1、从管理视角看数字化制造美国波音公司在 Boeing777787 和洛克希德马丁公司在 JFS(F35)研制过程中，采用数字制造缩短了研制周期至 1/3，降低研制成本 50%，开创了航空数字化制造的先河。最近，在数字化制造的第二次浪潮中，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。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，甚至威胁着国防安全和商用飞机市场的发展。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
2、产方式的转变，成为我们刻不容缓的任务。我国航空工业早些年已经开始了实施“飞机制造业数字化工程”规划的工作。近年来，中国航空工业在数字化制造的设计、模拟等环节，已经得到了长足的发展。某些技术已经比较成熟，在最近的一大批新型号的研制中，发挥着重要作用。我国航空工业特别是飞机制造企业的数字化进程正在沿着这一规划快步前行。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。本文将结合某个数字化应用的课题，以数字化工厂为中心，试图讨论数字化制造在制造车间均衡发展的问题。 下面将讨论的内
3、容是：一、数字化是一场深刻的技术革命二、理解数字化制造三、当前数字化工厂应用研究的重点四、界定数字化制造的几个关系五、结束语任务、挑战和机遇一、数字化是一场深刻的技术革命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” 。的确，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” 。浏览相关的文献和资料，多数人仅仅将数字化作为一项技术手段的进步，并且将信
4、息化和数字化混为一谈。所以必须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，工程界自己精确地描述产品、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，在绘制这种二维图纸的时候，首先存在着人力的巨大的浪费。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
5、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
6、。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
7、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
8、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
9、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2） 3D 设计向 3D 工艺
10、的转换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重构。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的信息链的各个环节。这是目前我们尚待努力的突破领域，也是我们面临的挑战、机遇和商机。二
11、、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
12、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，最要害的是：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
13、：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，生产指令和作业指导书向操作者的数字化传递和交流，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 1
14、。作者 Jrgen 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
15、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。而我们则认为，在制造过程中不得不强调虚拟环境和现实环境是在不断地交替着。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
16、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。产品的 3D 数字化模型是数字工厂的基础，但是把它当作已知条件被划在了数字化工厂之外，这也符合我国设计制造分家的组织现实。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。三、当前数字化工厂应用研究的重点我们抽象出数字化工厂
17、的 3D 信息传递模型是：以物料转变现场的工人制造作业为核心，描述数字化的 3D 信息的传递和转换过程。这些过程是：但是，我们发现，在数字化 3D 信息传递的这几个环节之间，目前都存在断点，尚未形成流畅的数字化数据链。我们的任务就是逐步的将这些断点弥合，届时才能构建成可以运作的数字化工厂。1.3D 设计模型中可制造信息的定义尽管有了 3 维 CAD 和 PDM，解决了产品的 3 维设计造型和数据管理和协同问题，但仅靠 3 维模型往往难以进行产品的生产和检验。三维模型上没有与生产技术、模具设计与生产、零部件加工与装配、检验检测所必须的数据，生产人员不能从三维模型上直观的了解制造该产品必须的设计意
