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从波音航天工具研发看“数字化”制造

发布时间：2016-05-05

摘要：美国波音公司在Boeing777~787和洛克希德马丁公司在F35研制过程中，采用数字制造与传统方式相比，缩短了研制周期至1/3，降低研制成本50%，开创了航空数字化制造的先河。

美国波音公司在Boeing777~787和洛克希德马丁公司在F35研制过程中，采用数字制造与传统方式相比，缩短了研制周期至1/3，降低研制成本 50%，开创了航空数字化制造的先河。最近，波音公司在新一代战神航天运载工具的研制和C130的航空电子升级中，采用MBD/MBI(基于模型的定义和作业指导书)缩短装配工期57%，将数字化制造推向制造现场的更深层次。尽管中国航空工业在数字化制造的部分环节近年来已经得到了长足的发展，但是历史上掉队加上研制发展速度的差距，给我国航空制造业以严重的压力。跟上世界航空工业数字化制造发展的步伐，使航空企业迅速实现由传统生产方式向数字化生产方式的转变，成为我们刻不容缓的任务。

数字化制造涵盖了产品的生命周期的全过程，但是目前有关文献涉及数字化设计和数字模拟较多，而从制造管理和数字化在生产车间“落地”的角度推动数字化制造更快的发展，则显得比较薄弱。本文以数字化工厂为中心，试图讨论数字化制造的均衡发展的问题。

一数字化是一场深刻的技术革命

数字化不仅仅是一项技术手段的进步，信息化和数字化也不能混为一谈。以两院院士顾颂芬为首的几位航空工业的专家指出：“数字化为制造业开创了一种新型的生产方式”。他们认为：“数字化是一场深刻的技术革命。”，“数字化正在改变着世界，数字化的生产方式正在从根本上动摇着传统制造业的基础，催生着一场制造业的技术革命”。从波音和空客两大家航空制造的技术竞争的重点看出，“制造业的竞争已经体现为数字化这一核心能力的竞争”。本文首先理解顾颂芬等专家们将设计和制造数字化置于技术革命高度的意义。

1 工程师自己的工具的发展缓慢

现代的人类社会，工程和产品的发展是惊人的。而与之形成极大反差的是，工程界自己描述产品、传递产品制造信息的手段的发展却是缓慢的。从1795年发明画法几何、1840年发明蓝图以来，人们一直用二维平面工程视图来描述产品。这种大约沿用了200多年的二维工程图纸曾经是表现制品信息的唯一办法。但是，人的思维是多维的，工程师们在创意新产品时，首先涌现的是多维的实体形象而不是一个个的平面视图。为了向制造它的人传递产品的信息，必须将这个活生生的实体变成为复杂的、但为工程界所共识的平面图形。这当中的浪费不仅仅是投影图的绘制，还包括了从实体形象向抽象的视图表达方式的转换的思维，在转换过程中出现的表达不清和错误。制造工程师在接到这种平面图形以后，又要用想象恢复它的立体形状，以编制工艺过程。这又是一番思维、脑力和时间的浪费。并且对平面图形的理解程度往往是能否设计出好的制造过程的关键，对图纸理解的错误又经常出现。工人拿到这种用平面图形描述的作业指导书以后，同样必须将它理解为三维的实体，浪费和错误更容易发生。百年来，制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。

此外，二维图纸对产品的表现是模拟的、非精确的，表现能力是有限的。如飞机机翼的形状是根据空气动力学计算和实验得到的复杂型面,而在图纸上只能用多个剖面逐点进行描述。用二维图纸表达这些复杂形状，造成了从连续的精确形状到不连续的近似形状的转换。这个过程同样既浪费了时间和精力，又带来了误差。数控机床的出现，局部的解决了这类科学曲线（面）形状的信息传递问题。但多数零件的加工程序还是从平面图形转换来的。

在飞机制造中，从产品的图形到制造它们的模具的凸凹模线、模板、装配型架、各级检验样板，需要多次传递和转移。在没有数字化制造的年代，这些工作全是手工描绘，在放大镜下用精细刀具磨出来的。效率和精度受着严重的制约。

2 传统CAD的功劳

信息技术的发展，出现了计算机辅助设计CAD 软件，上个世纪末的CAD 仅仅帮助人们绘制2维图纸。“甩掉图板”大大地加快了出2维图纸的速度，解放了工程师们的体力劳动，也使很多描图员们下了岗。但是甩掉图板并没有甩掉图纸，也没有触及头脑浪费和转换错误的根本问题。

3 实体造型的CAD的出现和数字化的意义

随着计算机技术进步，出现了新一代CAD 软件，在计算机的虚拟环境中，可以按照设计员的思维，直接构造出产品和零件的实体模型。给这种虚拟的3 维实体模型赋予必要的特征和属性以后，可以直接、直观地表达出设计员的创意，零件的形象精确的描述并存在计算机中而不是平面图纸上。设计信息直接从网上传递到世界各地为它加工的地方，依据3维模型编制制造过程、NC程序，传递到NC机床上进行加工。从此彻底的改变了工程设计的方式和设计信息的传递方式。

过去的研制过程，必须做出真正的产品样机以后，才能发现设计的错误或不协调，真实的进行负载、空气动力的试验，按照试验结果进行修正，这样的反复，增加了研制周期，大量的物资和实验设备建设的资金消耗。而利用数字化的产品模型，可以进行原来必须靠实物进行的模拟和试验，节省了大量的人力、物力、财力特别是时间的消耗，将精益制造推进到产品设计和减少工程师们自己的脑力浪费的领域。

