Công nghệ hỗ trợ máy tính (Computer-aided technologies)

Công nghệ thiết kế được sự hỗ trợ của máy tính (Computer-aided design, CAD) được xem là một trong những công nghệ giúp tăng năng suất, cho phép thời gian tiếp thị sản phẩm nhanh hơn và giảm đáng kể thời gian cần thiết để phát triển sản phẩm.

Các giải pháp cung cấp giao diện đồ họa hiện đại cho người dùng hiện đang có sẵn trên thị trường. Chức năng của các hệ thống này tích hợp Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA), phân tích động học, phân tích động và mô phỏng đầy đủ các tính chất hình học bao gồm kết cấu và tính chất cơ học của vật liệu.

Các hệ thống CAD đã trở nên không thể thiếu đối với doanh nghiệp sản xuất hiện nay, vì sự tích hợp mạnh mẽ của chúng với các kỹ thuật sản xuất tiên tiến. Các mô hình CAD thường được coi là đủ tính năng để sản xuất các bộ phận, vì chúng có thể được sử dụng để tạo mã cần thiết điều khiển các máy móc để sản xuất bộ phận.

Theo sự phát triển của các hệ thống CAD, khái niệm sản xuất hỗ trợ máy tính (Computer-Aided Manufacturing, CAM) đã ra đời. Bước tiến lớn đối với việc triển khai các hệ thống CAM là sự ra đời của điều khiển số máy tính (Computer Numerical Control, CNC). Ngoài thực tế là công nghệ mới này đã mang lại một cuộc cách mạng trong hệ thống sản xuất bằng cách cho phép sản xuất hàng loạt và linh hoạt hơn, nó cũng cho phép liên kết trực tiếp giữa mô hình CAD ba chiều (3D) và sản xuất.

Newman và Nassehi đã đề xuất một nền tảng sản xuất cho máy gia công CNC, trong đó các ứng dụng công nghệ hỗ trợ máy tính khác nhau có thể trao đổi thông tin một cách liên tục. Nền tảng được đề xuất dựa trên tiêu chuẩn STEP-NC. Ngoài ra, việc chuẩn hóa ngôn ngữ lập trình cho các máy này (mã G và M và APT) giúp nhà phát triển giải pháp có thể tích hợp việc tạo mã tự động trong các ứng dụng của họ.

Từ thời điểm đó, các hệ thống CAD và CAM đã được phát triển cho phép thiết kế một phần và mô phỏng sản xuất. Các kỹ sư có khả năng trực quan hóa cả bộ phận và quy trình sản xuất, để xác minh chất lượng sản phẩm và sau đó thực tế để thực hiện quy trình sản xuất với xác suất lỗi tối thiểu.

Một số hệ thống khác như hệ thống chất lượng hỗ trợ máy tính (Computer Aided Quality System, CAQS), cũng bắt đầu xuất hiện và trở thành một phần của quy trình kỹ thuật. Mặt khác, Quản lý dữ liệu sản phẩm (Product Data Management, PDM) và hệ thống Quản lý vòng đời sản phẩm (PLM) cho phép thực hiện nhiều nhiệm vụ quản lý dữ liệu, bao gồm quy trình làm việc, vòng đời, cấu trúc sản phẩm và quản lý thay đổi...

Các hệ thống PDM có thể tích hợp và khai thác để quản lý tất cả ứng dụng, thông tin và quy trình xác định sản phẩm, từ thiết kế đến sản xuất đến hỗ trợ người dùng cuối. Các hệ thống PDM thường được sử dụng để kiểm soát thông tin, tài liệu và quy trình làm việc và được yêu cầu thiết kế, xây dựng, hỗ trợ, phân phối và bảo trì sản phẩm. Thông tin liên quan đến sản phẩm điển hình bao gồm bản vẽ kỹ thuật, kế hoạch dự án, sơ đồ lắp ráp, thông số kỹ thuật sản phẩm, chương trình máy công cụ điều khiển số, kết quả phân tích, thư tín, hóa đơn vật liệu và đơn đặt hàng thay đổi kỹ thuật...

PLM là một cách tiếp cận dựa trên thông tin tích hợp cho tất cả khía cạnh của vòng đời sản phẩm từ khi bắt đầu thiết kế, sản xuất, bảo trì và xử lý tái chế cuối cùng. Một số lợi ích khi sử dụng PLM bao gồm giảm thời gian đưa ra thị trường, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí tạo mẫu, tiết kiệm thông qua việc sử dụng lại dữ liệu gốc, các tính năng để tối ưu hóa sản phẩm, giảm lãng phí và tiết kiệm thông qua việc tích hợp hoàn toàn quy trình công việc kỹ thuật. Về mặt lý thuyết, hệ thống này được sử dụng để gắn kết kỹ thuật, sản xuất, tiếp thị, nhà cung cấp bên ngoài và các đối tác kênh để điều phối các hoạt động.

