從波音航天工具研發(fā)看數(shù)字化制造

1、從波音航天工具研發(fā)看數(shù)字化制造出處：e-works 日期：2010-08-02 HYPERLINK /h/1798/357512-9805.html /h/1798/357512-9805.html 美國波音公司在Boeing777787和洛克希德馬丁公司在F35研制過程中，采用數(shù)字制造與傳統(tǒng)方式相比，縮短了研制周期至1/3，降低研制成本50%，開創(chuàng)了航空數(shù)字化制造的先河。最近，波音公司在新一代戰(zhàn)神航天運載工具的研制和C130的航空電子升級中，采用MBD/MBI(基于模型的定義和作業(yè)指導(dǎo)書)縮短裝配工期57%，將數(shù)字化制造推向制造現(xiàn)場的更深層次。盡管中國航空工業(yè)在數(shù)字化制造的部分環(huán)節(jié)近年來已經(jīng)

2、得到了長足的發(fā)展，但是歷史上掉隊加上研制發(fā)展速度的差距，給我國航空制造業(yè)以嚴(yán)重的壓力。跟上世界航空工業(yè)數(shù)字化制造發(fā)展的步伐，使航空企業(yè)迅速實現(xiàn)由傳統(tǒng)生產(chǎn)方式向數(shù)字化生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，成為我們刻不容緩的任務(wù)。 數(shù)數(shù)字化制制造涵蓋蓋了產(chǎn)品品的生命命周期的的全過程程，但是是目前有有關(guān)文獻獻涉及數(shù)數(shù)字化設(shè)設(shè)計和數(shù)數(shù)字模擬擬較多，而而從制造造管理和數(shù)數(shù)字化在在生產(chǎn)車車間“落落地”的的角度推推動數(shù)字字化制造造更快的的發(fā)展，則則顯得比比較薄弱弱。本文文以數(shù)字字化工廠廠為中心心，試圖圖討論數(shù)數(shù)字化制制造的均均衡發(fā)展展的問題題。一 數(shù)字化化是一場場深刻的的技術(shù)革革命 數(shù)數(shù)字化不不僅僅是是一項技技術(shù)手段段的進步步，

3、信息息化和數(shù)數(shù)字化也也不能混混為一談?wù)?。以兩兩院院士士顧頌芬芬為首的的幾位航航空工業(yè)業(yè)的專家家指出：“數(shù)字字化為制制造業(yè)開開創(chuàng)了一一種新型型的生產(chǎn)產(chǎn)方式”。他他們認為為：“數(shù)數(shù)字化是是一場深深刻的技技術(shù)革命命。”，“數(shù)數(shù)字化正正在改變變著世界界，數(shù)字字化的生生產(chǎn)方式式正在從從根本上上動搖著著傳統(tǒng)制制造業(yè)的的基礎(chǔ)，催催生著一一場制造造業(yè)的技技術(shù)革命命”。從從波音和和空客兩兩大家航航空制造造的技術(shù)術(shù)競爭的的重點看看出，“制制造業(yè)的的競爭已已經(jīng)體現(xiàn)現(xiàn)為數(shù)字字化這一一核心能能力的競競爭”。本本文首先先理解顧顧頌芬等等專家們們將設(shè)計計和制造造數(shù)字化化置于技技術(shù)革命命高度的的意義。 11 工程程師自己己的

4、工具具的發(fā)展展緩慢 現(xiàn)現(xiàn)代的人人類社會會，工程程和產(chǎn)品品的發(fā)展展是驚人人的。而而與之形形成極大大反差的的是，工工程界自自己描述述產(chǎn)品、傳傳遞產(chǎn)品品制造信信息的手手段的發(fā)發(fā)展卻是是緩慢的的。從117955年發(fā)明明畫法幾幾何、118400年發(fā)明明藍圖以以來，人人們一直直用二維維平面工工程視圖圖來描述述產(chǎn)品。這這種大約約沿用了了2000多年的的二維工工程圖紙紙曾經(jīng)是是表現(xiàn)制制品信息息的唯一一辦法。但但是，人人的思維維是多維維的，工工程師們們在創(chuàng)意意新產(chǎn)品品時，首首先涌現(xiàn)現(xiàn)的是多多維的實實體形象象而不是是一個個個的平面面視圖。為為了向制制造它的的人傳遞遞產(chǎn)品的的信息，必必須將這這個活生生生的實實體變成