所以说，产品信息的描述和在制造各个环节之间的传递，从模拟的、二维平面的模式向三维的、数字的模式转换，成为人类制造工程历史上的一次重大的革命。它免除了大量的3D与2D的转换，避免了大量的必须靠实物进行判别、评估和确认的工作。可以预先精确的定义，进行模拟和优化，将可能发生的错误提前解决。将实体世界的事，放在虚拟世界中解决，从而大大的降低了成本、减少了生产周期。在3D的数字化模型基础上的一系列应用所释放出的效能是过去任何时期的任何技术进度所不可比拟的。

4 对数字化制造全景的描述

近几年来，美国航空工业又取得长足的进步。下图是美国战神航天飞行器数字化制造全过程的示意图。可以看出，在这个实例中，突破了由3D实体模型向可用于制造和向车间转移的几个很现实的转折：

1) 3D模型的可制造化

3) 将3D的产品和工艺信息向制造作业的工人传递

4) 制造作业现场的数字化数据采集和反馈

5) 数字化质量和依从性文档的管理

在长长的制造数字化信息链中，以2D为基础的庞大而根深蒂固的传统方法向新的3D为基础的新生产模式的过渡，是一个严重的、长期的任务。从传统制造向数字制造转移是动摇制造工厂所有现行流程的、严重的“再造”过程，涉及技术、管理、质量、法规要求、企业文化、工厂的硬件配置、职工教育等方面的深刻再造。在向数字化制造发展的道路上，甚至还有些未能预料的困扰。中国的航空制造业目前还必须快速的贯通数字化信息链的各个环节。

二理解数字化制造

可以从不同角度理解数字化制造。在航空工业领域，经常是将数字化设计和数字化制造分开来研究的。本文则是站在制造现场这个物理产品形成的基地和产品价值增殖的摇篮的立场上讨论数字化制造的，目的是促进数字制造在制造现场落地。因此，先从数字化工厂说起。

1 关于“数字化工厂”

界定数字化是决定我们在数字化领域里应该做些什么和怎样去做的出发点。本文认为：数字化工厂DigITalized Factory 是一种全新的制造能力或制造模式。数字化工厂利用产品的三维数字模型来定义和优化产品的制造过程，并向制造作业的各类操作者提供数字化的制造指令和作业指导信息；在制造作业中，操作者也用数字化的手段和装置向上层业务过程反馈数字化的作业状态信息。

对数字化工厂的情景描述是：制造过程中传递和采集的信息是数字的、3D的，因而也必然是无纸化的。分布在各个作业点上的微电脑、移动终端、RFID/条码设备、软件PLC、数字化测量设备和无线工业以太网是工厂现场配备的基本装置。而实现制造作业的设备，大部分是数字控制的。

数字化工厂最直接和最大限度的简化了制造全生命周期中信息传递的转换过程，使制造过程的效率和效能最大化。数字化工厂前所未有的将制造的全过程，包括思维的、作业的、物流的浪费降低到最小程度，是全新的生产方式。对数字化工厂的这个描述，要害是：将数字工厂从虚拟世界拉回到现实世界中来。

识别数字化工厂的要点是：

◆一个基础：数字化的3D产品模型和定义

◆三个要素

工艺过程、工艺装备、工厂布置和作业指导书的数字化定义和优化，即是所谓“数字工厂digITal factory”，这些是完全在虚拟世界里进行的

数字化的生产指令和作业指导书向操作者传递和交流，是虚拟的信息向现实世界的转换，是数字化工厂里的人机交互界面之一

制造作业现实状态的数字化采集和反馈，是现实世界信息向虚拟世界的传递和转换，是数字化工厂里的人机交互的第二个界面。

2 数字工厂、数字化工厂和传统工厂相比较

在大量的讨论数字制造的文献和著作中，区分“数字工厂”和“数字化工厂”的几乎是凤毛麟角。最清晰的说明出自于一本德国人写的关于MES的书。作者 Jürgen Kletti 分别使用了“digITal factory”和“digitized factory”两个不同的词来表达2个不同含义的“数字工厂”

数字工厂digITal factory是现实工厂的虚拟模型。其主要目的是通过虚拟模型的数字模拟，优化产品设计和制造过程，提高制造的柔性和应变能力。

数字化工厂digITized factory没有止步于数字工厂digital factory的虚拟世界中，而是穿越了人机界面，将虚拟的产品和制造过程的信息传递到作业工人。而作业工人又采用数字化装备将生产状态用数字的形式，反馈给虚拟的工厂数字模型。形成了从虚拟到现实再回到虚拟的完整的数字化信息的传递链。数字工厂是虚的，数字化工厂是实实在在的。它们分别是产品全生命周期信息的全数字化的一部分。

这里绝不是咬文嚼字。作者认为，在大量的研究数字制造的文献中，太多的止步于虚拟世界的制造模拟。也有的作者仅仅在最终产品的飞机交付时才回到现实世界中来。而我们则强调，制造数据在虚拟环境和现实环境中不断地交替着。数字化加速了“工程”领域的效率，我们同样需要的是数字化在“真刀真枪”的加工制造过程中，显现它的优势。从数字工厂到数字化工厂是从虚到实的数字化“落地”的过程。数字化不落地，物料永远变不成产品。

3 数字化制造与数字化工厂

数字化制造的概念与数字化工厂相同。但是数字化制造是一个更加宏大的概念，它的范围概括了产品整个生命周期的全过程：从工程设计、工艺设计、制造到使用、服务和维修。数字化制造不仅仅在企业的四面大墙之内，还包括了所有的供应商和合作伙伴，最终形成了“数字化供应链”的壮丽前景。而数字化工厂则仅仅局限在与实际产品形成有关的过程，即工艺设计、现场制造等范围之内。数字化制造和数字化工厂没有本质的差异，区分它们仅仅可以将实现数字化运作划分阶段和进行实施的分工，便于加速制造整体数字化的实现。