Ví dụ, giải pháp PDM và PLM hiện nay được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp ô tô, một trong những lĩnh vực công nghiệp phức tạp nhất, nhằm giảm thời gian chu kỳ thiết kế trong một số quy trình phát triển bằng cách sử dụng các mô hình máy tính để kết hợp kiến thức, quy tắc, thực tiễn thiết kế và kinh nghiệm sản xuất trong quá khứ.

Kiểm soát sản xuất

Các nhà sản xuất sẽ lựa chọn quá trình kiểm soát sản xuất dựa trên các yếu tố như tuân thủ tiêu chuẩn công nghiệp, chức năng đa kiểm soát, tính khả thi về mặt kỹ thuật, hiệu quả về chi phí, dễ tích hợp và có khả năng bảo trì hệ thống. Quan trọng hơn, các hệ thống nhúng và hệ điều hành công nghiệp sẽ dần thay đổi mô hình kiểm soát sản xuất hiện nay, thông qua hợp nhất phần cứng và điều khiển mở. Tích hợp hệ thống điều khiển với CAD và CAM và hệ thống điều khiển thời gian thực, dựa trên mạng phân tán giữa cảm biến và thiết bị điều khiển là một trong những chủ đề nghiên cứu chính.

Những phát triển mới trong việc sử dụng các công nghệ không dây như công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) là một phần của hệ thống nhận dạng tự động, liên quan đến việc truy xuất danh tính các đối tượng và giám sát mặt hàng di chuyển qua chuỗi cung ứng sản xuất, cho phép nhận dạng chính xác và kịp thời thông tin. Gần đây, việc cài đặt các công nghệ không dây như RFID, hệ thống toàn cầu cho thông tin di động (Global System for Mobile Communications, GSM) là những ứng dụng công nghệ thông tin mới trong sản xuất công nghiệp.

Trong lắp ráp ô tô, công nghệ thông tin được áp dụng cho một loạt quy trình kiểm soát sản xuất như kiểm soát đơn hàng sản xuất, giám sát sản xuất, lập kế hoạch trình tự, nhận dạng xe, quản lý chất lượng, quản lý bảo trì và kiểm soát vật liệu. Tuy nhiên, việc tích hợp các công nghệ thông tin không dây ở cấp độ cửa hàng ô tô thường bị hạn chế do các yêu cầu về bảo mật.

Ảnh minh họa.

Mô phỏng máy tính (Computer Simulation)

Mô phỏng máy tính đã trở thành một trong những công cụ được sử dụng rộng rãi nhất trong thiết kế hệ thống sản xuất, cho phép các nhà hoạch định và kỹ sư điều tra sự phức tạp hệ thống của họ và cách thay đổi cấu hình hệ thống hoặc trong các chính sách vận hành có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống hoặc tổ chức.

Các mô hình mô phỏng được phân loại thành: tĩnh, động, liên tục, rời rạc, xác định và ngẫu nhiên. Từ cuối những năm 1980, các phần mềm mô phỏng đã cung cấp khả năng hiển thị, bao gồm các tính năng tương tác người dùng và đồ họa. Mô phỏng máy tính cung cấp lợi thế lớn cho việc nghiên cứu và phân tích thống kê, do đó giảm thời gian, chi phí tổng thể cần thiết để đưa ra quyết định, dựa trên hành vi hệ thống. Các hệ thống mô phỏng thường được tích hợp với các hệ thống công nghệ thông tin khác, chẳng hạn như CAx, FEA, lập kế hoạch sản xuất và hệ thống tối ưu hóa.

Phần mềm mô phỏng giả lập kỹ thuật số nhà máy (Digital Mock-Up, DMU) cho phép các kỹ sư sản xuất hình dung quy trình sản xuất thông qua máy tính, cho phép tổng quan về các hoạt động của nhà máy đối với một công việc sản xuất cụ thể. Mô phỏng sự kiện rời rạc (Discrete Event Simulation, DES) giúp các kỹ sư tập trung chặt chẽ vào mỗi hoạt động cá nhân.

DES có thể giúp đưa ra quyết định trong giai đoạn đầu (thiết kế khái niệm và uy tín) trong việc đánh giá và cải thiện một số khía cạnh của quy trình lắp ráp, chẳng hạn như vị trí và kích thước của hàng tồn kho, đánh giá sự thay đổi về khối lượng hoặc hỗn hợp sản phẩm và phân tích thông lượng.