5、成為復(fù)雜雜的、但但為工程程界所共共識的平平面圖形形。這當(dāng)當(dāng)中的浪浪費不僅僅僅是投投影圖的的繪制，還還包括了了從實體體形象向向抽象的的視圖表表達方式式的轉(zhuǎn)換換的思維維，在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換過程程中出現(xiàn)現(xiàn)的表達達不清和和錯誤。制制造工程程師在接接到這種種平面圖圖形以后后，又要要用想象象恢復(fù)它它的立體體形狀，以以編制工工藝過程程。這又又是一番番思維、腦腦力和時時間的浪浪費。并并且對平平面圖形形的理解解程度往往往是能能否設(shè)計計出好的的制造過過程的關(guān)關(guān)鍵，對對圖紙理理解的錯錯誤又經(jīng)經(jīng)常出現(xiàn)現(xiàn)。工人人拿到這這種用平平面圖形形描述的的作業(yè)指指導(dǎo)書以以后，同同樣必須須將它理理解為三三維的實實體，浪浪費和錯錯誤更容容易發(fā)生

6、生。百年年來，制制造業(yè)為為這種平平面圖形形的轉(zhuǎn)換換付出了了巨大的的代價。 此此外，二二維圖紙紙對產(chǎn)品品的表現(xiàn)現(xiàn)是模擬擬的、非非精確的的，表現(xiàn)現(xiàn)能力是是有限的的。如飛飛機機翼翼的形狀狀是根據(jù)據(jù)空氣動動力學(xué)計計算和實實驗得到到的復(fù)雜雜型面,而在圖圖紙上只只能用多多個剖面面逐點進進行描述述。用二二維圖紙紙表達這這些復(fù)雜雜形狀，造造成了從從連續(xù)的的精確形形狀到不不連續(xù)的的近似形形狀的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。這這個過程程同樣既既浪費了了時間和和精力，又又帶來了了誤差。數(shù)數(shù)控機床床的出現(xiàn)現(xiàn)，局部部的解決決了這類類科學(xué)曲曲線（面面）形狀狀的信息息傳遞問問題。但但多數(shù)零零件的加加工程序序還是從從平面圖圖形轉(zhuǎn)換換來的。 在在飛

7、機制制造中，從從產(chǎn)品的的圖形到到制造它它們的模模具的凸凸凹模線線、模板板、裝配配型架、各各級檢驗驗樣板，需需要多次次傳遞和和轉(zhuǎn)移。在在沒有數(shù)數(shù)字化制制造的年年代，這這些工作作全是手手工描繪繪，在放放大鏡下下用精細細刀具磨磨出來的的。效率率和精度度受著嚴(yán)嚴(yán)重的制制約。 22 傳統(tǒng)統(tǒng)CADD的功勞勞 信信息技術(shù)術(shù)的發(fā)展展，出現(xiàn)現(xiàn)了計算算機輔助助設(shè)計CCAD 軟件，上上個世紀(jì)紀(jì)末的CCAD 僅僅幫幫助人們們繪制22維圖紙紙。“甩甩掉圖板板”大大大地加快快了出22維圖紙紙的速度度，解放放了工程程師們的的體力勞勞動，也也使很多多描圖員員們下了了崗。但但是甩掉掉圖板并并沒有甩甩掉圖紙紙，也沒沒有觸及及頭腦

