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)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，

2、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,為我們刻不容緩的任務。數(shù)字化制造涵蓋了產(chǎn)品的生命周期的全過程，但是目前有關(guān)文獻涉及數(shù)字化設計和數(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)展的問題。一數(shù)字化是一場深刻的技術(shù)革命數(shù)字化不僅僅是一項技術(shù)手段的進步，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”。他們認為：“數(shù)字化是一場深刻的技術(shù)革命?！?，“數(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搖著傳統(tǒng)制

3、造業(yè)的基礎,催生著一場制造業(yè)的技術(shù)革命”。從波音和空客兩大家航空制造的技術(shù)競爭的重點看出,“制造業(yè)的競爭已經(jīng)體現(xiàn)為數(shù)字化這一核心能力的競爭”。本文首先理解顧頌芬等專家們將設計和制造數(shù)字化置于技術(shù)革命高度的意 義。1工程師自己的工具的發(fā)展緩慢現(xiàn)代的人類社會，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1795年發(fā)明畫法幾何、 1840年發(fā)明藍圖以來， 人們一直用二維平面工程視圖來描述產(chǎn)品。 這種大約沿用了 200 多年的二維工程圖紙曾經(jīng)是表現(xiàn)制品信息的唯一辦法。但是， 人的思維是多維的， 工程師們在創(chuàng)意新為了向制造它的人傳遞產(chǎn)

4、產(chǎn)品時， 首先涌現(xiàn)的是多維的實體形象而不是一個個的平面視圖。品的信息， 必須將這個活生生的實體變成為復雜的、 但為工程界所共識的平面圖形。 這當中 的浪費不僅僅是投影圖的繪制，還包括了從實體形象向抽象的視圖表達方式的轉(zhuǎn)換的思維， 在轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的表達不清和錯誤。 制造工程師在接到這種平面圖形以后， 又要用想象恢復它的立體形狀，以編制工藝過程。 這又是一番思維、腦力和時間的浪費。 并且對平面圖形的理解程度往往是能否設計出好的制造過程的關(guān)鍵，對圖紙理解的錯誤又經(jīng)常出現(xiàn)。 工人拿到這種用平面圖形描述的作業(yè)指導書以后，同樣必須將它理解為三維的實體， 浪費和錯誤更容易發(fā)生。百年來，制造業(yè)為這種平面圖形

5、的轉(zhuǎn)換付出了巨大的代價。此外，二維圖紙對產(chǎn)品的表現(xiàn)是模擬的、非精確的，表現(xiàn)能力是有限的。如飛機機翼的形狀是根據(jù)空氣動力學計算和實驗得到的復雜型面, 而在圖紙上只能用多個剖面逐點進行描述。 用二維圖紙表達這些復雜形狀，造成了從連續(xù)的精確形狀到不連續(xù)的近似形狀的轉(zhuǎn) 換。這個過程同樣既浪費了時間和精力， 又帶來了誤差。 數(shù)控機床的出現(xiàn)， 局部的解決了這 類科學曲線（面）形狀的信息傳遞問題。但多數(shù)零件的加工程序還是從平面圖形轉(zhuǎn)換來的。在飛機制造中，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、各級檢驗樣板，需要多次傳遞和轉(zhuǎn)移。 在沒有數(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

6、刀具磨出來的。效率和精度受著嚴重的制約。2傳統(tǒng)CAD的功勞信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了計算機輔助設計 CAD軟件，上個世紀末的CAD僅僅幫助人們繪制 2維圖紙。 “甩掉圖板”大大地加快了出2維圖紙的速度， 解放了工程師們的體力勞動，也使很多描圖員們下了崗。 但是甩掉圖板并沒有甩掉圖紙， 也沒有觸及頭腦浪費和轉(zhuǎn)換 錯誤的根本問題。3實體造型的CAD的出現(xiàn)和數(shù)字化的意義3 維實體模型賦予必要隨著計算機技術(shù)進步，出現(xiàn)了新一代CAD 軟件，在計算機的虛擬環(huán)境中，可以按照設計員的思維，直接構(gòu)造出產(chǎn)品和零件的實體模型。給這種虛擬的 的特征和屬性以后， 可以直接、 直觀地表達出設計員的創(chuàng)意， 零件的形象精確的描述

7、并存在 計算機中而不是平面圖紙上。設計信息直接從網(wǎng)上傳遞到世界各地為它加工的地方，依據(jù) 維模型編制制造過程、NC程序，傳遞到NC機床上進行加工。從此徹底的改變了工程設計的 方式和設計信息的傳遞方式。過去的研制過程，必須做出真正的產(chǎn)品樣機以后，才能發(fā)現(xiàn)設計的錯誤或不協(xié)調(diào)，真實的進行負載、 空氣動力的試驗， 按照試驗結(jié)果進行修正， 這樣的反復， 增加了研制周期，大量的物資和實驗設備建設的資金消耗。 而利用數(shù)字化的產(chǎn)品模型， 可以進行原來必須靠實物進行的模擬和試驗，節(jié)省了大量的人力、物力、財力特別是時間的消耗， 將精益制造推進到產(chǎn)品設計和減少工程師們自己的腦力浪費的領域。所以說，產(chǎn)品信息的描述和在制

8、造各個環(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3D與2D的轉(zhuǎn)換，避免了大量的必須靠實物進行判別、評估和確認的工作。 可以預先精確將實體世界的事， 放在虛擬世界中的定義，進行模擬和優(yōu)化，將可能發(fā)生的錯誤提前解決。解決，從而大大的降低了成本、減少了生產(chǎn)周期。在3D的數(shù)字化模型基礎上的一系列應用所釋放出的效能是過去任何時期的任何技術(shù)進度所不可比擬的。4 對數(shù)字化制造全景的描述近幾年來，美國航空工業(yè)又取得長足的進步。下圖是美國戰(zhàn)神航天飛行器數(shù)字化制3D實體模型向可用于制造和向車造全過程的示意圖?？梢钥闯?，在這個實例中

