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美國(guó)波音公司在 Boeing777787Boeing777787 和洛克希德馬丁公司在F35F35 研制過(guò)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1/31/3，降低研制成本50%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(yùn)載工具的研制和C130C130 的航空電子升級(jí)中，采用MBD/MBIMBD/MBI（基于模型的定義和作業(yè)指導(dǎo)書）縮短裝配工期 57%57%將數(shù)字化制造推向制造現(xiàn)場(chǎng)的更深層次。盡管中國(guó)航空工業(yè)在數(shù)字化制造的部分環(huán)節(jié)近年來(lái)已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,但是歷史上掉隊(duì)加上研制發(fā)展速度

2、的差距，給我國(guó)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(shí)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,為我們刻不容緩的任務(wù)。數(shù)字化制造涵蓋了產(chǎn)品的生命周期的全過(guò)程，但是目前有關(guān)文獻(xiàn)涉及數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字模擬較多，而從制造管理和數(shù)字化在生產(chǎn)車間“落地”的角度推動(dòng)數(shù)字化制造更快的發(fā)展，則顯得比較薄弱。本文以數(shù)字化工廠為中心，試圖討論數(shù)字化制造的均衡發(fā)展的問(wèn)題。一數(shù)字化是一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命數(shù)字化不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)手段的進(jìn)步，信息化和數(shù)字化也不能混為一談。以兩院院士顧頌芬為首的幾位航空工業(yè)的專家指出：“數(shù)字化為制造業(yè)開創(chuàng)了一種新型的生產(chǎn)方式”。他們認(rèn)為：“數(shù)字化是一場(chǎng)深刻的

3、技術(shù)革命?！保皵?shù)字化正在改變著世界，數(shù)字化的生產(chǎn)方式正在從根本上動(dòng)搖著傳統(tǒng)制造業(yè)的基礎(chǔ),催生著一場(chǎng)制造業(yè)的技術(shù)革命”。從波音和空客兩大家航空制造的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)看出,“制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)體現(xiàn)為數(shù)字化這一核心能力的競(jìng)爭(zhēng)”。本文首先理解顧頌芬等專家們將設(shè)計(jì)和制造數(shù)字化置于技術(shù)革命高度的意 義。1 1 工程師自己的工具的發(fā)展緩慢現(xiàn)代的人類社會(huì)，工程和產(chǎn)品的發(fā)展是驚人的。而與之形成極大反差的是，工程界自己描述產(chǎn)品、傳遞產(chǎn)品制造信息的手段的發(fā)展卻是緩慢的。 從 17951795 年發(fā)明畫法幾何、 18401840年發(fā)明藍(lán)圖以來(lái)， 人們一直用二維平面工程視圖來(lái)描述產(chǎn)品。 這種大約沿用了 200200 多年

4、的二產(chǎn)品時(shí)， 首先涌現(xiàn)的是多維的實(shí)體形象而不是一個(gè)個(gè)的平面視圖。品的信息， 必須將這個(gè)活生生的實(shí)體變成為復(fù)雜的、 但為工程界所共識(shí)的平面圖形。 這當(dāng)中 的浪費(fèi)不僅僅是投影圖的繪制，還包括了從實(shí)體形象向抽象的視圖表達(dá)方式的轉(zhuǎn)換的思維，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)的表達(dá)不清和錯(cuò)誤。 制造工程師在接到這種平面圖形以后， 又要用想象恢復(fù)它的立體形狀，以編制工藝過(guò)程。 這又是一番思維、腦力和時(shí)間的浪費(fèi)。 并且對(duì)平面圖形容易發(fā)生。百年來(lái)，制造業(yè)為這種平面圖形的轉(zhuǎn)換付出了巨大的代價(jià)。此外，二維圖紙對(duì)產(chǎn)品的表現(xiàn)是模擬的、非精確的，表現(xiàn)能力是有限的。如飛機(jī)機(jī)行描述。 用二維圖紙表達(dá)這些復(fù)雜形狀，造成了從連續(xù)的精確形狀到不連