8、浪浪費和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換錯誤誤的根本本問題。 33 實體體造型的的CADD的出現(xiàn)現(xiàn)和數(shù)字字化的意意義 隨隨著計算算機技術(shù)術(shù)進步，出出現(xiàn)了新新一代CCAD 軟件，在在計算機機的虛擬擬環(huán)境中中，可以以按照設(shè)設(shè)計員的的思維，直直接構(gòu)造造出產(chǎn)品品和零件件的實體體模型。給給這種虛虛擬的33 維實實體模型型賦予必必要的特特征和屬屬性以后后，可以以直接、直直觀地表表達出設(shè)設(shè)計員的的創(chuàng)意，零零件的形形象精確確的描述述并存在在計算機機中而不不是平面面圖紙上上。設(shè)計計信息直直接從網(wǎng)網(wǎng)上傳遞遞到世界界各地為為它加工工的地方方，依據(jù)據(jù)3維模模型編制制制造過過程、NNC程序序，傳遞遞到NCC機床上上進行加加工。從從此徹底底的改變

9、變了工程程設(shè)計的的方式和和設(shè)計信信息的傳傳遞方式式。 過過去的研研制過程程，必須須做出真真正的產(chǎn)產(chǎn)品樣機機以后，才才能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)設(shè)計的的錯誤或或不協(xié)調(diào)調(diào)，真實實的進行行負載、空空氣動力力的試驗驗，按照照試驗結(jié)結(jié)果進行行修正，這這樣的反反復(fù)，增增加了研研制周期期，大量量的物資資和實驗驗設(shè)備建建設(shè)的資資金消耗耗。而利利用數(shù)字字化的產(chǎn)產(chǎn)品模型型，可以以進行原原來必須須靠實物物進行的的模擬和和試驗，節(jié)節(jié)省了大大量的人人力、物物力、財財力特別別是時間間的消耗耗，將精精益制造造推進到到產(chǎn)品設(shè)設(shè)計和減減少工程程師們自自己的腦腦力浪費費的領(lǐng)域域。 所所以說，產(chǎn)產(chǎn)品信息息的描述述和在制制造各個個環(huán)節(jié)之之間的傳傳遞，

10、從從模擬的的、二維維平面的的模式向向三維的的、數(shù)字字的模式式轉(zhuǎn)換，成成為人類類制造工工程歷史史上的一一次重大大的革命命。它免免除了大大量的33D與22D的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，避避免了大大量的必必須靠實實物進行行判別、評評估和確確認的工工作?？煽梢灶A(yù)先先精確的的定義，進進行模擬擬和優(yōu)化化，將可可能發(fā)生生的錯誤誤提前解解決。將將實體世世界的事事，放在在虛擬世世界中解解決，從從而大大大的降低低了成本本、減少少了生產(chǎn)產(chǎn)周期。在在3D的的數(shù)字化化模型基基礎(chǔ)上的的一系列列應(yīng)用所所釋放出出的效能能是過去去任何時時期的任任何技術(shù)術(shù)進度所所不可比比擬的。 44 對數(shù)數(shù)字化制制造全景景的描述述 近近幾年來來，美國國航空工工業(yè)

11、又取取得長足足的進步步。下圖圖是美國國戰(zhàn)神航航天飛行行器數(shù)字字化制造造全過程程的示意意圖?？煽梢钥闯龀?，在這這個實例例中，突突破了由由3D實實體模型型向可用用于制造造和向車車間轉(zhuǎn)移移的幾個個很現(xiàn)實實的轉(zhuǎn)折折： 11) 33D模型型的可制制造化 22) 33D設(shè)計計向3DD工藝的的轉(zhuǎn)換 33) 將將3D的的產(chǎn)品和和工藝信信息向制制造作業(yè)業(yè)的工人人傳遞 44) 制制造作業(yè)業(yè)現(xiàn)場的的數(shù)字化化數(shù)據(jù)采采集和反反饋 55) 數(shù)數(shù)字化質(zhì)質(zhì)量和依依從性文文檔的管管理美國戰(zhàn)神航航天飛行行器的數(shù)數(shù)字化開開發(fā)過程程 在在長長的的制造數(shù)數(shù)字化信信息鏈中中，以22D為基基礎(chǔ)的龐龐大而根根深蒂固固的傳統(tǒng)統(tǒng)方法向向新的33