9、，突破了由 間轉(zhuǎn)移的幾個很現(xiàn)實的轉(zhuǎn)折:1) 3D模型的可制造化2) 3D設計向3D工藝的轉(zhuǎn)換3)將3D的產(chǎn)品和工藝信息向制造作業(yè)的工人傳遞4)制造作業(yè)現(xiàn)場的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集和反饋5)數(shù)字化質(zhì)量和依從性文檔的管理tt于HI整的定嵐OFMJVR 寸伽-n«MAs-BuiltKSfl于炸業(yè)靱豊Efl美國戰(zhàn)神航天飛行器的數(shù)字化開發(fā)過程在長長的制造數(shù)字化信息鏈中，以2D為基礎的龐大而根深蒂固的傳統(tǒng)方法向新的3D為基礎的新生產(chǎn)模式的過渡，是一個嚴重的、長期的任務。從傳統(tǒng)制造向數(shù)字制造轉(zhuǎn)移是動搖制造工廠所有現(xiàn)行流程的、嚴重的“再造”過程，涉及技術(shù)、管理質(zhì)量、法規(guī)要求、 企業(yè)文化、工廠的硬件配置、職工

10、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,甚至還有些未能預料的困擾。 中國的航空制造業(yè)目前還必須快速的貫通數(shù)字化信息鏈的各個 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)領域，經(jīng)常是將數(shù)字化設計和數(shù)字化制造分開來研究的。本文則是站在制造現(xiàn)場這個物理產(chǎn)品形成的基地和產(chǎn)品價值增殖的搖籃的立場上討論數(shù)字化制造的，目的是促進數(shù)字制造在制造現(xiàn)場落地。因此，先從數(shù)字化工廠 說起。1關(guān)于“數(shù)字化工廠”界定數(shù)字化是決定我們在數(shù)字化領域里應該做些什么和怎樣去做的出發(fā)點。本文認為：數(shù)字化工廠DigITalized Factory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)

11、字模型來定義和優(yōu)化產(chǎn)品的制造過程，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)務過程反饋數(shù)字化的作業(yè)狀態(tài)信息。對數(shù)字化工廠的情景描述是：制造過程中傳遞和采集的信息是數(shù)字的、3D的,因而也必然是無紙化的。分布在各個作業(yè)點上的微電腦、移動終端、RFID/條碼設備、軟件PLC而實現(xiàn)制造作業(yè)的設備,數(shù)字化測量設備和無線工業(yè)以太網(wǎng)是工廠現(xiàn)場配備的基本裝置。部分是數(shù)字控制的。數(shù)字化工廠最直接和最大限度的簡化了制造全生命周期中信息傳遞的轉(zhuǎn)換過程，使作業(yè)制造過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程，包括思維的、 的、物流的浪

12、費降低到最小程度，是全新的生產(chǎn)方式。對數(shù)字化工廠的這個描述，要害是: 將數(shù)字工廠從虛擬世界拉回到現(xiàn)實世界中來。識別數(shù)字化工廠的要點是: 一個基礎：數(shù)字化的 3D產(chǎn)品模型和定義三個要素工藝過程、工藝裝備、工廠布置和作業(yè)指導書的數(shù)字化定義和優(yōu)化，即是所謂“數(shù) 字工廠digIT al factory ”，這些是完全在虛擬世界里進行的 數(shù)字化的生產(chǎn)指令和作業(yè)指導書向操作者傳遞和交流，是虛擬的信息向現(xiàn)實世界的 轉(zhuǎn)換，是數(shù)字化工廠里的人機交互界面之一制造作業(yè)現(xiàn)實狀態(tài)的數(shù)字化采集和反饋，是現(xiàn)實世界信息向虛擬世界的傳遞和轉(zhuǎn)換, 是數(shù)字化工廠里的人機交互的第二個界面。2數(shù)字工廠、數(shù)字化工廠和傳統(tǒng)工廠相比較MES

13、勺書。作者 J U rgen Kletti在大量的討論數(shù)字制造的文獻和著作中，區(qū)分“數(shù)字工廠”和“數(shù)字化工廠”的幾乎是鳳毛麟角。最清晰的說明出自于一本德國人寫的關(guān)于 分別使用了“ dig ITal factory ”和“digitized factory ”兩個不同的詞來表達 2個不同含 義的“數(shù)字工廠”數(shù)字工廠digITal factory是現(xiàn)實工廠的虛擬模型。其主要目的是通過虛擬模型的 數(shù)字模擬，優(yōu)化產(chǎn)品設計和制造過程，提高制造的柔性和應變能力。數(shù)字化工廠digITized factory沒有止步于數(shù)字工廠digital factory 的虛擬世界 中，而是穿越了人機界面，將虛擬的產(chǎn)品和制

14、造過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)字模型。形成了從虛擬到現(xiàn)實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)字化工廠是實實在在的。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。作者認為，在大量的研究數(shù)字制造的文獻中，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)品的飛機交付時才回到現(xiàn)實世界中來。而我們則強調(diào)，制造數(shù)據(jù)在虛擬環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境中不斷地交替著。數(shù)字化加速了“工程”領域的效率，我們同樣需要的是數(shù)字化在“真刀真槍”的加工制造過程中,顯現(xiàn)它的優(yōu)勢。從數(shù)字工廠到數(shù)字化工廠是從虛到實的數(shù)字化“落地”的過程。數(shù)字化不落地，物料永遠變不成產(chǎn)品。3數(shù)字化制造與數(shù)字化工廠數(shù)字化制造的概念與數(shù)字化工