18、图。具体来说，过去的三维模型的优势是对零件形状的描述，它包括了二维图纸所不具备的详细形状信息。不过三维数据中却不包括尺寸和几何形状的公差、表面粗糙度、表面处理要求、热处理要求、一致材质、连接方式、间隙或过盈配合的规定、润滑、颜色、要求符合的规格与标准等等仅靠形状而无法表达的非形状信息。另外过去的三维模型对形状中必要提示的注释、关键部位的放大图、剖面图等更为灵活和合理的传达设计意图的手段，也大大逊色于二维图纸。为此，过去很长的时期，所采用的折中方式是不同程度的三维模型和二维图纸配合使用。但是始终抛弃不掉二维图纸，向数字制造的过渡就不能完成。当前， “基于模型的定义(Model Based Def
19、inition ,MBD)”弥合了三维模型直接用于制造的技术。实际上，MBD 是一种基于 3D 的产品数字化标注技术，它采用三维数字化模型对产品数字化信息的完整描述，如：对三维空间实体模型的尺寸、几何形状、公差、注释的标注。对产品的非几何信息进行标注（产品物理特征、制造特征、数据管理特征、状态特征的属性）和零件表的描述。非几何信息定义在“规范树”上。MBD 是产品设计技术的重大进步：在三维模型上用简明直接的方式加入了产品的制造信息，进一步实现了 CAD 到CAM（加工、装配、测量、检测）的集成，为彻底取消二维图纸创造了可能定义了非几何信息（包括 BOM）数字化和结构化的。给制造管理系统的数字化
20、创造了条件！为并行工程创造信息并行和共享的基础！可以直接进入制造，减少 NC 编程时间 50%！目前 MBD 已经相对成熟。美国制造工程师协会与 2003 年发布了“数字化产品定义数据实践 ASME Y14.42-2003” 各个 CAD 软件（CATIA，SIMENS，PTC）都对 ASME Y14.41 标准支持。波音等航空制造商制订自己的 3D 开发标准，与 CATIA、Delimia 软件集成，在产品中应用，众多的二级供应商和伙伴也制订自己的 3D 开发标准开始应用。2.MBI 基于模型的制造技术但是，MBD 解决的仍旧是制造“什么 What?”或者制造要求的标注问题，尽管 MBD可以
21、直接编制 NC 程序，检验程序。但它并不是针对“如何 How?”制造问题的解决方案。对于多工序和复杂的装配作业，指导零件制造过程的“作业指导书” （或工艺路线和工艺规程）仍然是需要的。于是出现了“三维工艺”的问题。因此， “基于模型的作业指导书(Model-Based Instructions, MBI) ”应运而生。MBI 是由3D 设计模型生成的车间工作指导书。MBI 技术的出现，在车间现场消除了纸质的二维作业文档，直接使用 3D 图形。MBI 是当今制造科学成就的顶尖成果。使用 MBI 通过减少对作业说明的解释和因理解错误造成的损失 、更高的可装配性、和缩短学习曲线，缩短生产周期。波音公
22、司的 MBI，包括 4 个方面的内容：从数字模型到 3D 工作指导书的生成效率和人机环境改进的分析通过分布式联机网络实时的提供工程数据和发布以减少对图纸的解释工作量为目标的、基于 MBI 的电子采购说明。MBI 和现场的制造执行系统集成在一起。相关人员可以在物流中心、库房、装配现场、飞机上、机舱内部用各种便携式电脑通过无线网络实时的访问这些作业指导书。在 MBI 的主屏幕上，设置人机交互功能，可以采集及时发生的问题，并加入到数字模型中以进行未来的改进和版本管理。MBI 是在制造过程管理(Manufacturing Process Management，MPM) 系统中生成和管理的。MPM 是将
23、产品数字化模型变为数字化制造过程的重要方法。MPM 原本是一种作用在扩展企业上的协同开发和优化制造过程的业务策略，它与 PDM 集成在一起，成为编制、模拟和管理制造过程的协同工作环境。MPM 解决方案提供一个开放的平台和一组应用系统，用于工艺过程的原理规划、设计、优化和管理，直至提供给生产现场。有些解决方案还包括工艺过程的联机执行。MPM 提供“如何制造”的能力，包括从装配顺序、车间布置规划、生产线的平衡和成本计算到电子作业指导书。据称，DELMIA V5R18 数字化软件可以直接参与 CATIA V5 建立的 MBD 模型和几何尺寸形位公差生成 3D 装配作业指导书。其它各个 PLM软件都扩
24、充了 MPM 制造过程管理系统创建工艺过程和作业指导书。目前网络上可以做到的 MBI 应用是美国战神运载工具的研制和波音对 C130 运输机电子系统改造项目。他们采用 MBD/MBI，通过降低学习曲线和减少与设计员的交流。仅采用MBI 工艺一项就减少装配工时 57%，成为通过信息化直接大幅度减少作业工时的新案例。在中国的航空工业，设备和车间布置状态的更新较慢，造成了分散的多步骤加工还会存在相当长的时期。而从目前的势头看，MBD 的推广会很快，加上承担波音的外包生产的需要，同样造成了对“三维工艺”的需求压力。3.向作业工人的数字化信息的传递即便是解决了工艺规程设计中的 3D 表现问题，在现场的应用，又出现一个断层：某些企业在努力打印 3D 的工艺规程或工作指导书，数字化设计工艺信息直接向最终的操作者的传递始终阻力重重。3D 的 MBI 发布给工人，工人怎样来看？这似乎是个简单的买几台电脑的事。但是简单问题也有它的复杂性，其中有两个瓶颈：需要有中立、便宜的、安全的显示 MBD/MBI 的软件，目前 Adobe Acrobat 3D 成为开放的 3D 显示软件涉及目前车间的布置和网络的设置。当前多数车间的布置是没有电脑的位置的。现场特别是在机舱中作业时对网络的需求，使得车间里无线以太网大行其道。但是，无线网络的涉及的信息安全问题，制度和技术问题都必须及早提出解决方案来。