5、續(xù)的近似形狀的轉(zhuǎn) 換。這個(gè)過(guò)程同樣既浪費(fèi)了時(shí)間和精力， 又帶來(lái)了誤差。 數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)， 局部的解決了這 類科學(xué)曲線（面）形狀的信息傳遞問(wèn)題。但多數(shù)零件的加工程序還是從平面圖形轉(zhuǎn)換來(lái)的。在飛機(jī)制造中，從產(chǎn)品的圖形到制造它們的模具的凸凹模線、模板、裝配型架、各級(jí)檢驗(yàn)樣板，需要多次傳遞和轉(zhuǎn)移。 在沒(méi)有數(shù)字化制造的年代，這些工作全是手工描繪，在 放大鏡下用精細(xì)刀具磨出來(lái)的。效率和精度受著嚴(yán)重的制約。2 2 傳統(tǒng) CADCAD 的功勞信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CADCAD 軟件，上個(gè)世紀(jì)末的 CADCAD 僅僅幫助人們繪制 2 2 維圖紙。 “甩掉圖板”大大地加快了出2 2 維圖紙的速度，

6、 解放了工程師們的體力勞維工程圖紙?jiān)?jīng)是表現(xiàn)制品信息的唯一辦法。但是， 人的思維是多維的， 工程師們?cè)趧?chuàng)意新為了向制造它的人傳遞產(chǎn)的理解程度往往是能否設(shè)計(jì)出好的制造過(guò)程的關(guān)鍵，對(duì)圖紙理解的錯(cuò)誤又經(jīng)常出現(xiàn)。 工人拿到這種用平面圖形描述的作業(yè)指導(dǎo)書以后，同樣必須將它理解為三維的實(shí)體， 浪費(fèi)和錯(cuò)誤更翼的形狀是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的復(fù)雜型面, , 而在圖紙上只能用多個(gè)剖面逐點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，也使很多描圖員們下了崗。但是甩掉圖板并沒(méi)有甩掉圖紙，也沒(méi)有觸及頭腦浪費(fèi)和轉(zhuǎn)換 錯(cuò)誤的根本問(wèn)題。3 3 實(shí)體造型的 CADCAD 的出現(xiàn)和數(shù)字化的意義隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步，出現(xiàn)了新一代CADCAD 軟件，在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)

7、境中，可以按照設(shè)計(jì)員的思維，直接構(gòu)造出產(chǎn)品和零件的實(shí)體模型。給這種虛擬的 的特征和屬性以后， 可以直接、 直觀地表達(dá)出設(shè)計(jì)員的創(chuàng)意， 零件的形象精確的描述并存在 計(jì)算機(jī)中而不是平面圖紙上。設(shè)計(jì)信息直接從網(wǎng)上傳遞到世界各地為它加工的地方，依據(jù) 維模型編制制造過(guò)程、NCNC 程序，傳遞到 NCNC 機(jī)床上進(jìn)行加工。從此徹底的改變了工程設(shè)計(jì)的 方式和設(shè)計(jì)信息的傳遞方式。過(guò)去的研制過(guò)程，必須做出真正的產(chǎn)品樣機(jī)以后，才能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤或不協(xié)調(diào)，真實(shí)的進(jìn)行負(fù)載、 空氣動(dòng)力的試驗(yàn)， 按照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正， 這樣的反復(fù)， 增加了研制周期，大量的物資和實(shí)驗(yàn)設(shè)備建設(shè)的資金消耗。 而利用數(shù)字化的產(chǎn)品模型， 可以進(jìn)行

8、原來(lái)必須靠實(shí)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)和減少工程師們自己的腦力浪費(fèi)的領(lǐng)域。所以說(shuō)，產(chǎn)品信息的描述和在制造各個(gè)環(huán)節(jié)之間的傳遞，從模擬的、二維平面的模式向三維的、 數(shù)字的模式轉(zhuǎn)換， 成為人類制造工程歷史上的一次重大的革命。 它免除了大量的 3D3D 與 2D2D 的轉(zhuǎn)換，避免了大量的必須靠實(shí)物進(jìn)行判別、評(píng)估和確認(rèn)的工作。 可以預(yù)先精確的定義，進(jìn)行模擬和優(yōu)化，將可能發(fā)生的錯(cuò)誤提前解決。所釋放出的效能是過(guò)去任何時(shí)期的任何技術(shù)進(jìn)度所不可比擬的。4 4 對(duì)數(shù)字化制造全景的描述3 3 維實(shí)體模型賦予必要物進(jìn)行的模擬和試驗(yàn)，節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力特別是時(shí)間的消耗， 將精益制造推進(jìn)將實(shí)體世界的事， 放在虛擬世界中解決，從