12、D為基基礎(chǔ)的新新生產(chǎn)模模式的過過渡，是是一個嚴(yán)嚴(yán)重的、長長期的任任務(wù)。從從傳統(tǒng)制制造向數(shù)數(shù)字制造造轉(zhuǎn)移是是動搖制制造工廠廠所有現(xiàn)現(xiàn)行流程程的、嚴(yán)嚴(yán)重的“再再造”過過程，涉涉及技術(shù)術(shù)、管理理、質(zhì)量量、法規(guī)規(guī)要求、企企業(yè)文化化、工廠廠的硬件件配置、職職工教育育等方面面的深刻刻再造。在在向數(shù)字字化制造造發(fā)展的的道路上上，甚至至還有些些未能預(yù)預(yù)料的困困擾。中中國的航航空制造造業(yè)目前前還必須須快速的的貫通數(shù)數(shù)字化信信息鏈的的各個環(huán)環(huán)節(jié)。二 理解數(shù)數(shù)字化制制造 可可以從不不同角度度理解數(shù)數(shù)字化制制造。在在航空工工業(yè)領(lǐng)域域，經(jīng)常常是將數(shù)數(shù)字化設(shè)設(shè)計和數(shù)數(shù)字化制制造分開開來研究究的。本本文則是是站在制制造現(xiàn)場

13、場這個物物理產(chǎn)品品形成的的基地和和產(chǎn)品價價值增殖殖的搖籃籃的立場場上討論論數(shù)字化化制造的的，目的的是促進進數(shù)字制制造在制制造現(xiàn)場場落地。因因此，先先從數(shù)字字化工廠廠說起。 11 關(guān)于于“數(shù)字字化工廠廠” 界界定數(shù)字字化是決決定我們們在數(shù)字字化領(lǐng)域域里應(yīng)該該做些什什么和怎怎樣去做做的出發(fā)發(fā)點。本本文認為為：數(shù)字字化工廠廠DiggITallizeed FFacttoryy 是一一種全新新的制造造能力或或制造模模式。數(shù)數(shù)字化工工廠利用用產(chǎn)品的的三維數(shù)數(shù)字模型型來定義義和優(yōu)化化產(chǎn)品的的制造過過程，并并向制造造作業(yè)的的各類操操作者提提供數(shù)字字化的制制造指令令和作業(yè)業(yè)指導(dǎo)信信息；在在制造作作業(yè)中，操操作者

14、也也用數(shù)字字化的手手段和裝裝置向上上層業(yè)務(wù)務(wù)過程反反饋數(shù)字字化的作作業(yè)狀態(tài)態(tài)信息。 對對數(shù)字化化工廠的的情景描描述是：制造過過程中傳傳遞和采采集的信信息是數(shù)數(shù)字的、33D的，因因而也必必然是無無紙化的的。分布布在各個個作業(yè)點點上的微微電腦、移移動終端端、RFFID/條碼設(shè)設(shè)備、軟軟件PLLC、數(shù)數(shù)字化測測量設(shè)備備和無線線工業(yè)以以太網(wǎng)是是工廠現(xiàn)現(xiàn)場配備備的基本本裝置。而而實現(xiàn)制制造作業(yè)業(yè)的設(shè)備備，大部部分是數(shù)數(shù)字控制制的。 數(shù)數(shù)字化工工廠最直直接和最最大限度度的簡化化了制造造全生命命周期中中信息傳傳遞的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換過程程，使制制造過程程的效率率和效能能最大化化。數(shù)字字化工廠廠前所未未有的將將制造的的全

15、過程程，包括括思維的的、作業(yè)業(yè)的、物物流的浪浪費降低低到最小小程度，是是全新的的生產(chǎn)方方式。對對數(shù)字化化工廠的的這個描描述，要要害是：將數(shù)字字工廠從從虛擬世世界拉回回到現(xiàn)實實世界中中來。 識別數(shù)數(shù)字化工工廠的要要點是： 一一個基礎(chǔ)礎(chǔ)：數(shù)字字化的33D產(chǎn)品品模型和和定義 三個個要素工藝過程、工工藝裝備備、工廠廠布置和和作業(yè)指指導(dǎo)書的的數(shù)字化化定義和和優(yōu)化，即即是所謂謂“數(shù)字字工廠ddigIITall faactoory”，這這些是完完全在虛虛擬世界界里進行行的 數(shù)字化的生生產(chǎn)指令令和作業(yè)業(yè)指導(dǎo)書書向操作作者傳遞遞和交流流，是虛虛擬的信信息向現(xiàn)現(xiàn)實世界界的轉(zhuǎn)換換，是數(shù)數(shù)字化工工廠里的的人機交交互界

