在一種全新的虛擬環境中，進行數字化產品的虛擬加工和仿真分析。由于數字化工廠平臺是以全信息模型為基礎的眾多仿真分析軟件的集成，包括力學、熱力學、動力學、運動學等可制造性分析，因而具有以下主要功能：①虛擬生產環境布局：根據產品的工藝特征、生產場地、制造資源等信息，三維仿真生產環境，并允許用戶根據自己的需求交互式地修改相關布局，對生產進行動態模擬;②虛擬零件加工過程：能夠模擬零件加工過程中被加工零件和刀具的溫度、力學、金相組織等物理化學性質的變化，并結合這些環境因素對零件的加工工藝、刀具設計和刀位軌跡等進行優化;③虛擬產品裝配過程：三維仿真產品的裝配過程，并允許用戶交互式地控制產品的裝配過程，以檢驗產品的可裝配性;④集成制造系統的產品、操作和資源：可以采用某種方式將制造系統具有的資源電子化，結合實際情況采取集成方式對這些資源進行管理，在虛擬環境當中模擬生產過程信息流物流以及各種外在因素，為系統仿真優化提供幫助，推動數字化工廠發展[1]。

1.3 數字化工廠虛擬環境中的生產線規劃內容及流程

①規劃內容。數字化工廠所模擬的是生產線集成制造環境，其具體的虛擬規劃內容主要包括以下幾方面：其一是生產線總體初步規劃。根據總體生產目標和工藝類型，明確相應的生產節拍，然后選擇與之匹配的加工設備，并設定符合工藝要求的設備參數。與此同時，還要考慮到生產車間現場的空間特征，對設備放置形式進行布置規劃。后續一系列的模型運行，均要在上述基礎條件下完成。其二是設備分析。主要目的是為了檢驗所設定的設備參數等數據是否合理，比如動作順序、零件裝配方式等。通過在數字化虛擬環境中運行設備，還可以進行設備故障問題的分析，詳細了解設備故障頻率、生產任務進度等，從而提供參考，可以考慮重新進行設備參數的設置，甚至是更換設備，以達到生產線合理規劃的目的[2]。

②規劃流程。在虛擬環境當中對生產線進行規劃需要注意以下幾點，首先需要以生產計劃和工業內容等資料作為工作基礎，在虛擬環境中以參數為標準構建生產線模型運行仿真，探究仿真結果，根據結果找出生產過程中存在的問題，重新配置參數，并調整規劃流程，再次進行仿真運行，反復進行此項操作，直到獲得令人滿意的生產線規劃方案。

1.4 數字化工廠關鍵技術

第一，數字化建模技術。該技術主要是數字化工廠通過采用合理的建模方式來對建模結構進行分析和優化，然后建立其科學的企業模型為企業的信息系統的構建提供條件。數字化建模主要是通過計算機技術來實現數字化描述、存儲以及產品外觀、性能等信息的表達，然后在通過計算機軟件系統進行數字仿真分析，精準的對真實情況進行反應，為后期工作的開展創造良好的條件。第二，數字化仿真技術。作為虛擬制造的基礎，數字化仿真技術主要是通過計算機技術來營造出一個虛擬的制造環境，雖然此環境是一個虛構的環境，但是可以起到以假亂真的作用，最為重要的是，人們可以在這個虛擬的環境中進行一些交互行為，并且該環境還可以及時的做出反應。對于數字化工廠而言，虛擬其實是整個工廠真實環境的映射，雖然是客戶不存的但是可以實際制造出來。并且數字化仿真技術可以真實的展現出各設備、流水線等的內部結構，并通過內部漫游、自動畫播放等進行逐一展示，進而提升產品設計的質量以及效率。第三，虛擬現實技術。隨著科技的進步，虛擬現實技術逐漸被應用在各個領域中，而數字化工廠通過應用該技術，尤其是在產品設計環節中，通過該技術的應用可以讓相關人員有一種身臨其境的感受，進而全面的了解產品設計情況，節省大量的設計時間和成本。通過虛擬現實技術的應用，極大的方便了產品的設計和開發，進而促進了生產流程的優化。第四，應用生產技術。通過建模技術數字化工廠以及制定出了一個較為完善的生產方案，包括了產品的設計、制造以及生產各個環節。而在自動化生產模式下，數字化工廠在應用生產技術時必須要結合自身的發展情況，有針對性的進行生產活動，進而提升生產