Sự phát triển tiếp theo của công nghệ mô phỏng, công nghệ thực tế ảo (Virtual Reality, VR) đã cho phép các kỹ sư trở xây dựng mô hình ảo và tương tác với chúng. Các hoạt động được VR hỗ trợ bao gồm bố trí nhà máy, lập kế hoạch, đào tạo vận hành, thử nghiệm, kiểm soát quy trình và xác nhận.

Các ứng dụng khác bao gồm xác minh các yếu tố liên quan đến con người trong quy trình lắp ráp bằng cách sử dụng các kỹ thuật mô phỏng ba chiều trên máy tính để bàn, thay thế điều khiển của con người bằng một đại diện nhân trắc học của con người, được gọi là “ma-nơ-canh”.

Tối ưu hóa và hoạch định nguồn lực doanh nghiệp

Các hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp (ERP) cố gắng tích hợp tất cả dữ liệu và quy trình của một tổ chức thành hệ thống thống nhất. Một hệ thống ERP điển hình sẽ sử dụng các phần mềm và hệ thống phần cứng máy tính để đạt được sự tích hợp tốt nhất. Một cấu phần quan trọng của hầu hết các hệ thống ERP là cơ sở dữ liệu thống nhất để lưu trữ dữ liệu cho các mô-đun hệ thống khác nhau.

Các hệ thống hoạch định nguồn lực sản xuất (Manufacturing Resources Planning - MRP II) ngoài việc kết hợp các hệ thống quản lý và kế toán tài chính đã được mở rộng hơn nữa để kết hợp tất cả quy trình kinh doanh và lập kế hoạch nguồn lực của toàn doanh nghiệp, bao gồm các lĩnh vực như nhân lực, quản lý dự án, thiết kế sản phẩm, vật liệu và lập kế hoạch năng lực.

Việc loại bỏ thông tin và dữ liệu dự phòng không chính xác, tiêu chuẩn hóa giao diện, đối phó với các vấn đề bảo mật và truy cập toàn cầu, mô hình hóa chính xác các quy trình kinh doanh… là những mục tiêu do hệ thống ERP giải quyết. Tuy nhiên, chi phí thực hiện lớn, rủi ro thất bại cao, nhu cầu rất lớn về thời gian, nguồn lực của doanh nghiệp và các điều chỉnh quy trình kinh doanh phức tạp và là những mối quan tâm chính liên quan đến việc triển khai ERP. Xem xét xu hướng hiện nay trong thế giới, để tối đa hóa sản xuất của doanh nghiệp, chức năng hệ thống ERP cũng được mở rộng với giải pháp quản lý chuỗi cung ứng.

Hệ thống ERP thường kết hợp các khả năng tối ưu hóa để tiết kiệm chi phí và thời gian hầu như từ mọi quy trình sản xuất. Monostori et al. đã đề xuất một hệ thống lập lịch có khả năng kiểm soát sản xuất theo thời gian thực. Hệ thống này nhận được phản hồi từ sản xuất hàng ngày thông qua việc tích hợp thông tin đến từ các hệ thống giám sát quy trình và chất lượng sản xuất. Hệ thống có thể theo dõi các sai lệch và vấn đề của hệ thống sản xuất, đề xuất các giải pháp thay thế khả thi để xử lý chúng.

Viễn cảnh sản xuất kỹ thuật số

Việc tăng tốc quá trình sản xuất bao gồm hai khía cạnh: một là tăng tốc độ phát triển sản phẩm để giảm thời gian phát triển, thứ hai là tăng tốc độ sản xuất để giảm thời gian sản xuất. Song song chất lượng và chi phí sản xuất của sản phẩm cuối cùng được xác định trong cả hai giai đoạn thiết kế và sản xuất. Điều này chứng tỏ rằng cần “cầu nối” giữa phát triển mô hình sản xuất và sản xuất thực tế. Sản xuất kỹ thuật số là công cụ giải quyết vấn đề này.

Tuy nhiên, trong tương lai, sản xuất kỹ thuật số cần tiếp tục được khai thác thêm để thu hẹp khoảng cách giữa mô hình phát triển sản phẩm và các hoạt động sản xuất thực tế trong doanh nghiệp. Mô phỏng và VR hiện có thể sử dụng để giảm đáng kể chi phí và thời gian đưa ra thị trường.

Dựa trên phản hồi từ các doanh nghiệp, Dalton - Taggart định nghĩa sản xuất kỹ thuật số là “khả năng mô tả mọi khía cạnh của quy trình thiết kế để sản xuất kỹ thuật số - sử dụng các công cụ bao gồm thiết kế kỹ thuật số, CAD, tài liệu văn phòng, hệ thống PLM, phần mềm phân tích, mô phỏng, phần mềm CAM…”.

