数字化制造的内涵

数字化制造的内涵、未来和当前的应用问题2011-07-27 08:06:07 e-works 【大】【中】【小】 评论：0 条数字化制造是制造企业的未来，中国的制造企业必须选择时机展开踏实的积极的应用。让数字化技术支撑中国创新性的制造。还需要培育和发展自主版权的数字化制造的支持软件。1 关于”数字化制造”的内涵及包含的技术关于怎样定义“数字化制造”和数字化制造的内涵的确需要一次大讨论。“数字制造”（Digital Manufacturing）的定义很明确，它仅仅指的是在虚拟世界建立产品制作过程，“真戏假作”的那些事。而在“数字制造”中间加了个“化”字，我在文献上和网上查找了许久，没有找到满意的答案。这一“化”就出现了混淆和不知所从。并且，过分强调了“化”，又会出现为“化”而“化”的所有弊病。但是终究“数字化制造”在中国制造业中已经是个很普及的词语了，“XX数字化”、“数字化XX”也随处可见，“化”已经成为不可阻挡的热潮，因此可能还是将它说清楚为好。这样可以让大家真正“数字化”起来，不要不自觉的去做“山寨”版的数字化制造。我的理解：术语“数字化制造”代表所有基于3D模型的产品和工艺定义的、用于产品生命周期各个阶段的设计、仿真和实现技术的集合。按照产品的生命周期过程，数字化制造的内涵包括下面的内容：数字化制造在产品生命周期的创新和设计阶段，采用的是3D CAD实体造型和基于模型的产品定义MBD （MBDefinition），以及在3D模型和基于模型定义基础上的各类对产品自身性能的仿真技术；在产品生命周期的工艺设计阶段，采用的数字化技术是“数字制造（Digital Manufacturing）”，有的软件公司叫它是制造过程管理Manufacturing Process Management，MPM，其中包括了基于3D模型的过程设计、各种工艺过程和装配的仿真、工厂或车间配置及流转的仿真、人体工程学的仿真等。经过在虚拟环境中仿真优化的制造过程，用“基于模型的作业指导书（MBInstruction） ”和“基于模型的检验（MBInspections）”等形式发布到数字化工厂去。至此，数字化进程仍旧停留在计算机的虚拟环境之中。产品生命周期的制造阶段使用的数字化技术是“数字化工厂Digitalized Factory”。数字化工厂将来自数字制造的产品的3D数字模型定义和经过仿真优化的制造过程，以MBI的形式发布给制造作业的各类操作者。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。或者数字化工厂直接使用产品及过程模型来计划,显示和实施过程执行的作业、监视和控制。相关的过程的模型紧密的链接在一起，并与控制系统彻底的集成，成为一个统一的、自动适应需求和过程环境实时变化的互动过程。数字化工厂是从虚拟环境中接收和反馈3D制造信息的现实工厂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。数字化工厂是虚拟的数字工程环境和现实工厂之间的窗口，或集成。对数字化工厂的软件支持是基于模型的制造执行系统。未来数字技术必然会扩展到产品生命周期的维修阶段，届时还有“数字化支持维修Digitalized Sustainment”，等概念的出现，它的内容与数字化工厂相近。在产品和工艺开发过程创建的模型和模拟直接在整个产品生命周期的各个阶段使用，给用户和支持维护人员提供不断向下游传递的3D模型和数据。企业价值链成员将使用真实世界的效果和维护/维修/故障数据来评估产品和工艺的集成作业环境，反馈给产品设计，进行产品设计的改进。维护和支持阶段应用的数字化技术有：基于模型的产品监控Model-Based Monitoring of Product ；基于模型的维护Model-Based Maintenance；基于模型的用户和维修人员的培训Model-Based Training等。 在产品生命周期不同阶段使用的数字技术和系统在数字制造中还有一类属于数字制造但又独立成为一个分支的技术，如：3D打印 3D Printing，加法制造 Additive Manufacturing, 快速原型Rapid Prototyping, 快速制造Rapid Manufacturing, 个性化制造Personal Manufacturing和分层制造Layered Manufacturing 等，这些都是可以从3D设计直接、快速的制作出成品的各种方法。