水平。

2? 數字化工廠技術在汽車發動機制造要點

2.1 刀具壽命管理

在刀具壽命管理過程中，可以將CNC機臺運行時所使用的刀具，以CNC完成位置綁定，然后建立完善的數據庫對每一件產品需要使用的刀具次數和使用壽命數值進行設定。利用CNC加工產品的數量對每把刀具的使用壽命進行準確計算，一旦道具的使用次數即將達到設定的極限值時，系統會提前進行警示。而刀具使用次數達到極限數值時，系統會發出報警，提示操作人員確認刀具是否需要更換。這樣可以確保刀具使用的安全性與持續性，防止刀具存在問題而影響發動機生產制造效率[4]。

2.2 倉儲管理

在整條生產線中，半成品以及產品都要進入到線邊倉儲庫位暫存，該系統在運行過程中可以對線邊倉儲庫進行有效管理，主要從以下方面開展管理工作：

第一，入庫管理。半成品或者成品進入到倉儲庫位后，生產線系統可以對產品成品的類型、產品加工狀態、已經完成的加工工序以及進入倉儲庫的時間等信息進行自動標定。包含功能如下：入庫管理、庫位管理、出庫管理、在庫監控、在庫查詢。

①入庫管理：半成品或者成品進入倉儲庫位，系統自動標定產品成品的類型、產品加工狀態、已完成加工工序、入倉儲庫時間等信息;

②暫存管理：系統按照產品成品的類型、產品加工狀態、已完成加工工序、入倉儲庫時間等條件，對其進行存儲庫位分配，將產品成品送入系統編制制定的庫位暫存;

③出庫管理：當產品半成品或者產品根據系統排產進入生產或者產品半成品或產品加工工序完成，需要出線進行其他工序的加工時，系統根據其所在的庫位信息，將該批次的半成品調出倉儲庫位。產品的半成品或者產品出庫管理，可以采用先進先出的原則，系統根據產品進入庫位時間決定產品半成品或產品的生產優先級;

④在庫監控：系統會根據產品進出庫位的信息，定時進行系統刷新在庫存儲的產品半成品或者成品進行監控，并實時將信息反饋，操作人員可以通過整線的信息顯示屏，獲取目前實時的倉儲信息;

⑤在庫查詢：系統記錄每個倉儲位置對應產品半成品或者成品的在庫信息，可通過系統對其進行查詢。當實際情況與系統數據有誤時，可通過對其進行修改更新。

第二，暫存管理。完成產品標定工作后，系統可以按照標定的信息完成存儲庫位分配工作，并且將產品成品送入到系統編制的庫位進行暫存。

第三，出庫管理。半成品以及成品根據系統的規劃進入生產線，加工工序完成后需要進行其他工序的加工時，系統也可以根據其所在的庫位信息直接將半成品調出倉儲庫位。產品的半成品以及成品出庫管理可以利用先進先出的原則，以進入庫位的時間對半成品或者成品的生產優先級進行合理確定。

第四，在庫監控。在對半成品以及成品進行存儲的過程中，可以以進出庫位的信息對在庫存儲的半成品或者成品進行實時監控，并且可以將監控信息及時反饋到操作終端，操作人員可以通過反饋的信息對當前的倉儲信息進行了解。

第五，在庫查詢。因為在倉儲管理過程中，系統可以對每一個倉儲位置的半成品或者成品在庫信息進行準確記錄，操作人員可以通過系統完成信息查詢。如果實際情況與系統數據存在偏差，工作人員可以及時修改和更新倉儲信息。[4]