9、而大大的降低了成本、減少了生產(chǎn)周期。在3D3D 的數(shù)字化模型基礎(chǔ)上的一系列應(yīng)用近幾年來(lái)，美國(guó)航空工業(yè)又取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。下圖是美國(guó)戰(zhàn)神航天飛行器數(shù)字化制造全過(guò)程的示意圖?？梢钥闯?，在這個(gè)實(shí)例中，突破了由 間轉(zhuǎn)移的幾個(gè)很現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)折:1)1) 3D3D 模型的可制造化2)2) 3D3D 設(shè)計(jì)向 3D3D 工藝的轉(zhuǎn)換OFMJVROFMJVR 寸伽-美國(guó)戰(zhàn)神航天飛行器的數(shù)字化開發(fā)過(guò)程在長(zhǎng)長(zhǎng)的制造數(shù)字化信息鏈中，以2D2D 為基礎(chǔ)的龐大而根深蒂固的傳統(tǒng)方法向新的3D3D 為基礎(chǔ)的新生產(chǎn)模式的過(guò)渡，是一個(gè)嚴(yán)重的、長(zhǎng)期的任務(wù)。從傳統(tǒng)制造向數(shù)字制造轉(zhuǎn)移是動(dòng)搖制造工廠所有現(xiàn)行流程的、嚴(yán)重的“再造”過(guò)程，涉及技術(shù)、

10、管理質(zhì)量、法規(guī)要求、 企業(yè)文化、工廠的硬件配置、職工教育等方面的深刻再造。在向數(shù)字化制造發(fā)展的道路上,3D3D 實(shí)體模型向可用于制造和向車3)3)將 3D3D 的產(chǎn)品和工藝信息向制造作業(yè)的工人傳遞4)4)制造作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集和反饋5)5)數(shù)字化質(zhì)量和依從性文檔的管理nMAs-BuiltAs-BuiltKSfl 于炸業(yè)靱豊Efltt 于HI整甚至還有些未能預(yù)料的困擾。 中國(guó)的航空制造業(yè)目前還必須快速的貫通數(shù)字化信息鏈的各個(gè) 環(huán)節(jié)。二理解數(shù)字化制造可以從不同角度理解數(shù)字化制造。在航空工業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)常是將數(shù)字化設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造分開來(lái)研究的。本文則是站在制造現(xiàn)場(chǎng)這個(gè)物理產(chǎn)品形成的基地和產(chǎn)品價(jià)值增

11、殖的搖籃的立場(chǎng)上討論數(shù)字化制造的，目的是促進(jìn)數(shù)字制造在制造現(xiàn)場(chǎng)落地。因此，先從數(shù)字化工廠 說(shuō)起。1 1 關(guān)于“數(shù)字化工廠”界定數(shù)字化是決定我們?cè)跀?shù)字化領(lǐng)域里應(yīng)該做些什么和怎樣去做的出發(fā)點(diǎn)。本文認(rèn)為：數(shù)字化工廠 DigITalizedDigITalized FactoryFactory是一種全新的制造能力或制造模式。數(shù)字化工廠利 用產(chǎn)品的三維數(shù)字模型來(lái)定義和優(yōu)化產(chǎn)品的制造過(guò)程，并向制造作業(yè)的各類操作者提供數(shù) 字化的制造指令和作業(yè)指導(dǎo)信息；在制造作業(yè)中，操作者也用數(shù)字化的手段和裝置向上層業(yè)務(wù)過(guò)程反饋數(shù)字化的作業(yè)狀態(tài)信息。數(shù)字化測(cè)量設(shè)備和無(wú)線工業(yè)以太網(wǎng)是工廠現(xiàn)場(chǎng)配備的基本裝置。部分是數(shù)字控制的。數(shù)字