16、面面之一 制造作業(yè)現(xiàn)現(xiàn)實狀態(tài)態(tài)的數(shù)字字化采集集和反饋饋，是現(xiàn)現(xiàn)實世界界信息向向虛擬世世界的傳傳遞和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，是是數(shù)字化化工廠里里的人機機交互的的第二個個界面。 22 數(shù)字字工廠、數(shù)數(shù)字化工工廠和傳傳統(tǒng)工廠廠相比較較 在在大量的的討論數(shù)數(shù)字制造造的文獻獻和著作作中，區(qū)區(qū)分“數(shù)數(shù)字工廠廠”和“數(shù)數(shù)字化工工廠”的的幾乎是是鳳毛麟麟角。最最清晰的的說明出出自于一一本德國國人寫的的關(guān)于MMES的的書 。作作者 Jrrgenn Kllettti 分分別使用用了“ddigIITall faactoory”和和“diigittizeed ffacttoryy”兩個個不同的的詞來表表達2個個不同含含義的“數(shù)數(shù)字工

17、廠廠”數(shù)字工廠ddigIITall faactoory是是現(xiàn)實工工廠的虛虛擬模型型。其主主要目的的是通過過虛擬模模型的數(shù)數(shù)字模擬擬，優(yōu)化化產(chǎn)品設(shè)設(shè)計和制制造過程程，提高高制造的的柔性和和應(yīng)變能能力。 數(shù)字化工廠廠diggITizzed facctorry沒有有止步于于數(shù)字工工廠diigittal facctorry的虛虛擬世界界中，而而是穿越越了人機機界面，將將虛擬的的產(chǎn)品和和制造過過程的信信息傳遞遞到作業(yè)業(yè)工人。而而作業(yè)工工人又采采用數(shù)字字化裝備備將生產(chǎn)產(chǎn)狀態(tài)用用數(shù)字的的形式，反反饋給虛虛擬的工工廠數(shù)字字模型。形形成了從從虛擬到到現(xiàn)實再再回到虛虛擬的完完整的數(shù)數(shù)字化信信息的傳傳遞鏈。數(shù)數(shù)字工

18、廠廠是虛的的，數(shù)字字化工廠廠是實實實在在的的。它們們分別是是產(chǎn)品全全生命周周期信息息的全數(shù)數(shù)字化的的一部分分。 這這里絕不不是咬文文嚼字。作作者認為為，在大大量的研研究數(shù)字字制造的的文獻中中，太多多的止步步于虛擬擬世界的的制造模模擬。也也有的作作者僅僅僅在最終終產(chǎn)品的的飛機交交付時才才回到現(xiàn)現(xiàn)實世界界中來。而而我們則則強調(diào)，制制造數(shù)據(jù)據(jù)在虛擬擬環(huán)境和和現(xiàn)實環(huán)環(huán)境中不不斷地交交替著。數(shù)數(shù)字化加加速了“工工程”領(lǐng)領(lǐng)域的效效率，我我們同樣樣需要的的是數(shù)字字化在“真真刀真槍槍”的加加工制造造過程中中，顯現(xiàn)現(xiàn)它的優(yōu)優(yōu)勢。從從數(shù)字工工廠到數(shù)數(shù)字化工工廠是從從虛到實實的數(shù)字字化“落落地”的的過程。數(shù)數(shù)字化不不落地，物物料永遠遠變不成成產(chǎn)品。 33 數(shù)字字化制造造與數(shù)字字化工廠廠 數(shù)數(shù)字化制制造的概概念與數(shù)數(shù)字化工工廠相同同。但是