2.3 制造過程跟蹤管理

對于制造企業而言，車間作為設計圖紙轉變為實際產品的重要環節，車間制造的過程管控以及數字化發展廣泛的覆蓋了生產車間、生產線、過程自動化以智能化發展，其發展趨勢也逐漸體現在三個方面即底層制造裝備的智能化、中間層制造過程的優化以及頂層的制造績效的可視化。通過制造過程管控與優化的數字化車間不僅可以切實的提升設備自身的速度、精度以及可靠性，而且還提升了設備的決策、感知以及控制能力，如，自動化加工檢測、設備自動故障診斷以及智能化加工編程等。對制造裝配的另一個發展趨勢則是機床設備以及機械手等相關輔助裝置的集成化發展，進而推動了柔性加工系統或者柔性制造單元的發展。也存在很大一部分廠商將多臺數控機床進行統一連接為一條生產線，進而實現了一人多機的操控的同時還可以進行網絡化管理。作為信息技術領域中的一種新型技術，物聯網技術的應用不僅可以切實的實現整個制造過程的“泛在感知”，尤其是RFID技術的無縫、不間斷的獲取精準可靠的信息流。在系統運行過程中，可以對當前整條生產線的在制品進行跟蹤管理，主要是以產品存放信息為基礎在容器安裝能儲存信息的RFID芯片。以RFID芯片為基礎開展制造過程跟蹤管理工作的。因為RFID芯片可以與產品的信息進行綁定，產品進入到生產線倉儲區之前，上下料區的芯片可以讀取容器內的產品信息，產品信息會進入到該容器的芯片中;而進入到倉儲區時，倉儲區的芯片可以再次讀取容器信息并發送給系統，系統會對信息進行記錄;當系統以車間生產計劃為基礎完成排產規劃確認工作后，產品倉儲區出庫的芯片會再次讀取容器信息，并將讀取的信息發送到系統，系統會對產品的出倉信息進行記錄;容器出艙后到達加工區，加工區上下料機臺旁邊會放置芯片讀寫器對容器內的信息進行讀取，并將信息發送到系統，系統對產品信息進行實時記錄并進行更新。因此，在整個生產線的流轉過程中，系統都可以對產品在車間的流轉情況進行準確記錄，并且可以對產品的狀態以及位置信息進行實時跟蹤。同時，RFID技術可以重新輸入信息指令和反復多次擦除指令，并可以動態化地改變其標簽，更為快速的多個標簽處理速度，更為優秀的安全性能，也是其較為突出的優勢。將RFID技術全面地引入汽車發動機制造企業的物流庫控制系統，不僅可以全面提升汽車發動機制造企業物流庫的追蹤管理能力，也為汽車發動機制造行業防偽技術的發展提供新的支持和渠道。

3? 發動機數字化智能制造的發展與趨勢

隨著科技的發展，技術的更新，數字化工廠技術會越來越廣泛。特別是自動化設備智能應用技術，互聯互通技術和人工智能技術的發展，以及自動化系統實施框架功能的補充完善，結合工業大數據，滿足企業用戶對于互聯互通、過程可視、優化改進和智能決策等各個層面的數據應用需求和一站式服務需求。同時，依據發動機的工藝與技術的更新與應用，發動機數字化智能產線功能將更加齊全，對生產的作業流程更嚴密，對生產的要求更高標準。通過數字化工廠的建設不僅可以有效地提升生產效率和質量，而且還可以切實提升企業經濟利益。據不完全統計，通過數字化工廠的應用后，企業在產品設計修改率降低了30%左右，而生產工藝規劃時間也降低了40%，生產產能提升了近15%作用等。而隨著社會的發展以及科技的進步，尤其是5G技術的普及，數字化工廠有關產品研發必須要朝著數字化、虛擬化集成控制，在5G網絡環境下，采用DNN/QoS優先調度或核心網切片滿足高帶寬需求，實現各部門信息共享。另外，對于數字化工廠的車間布局仿真與物流優化而言則要加強實現靜態虛擬車間朝著更為真實的動態虛擬車間的改造升級，并且還要盡可能的反映出車間的各類元素空間布局，進而有效地發揮數字化工廠的優勢作用，為車間布局規劃以及優化提供可靠的參考依據等。從而切實實現整個生產過程的智能化以及自動化發展，并提升整個智能裝備的應用水平。

4? 結語

綜上所述可以看出，數字化工廠在運行過程中可以構建虛擬的生產環境，通過原料、設備等資源的合理分配過程和集成智能制造資源的環境優化，從而大大提高效能、利用率、和質量。對汽車發動機制造來說，數字化工廠可以看做是一個應用平臺，在這個平臺當中，傳統工業工程方法和工具的價值能夠得到真正的體現，發揮出規劃，設計，評價和優化等多種功能，進而將數字化工廠所提供的使用環境與工廠本身結合在一起，工廠在運營過程中將自身優勢展現出來，提高生產效率，縮短生產時間。

參考文獻：

[1]史詩瑩.數字化工廠技術在鍋爐智能制造中的應用[D].華東理工大學，2015.

[2]李亞光，周賀.數字化工廠，機器人焊接生產線設計與調試[J].建筑工程技術與設計，2017（17）.

[3]柏雋.數字化工廠的框架與落地實踐[J].中國工業評論，2016（005）：28-33.

[4]徐鑫莉，蔡鵬，韓嘯，等.數字化工廠制造過程管理系統在汽車生產線上的應用[J].科技資訊，2015，13（29）：77-78.