現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)歷了機(jī)械化、電氣化革命，未來的第三次工業(yè)革命必然是以機(jī)、電、信息相結(jié)合的智能化制造革命?！督?jīng)濟(jì)學(xué)人》曾發(fā)表的《第三次工業(yè)革命：制造業(yè)與創(chuàng)新》專題報道中闡述了目前由技術(shù)創(chuàng)新引發(fā)的制造業(yè)深刻變化，其中，數(shù)字化與智能化的制造技術(shù)是“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)。

作為數(shù)字化與智能化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字化工廠是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應(yīng)用體現(xiàn)，也是實現(xiàn)智能化制造的必經(jīng)之路。數(shù)字化工廠借助于信息化和數(shù)字化技術(shù)，通過集成、仿真、分析、控制等手段，可為制造工廠的生產(chǎn)全過程提供全面管控的一種整體解決方案。

早在2000年前后，上汽、海爾、華為和成飛等制造企業(yè)均已開始著手建立自己的數(shù)字化工廠。今年來，隨著國際競爭的不斷加劇和我國制造業(yè)勞動力成本的不斷上升，對設(shè)備效率、制造成本、產(chǎn)品質(zhì)量等環(huán)節(jié)的要求不斷提高，離散制造業(yè)中以汽車、工程機(jī)械、航空航天、造船為代表的大型企業(yè)已越來越重視數(shù)字化工廠的建設(shè)。

1 數(shù)字化工廠的若干關(guān)注點

根據(jù)在范圍、階段、視角上的關(guān)注點存在差異，對于數(shù)字化工廠也有不同提法，比如可視化工廠(Visual Factory)、智慧工廠(Smart Factory)、智能工廠(Intelligence Factory)、數(shù)字化制造(Digital Manufacturing)、虛擬工廠(Virtual Factory)等。各個概念在關(guān)注點上也存在不同程度的交集，如智能工廠和數(shù)字化制造的交集就是以智能裝備為核心的制造工藝過程智能化，特別是對制造裝備本身的智能化。而上述各種提法之間除明顯的交集之外也各有側(cè)重，比如可視化工廠側(cè)重于數(shù)字化工廠實現(xiàn)前期的數(shù)據(jù)采集和透明化，而智能工廠更側(cè)重于后階段的數(shù)據(jù)分析與決策。

上述提法中比較典型的有3類：基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制，基于虛擬仿真技術(shù)的數(shù)字化模擬工廠和基于制造過程管控與優(yōu)化的數(shù)字化車間。從制造管理的層次和從設(shè)計到制造的過程2個維度來看，它們涉及的業(yè)務(wù)范圍大致如圖1所示。

圖1 典型數(shù)字化工廠提法的主要業(yè)務(wù)范圍

在設(shè)計部分，三維CAD系統(tǒng)的應(yīng)用已相當(dāng)普及。1997年，美國機(jī)械工程師協(xié)會ASME就開始了全三維設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作，并于2003年頒布了“Y14.41(Digital Product Definition Data Practices)”標(biāo)準(zhǔn)，把三維模型和尺寸公差及制造要求統(tǒng)一在一個模型中表達(dá)。在生產(chǎn)部分，各類數(shù)控設(shè)備在加工精度和智能控制水平上近年來都得到飛速發(fā)展?；谌S模型的單一數(shù)據(jù)源和數(shù)控設(shè)備的廣泛應(yīng)用使得從設(shè)計端到制造端的一體化成為可能。

基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制應(yīng)用的嘗試始于航空航天制造領(lǐng)域。由于在產(chǎn)品設(shè)計、材料成本、成型技術(shù)和制造精度方面具有相對更苛刻的要求，航空航天領(lǐng)域在加工和裝配制造工藝上整體領(lǐng)先于其他行業(yè)，這為基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制奠定了基礎(chǔ)。

當(dāng)前，世界先進(jìn)的飛機(jī)制造商已逐步利用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)了飛機(jī)的“無紙化”設(shè)計和生產(chǎn)，美國波音公司在波音777和洛克希德•馬丁公司在F35的研制過程中，基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制和虛擬制造技術(shù)，縮短了2/3的研制周期，降低研制成本50%。波音公司在研制X-32飛機(jī)時也是如此，借助于統(tǒng)一模型，輔助裝配系統(tǒng)能把裝配順序和裝配好的部件狀態(tài)投射到正在裝配部件的上方，讓工人方便直觀地進(jìn)行裝配工作，無需再細(xì)讀圖紙和翻閱工藝文件，使裝配周期縮短50%，成本降低30%～40%。

在飛機(jī)總裝線上，在機(jī)身與機(jī)身還是機(jī)翼與機(jī)身都實現(xiàn)了高度自動化的校準(zhǔn)和對接，波音和空客兩大航空制造公司生產(chǎn)的波音737/787、A320/A380系列飛機(jī)無一例外地采用全數(shù)字化樣機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)和輔助裝配，如空客A380采用4臺Leica激光跟蹤儀可完成數(shù)字化裝配。數(shù)字化產(chǎn)品的數(shù)據(jù)從研制工作的上游暢通地向下游傳遞，還有助于大幅減少飛機(jī)裝配所需的標(biāo)準(zhǔn)工裝和生產(chǎn)工裝。借助于飛機(jī)的數(shù)字化模型，法國達(dá)索公司在裝配小型公務(wù)機(jī)Falcon時，其傳統(tǒng)的工裝已減到零，對降低新機(jī)研制成本，縮短研制周期起到了難以估量的作用。該技術(shù)還能夠大幅度提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，如波音747機(jī)翼裝配精度由原來10.16mm提高到0.25mm。

在國內(nèi)，中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院2000年在“飛豹”飛機(jī)研制中已全面采用了數(shù)字化設(shè)計、制造和管理技術(shù)。航天科技211廠通過普及基于單一數(shù)據(jù)源的三維模型，制定了“三維到工藝”、“三維到現(xiàn)場”、“三維到設(shè)備”的步驟發(fā)展策略，重點解決了基于三維模型的設(shè)計工藝協(xié)同工作模式和三維設(shè)計文件的信息傳遞、生產(chǎn)現(xiàn)場無紙化和航天產(chǎn)品的加工、裝配、檢測等裝備的數(shù)控化問題。新支線飛機(jī)ARJ21的研制100%采用三維數(shù)字化定義、數(shù)字化預(yù)裝配和數(shù)字化樣機(jī)。上海商飛公司利用數(shù)字化設(shè)計、分析、仿真等技術(shù)手段，實現(xiàn)了設(shè)計、零件制造以及裝配一次成功。上述應(yīng)用目前已開始推廣至工程機(jī)械、造船等其他領(lǐng)域。