12、化工廠最直接和最大限度的簡(jiǎn)化了制造全生命周期中信息傳遞的轉(zhuǎn)換過(guò)程，使制造過(guò)程的效率和效能最大化。數(shù)字化工廠前所未有的將制造的全過(guò)程，包括思維的、 的、物流的浪費(fèi)降低到最小程度，是全新的生產(chǎn)方式。對(duì)數(shù)字化工廠的這個(gè)描述，要害是: 將數(shù)字工廠從虛擬世界拉回到現(xiàn)實(shí)世界中來(lái)。對(duì)數(shù)字化工廠的情景描述是：制造過(guò)程中傳遞和采集的信息是數(shù)字的、3D3D 的,因而也必然是無(wú)紙化的。分布在各個(gè)作業(yè)點(diǎn)上的微電腦、移動(dòng)終端、RFID/RFID/條碼設(shè)備、軟件PLCPLC而實(shí)現(xiàn)制造作業(yè)的設(shè)備,作業(yè)識(shí)別數(shù)字化工廠的要點(diǎn)是: 一個(gè)基礎(chǔ)：數(shù)字化的 3D3D 產(chǎn)品模型和定義三個(gè)要素工藝過(guò)程、工藝裝備、工廠布置和作業(yè)指導(dǎo)書的數(shù)字

13、化定義和優(yōu)化，即是所謂“數(shù) 字工廠 digITdigIT alalfactoryfactory ”，這些是完全在虛擬世界里進(jìn)行的 數(shù)字化的生產(chǎn)指令和作業(yè)指導(dǎo)書向操作者傳遞和交流，是虛擬的信息向現(xiàn)實(shí)世界的 轉(zhuǎn)換，是數(shù)字化工廠里的人機(jī)交互界面之一制造作業(yè)現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的數(shù)字化采集和反饋，是現(xiàn)實(shí)世界信息向虛擬世界的傳遞和轉(zhuǎn)換, 是數(shù)字化工廠里的人機(jī)交互的第二個(gè)界面。2 2 數(shù)字工廠、數(shù)字化工廠和傳統(tǒng)工廠相比較在大量的討論數(shù)字制造的文獻(xiàn)和著作中，區(qū)分“數(shù)字工廠”和“數(shù)字化工廠”的幾乎是鳳毛麟角。最清晰的說(shuō)明出自于一本德國(guó)人寫的關(guān)于 分別使用了“ digdigITalfactoryfactory ”和“dig

14、itizeddigitizedfactoryfactory ”兩個(gè)不同的詞來(lái)表達(dá) 2 2 個(gè)不同含 義的“數(shù)字工廠”數(shù)字工廠 digITaldigITal factoryfactory是現(xiàn)實(shí)工廠的虛擬模型。其主要目的是通過(guò)虛擬模型的 數(shù)字模擬，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，提高制造的柔性和應(yīng)變能力。數(shù)字化工廠 digITizeddigITized factoryfactory沒(méi)有止步于數(shù)字工廠digitaldigital factoryfactory 的虛擬世界 中，而是穿越了人機(jī)界面，將虛擬的產(chǎn)品和制造過(guò)程的信息傳遞到作業(yè)工人。而作 業(yè)工人又采用數(shù)字化裝備將生產(chǎn)狀態(tài)用數(shù)字的形式，反饋給虛擬的工廠數(shù)

15、字模型。MESMES 勺書。作者 J JUrgenrgen KlettiKletti形成了從虛擬到現(xiàn)實(shí)再回到虛擬的完整的數(shù)字化信息的傳遞鏈。數(shù)字工廠是虛的,數(shù)字化工廠是實(shí)實(shí)在在的。它們分別是產(chǎn)品全生命周期信息的全數(shù)字化的一部分。這里絕不是咬文嚼字。作者認(rèn)為，在大量的研究數(shù)字制造的文獻(xiàn)中，太多的止步于虛擬世界的制造模擬。 也有的作者僅僅在最終產(chǎn)品的飛機(jī)交付時(shí)才回到現(xiàn)實(shí)世界中來(lái)。而我們則強(qiáng)調(diào)，制造數(shù)據(jù)在虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不斷地交替著。數(shù)字化加速了“工程”領(lǐng)域的效率，我們同樣需要的是數(shù)字化在“真刀真槍”的加工制造過(guò)程中,顯現(xiàn)它的優(yōu)勢(shì)。從數(shù)字工廠到數(shù)字化工廠是從虛到實(shí)的數(shù)字化“落地”的過(guò)程。數(shù)字化不落地，物料永遠(yuǎn)變不成產(chǎn)品。3 3 數(shù)字化制造與數(shù)字化