Quan điểm việc truyền dữ liệu từ bộ phận này sang bộ phận khác phải liền mạch để dữ liệu được tạo ra có thể sử dụng lại ngay lập tức. Bằng cách khai thác sản xuất kỹ thuật số, các doanh nghiệp sản xuất mong muốn đạt được những điều sau: Rút ngắn phát triển sản phẩm; Xác nhận sớm quy trình sản xuất; Tăng tốc sản xuất nhanh hơn; Thời gian tiếp thị nhanh hơn; Giảm chi phí sản xuất; Chất lượng sản phẩm được cải thiện; Tăng cường phổ biến kiến thức sản phẩm; Giảm lỗi; Tăng tính linh hoạt.

Các ngành công nghiệp được hưởng lợi nhiều nhất từ việc sử dụng phương pháp này là những ngành có sản xuất sử dụng nhiều vốn và sản phẩm rất phức tạp nhưng năng suất sản xuất rất thấp, tính theo từng đơn vị sản xuất. Đối với các nhà sản xuất sử dụng nhiều vốn, lợi tức đầu tư được tính toán trên cơ sở giảm thời gian đưa ra thị trường 30% đến 50% do hiệu quả kỹ thuật, giảm chi phí sản phẩm 10% đến 25% thông qua tương tác của thiết kế hệ thống sản xuất, thiết kế hệ thống lắp ráp, giảm các thay đổi kỹ thuật tốn kém đối với thiết kế sản phẩm và công cụ sản xuất.

Các doanh nghiệp đã khai thác lợi ích này đang cho thấy tiềm năng lớn cho sự tăng trưởng trong tương lai. Một số doanh nghiệp đã công khai tuyên bố rằng các công nghệ kỹ thuật số đã giúp họ tiết kiệm hàng triệu USD chỉ trong vài năm. Tiết kiệm tương tự đã được thực hiện trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Tuy nhiên, nỗ lực nghiên cứu sâu hơn là cần thiết để có thể mô phỏng quá trình lắp ráp đầy đủ và để tránh việc cài đặt tốn kém, thời gian khởi động kéo dài. Điều này là do mô phỏng kỹ thuật số và lập kế hoạch cho các quy trình lắp ráp dựa trên các công nghệ cho phép khác nhau như VR, thiết kế ảo hợp… Trong sản xuất kỹ thuật số, sự thiếu thông tin, kiến thức trong sản xuất phải được loại bỏ triệt để, thông tin, kiến thức phải được chuyển thành kiến thức hữu hình được cụ thể hóa bằng các phương trình và cuối cùng thành giá trị số.

Trong mô hình sản xuất mới được Manufuture đề xuất năm 2020, sản xuất kỹ thuật số được xác định là lĩnh vực nghiên cứu chính của các nhà máy dựa trên tri thức trong tương lai. Nó sẽ là yếu tố chính trong xử lý thu nhận kiến thức về quy trình và sản phẩm, chuyển thành các thông tin, kiến thức rõ ràng.

Ngoài ra, nó được thúc đẩy bởi ứng dụng và tiêu chuẩn hóa các công nghệ thông tin và truyền thông và nhu cầu ngày càng tăng về hiệu quả của hoạt động trong các mạng toàn cầu. Các ưu tiên nghiên cứu đã xác định bao gồm phát triển các công cụ tích hợp cho kỹ thuật công nghiệp và thích ứng sản xuất, có tính đến cấu hình hoặc tự chủ hoàn toàn hoặc tự chủ một phần của hệ thống, phát triển mô hình dữ liệu tiêu chuẩn của các nhà máy và quản lý dữ liệu của nhà máy, bao gồm các mạng kỹ thuật mở và quản lý thời gian thực dữ liệu sản xuất.

Sản xuất kỹ thuật số kết hợp các công nghệ để thể hiện ảo các nhà máy, tòa nhà, nguồn lực, thiết bị hệ thống máy móc, nhân viên lao động và kỹ năng của họ, cũng như để tích hợp chặt chẽ hơn phát triển sản phẩm và quy trình thông qua mô hình hóa và mô phỏng. Thu hẹp khoảng cách giữa mô hình phát triển sản phẩm và hoạt động sản xuất thực tế trong doanh nghiệp, chuyển đổi hoàn toàn thông tin, kiến thức, cuối cùng kỹ thuật số, tối ưu hóa quản lý dữ liệu và phát triển các mô hình tiêu chuẩn là một số ưu tiên chính trong tương lai.