为了避免混淆，美国制造工程师协会Society of Manufacturing Engineers打造了一个新的术语：“direct digital manufacturing直接数字制造”来描述这些方法的共同特点。SME定义直接数字制造为：“直接采用零件的电子的、数字的表达经由加法制造additive manufacturing方式做出最终产品的过程”。数字化制造的内涵是在发展之中的，各种技术的分类界限也不是绝对严格的。如，有人或有些行业，从来不把设计和制造联合起来，所以区分出“数字化设计”和不含设计阶段的“数字化制造”；也有些专家和文献将数字化工厂包括了设计、工艺和实现的全部内容；以及要不要将加法的直接数字制造和常规的数字制造一起讨论等等，对这些见解和做法我认为可以各持己见，没有必要费笔墨去统一它。数字化制造是制造企业的未来，中国的制造企业必须选择时机展开踏实的积极的应用。让数字化技术支撑中国创新性的制造。还需要培育和发展自主版权的数字化制造的支持软件。2、数字化制造技术的应用价值对数字化制造技术应用价值的讨论，我认为是非常重要的。这不仅仅是对提高效率、减低成本之类的常规评估，还必须看到数字化制造技术有两点革命性的突破：其一是填平了人的思维与工程表达之间鸿沟。用二维平面工程视图来描述产品的方法大约沿用了200多年。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。2D产品定义的数据链存在着人力物力的巨大的浪费。制造业为这种平面图形的转换付出了巨大的代价。3D产品定义和直接使用3D数据传递，消除了人的思维的变换和由此造成的一切不清晰和失误，压低了几乎所有作业人员的学习曲线。数字化制造成为精益制造近期革命性的进展。第二是数字化制造对支撑创新和创造有重要作用。数字制造又一个最大的优势是，在计算机的虚拟世界中将产品和工艺设计中可能发生的错误和决策失误提前揭露和消灭。在实地制造之前验证是否实现了客户的需求和设计的意图。比起在现实的物质世界中验证效果，会大大地节省时间、资源和金钱。对加快创新产品的研制速度、推向市场的时间起着关键的作用。例如，欧洲的机床工业，目前向定制化机床发展，按照客户的要求将若干功能组合到一起，实现某种特定零件的全部加工。过去类似机床的设计制造，一直到装配出来的试切才能验证设计的成功，花费时间长，研制成本高。而利用数字制造，在虚拟环境先设计、运动模拟，工艺仿真、在虚拟环境中装配出机床，虚拟运行来验证是否能够达到客户的需求，还演示给客户看，既节省了资源和时间，又抓住了客户。这是数字化支持创新的典型案例之一。加速客户化产品的研制的周期是数字化制造的主要领域。同样在航空航天等复杂产品制造中，将模型置于虚拟环境中模拟，预先确认设计和工艺，将大大减少因反复带来的一切弊病，可以降低创新产品的风险和加快创新产品投放市场的步伐。所以，数字化制造对于客户化定制行业、敏捷制造会有更大的潜力。3、数字化制造技术未来的发展前景谈及关于数字化制造技术未来的发展前景，我认为需要给出一个比较具体的“蓝图”来。从数字制造的观点，描述未来前景用“蓝图”的比喻已经过时，但是在这里提出一个数字化制造的未来“模型”就太严肃也确实不容易建立。这里我借鉴美国人现在做的事和他们正在执行的一个计划来表达数字化制造的未来，可能有助于大家讨论。这里只谈两件事：数字线digital thread洛克希德?马丁公司在美国新一代战机F35制造中，成功的利用3D CAD数据直接输给计算机数控(CNC)机床进行零件加工,或输给复合材料编程系统(CPS)进行碳纤维布置的设计，最后成品都可以追溯到原始的计算机模型。从此，从设计开始到加工乃至最终装配，形成了不间断的数字数据的链路。洛克希德?马丁打造了术语“数字线（digital thread）”来描述这种新的非常简捷的工作方式。数据线的概念被认为是当今航空和军工(A&D)制造领域最重要的进步而得到迅速的普及。为了建立数字线，需要形成一种以3D模型定义为基础，为整个企业所共享的、全面集成和协同制造的环境。在企业或供应链中，无论在何处的数据生产者和数据消费者，在制造过程的任何点上，都将连接到一个共同的数字的数据源上。数据标准将从设计阶段开始,延伸到制造、继而到最后装配。这种环境就是下面的基于模型的企业MBE。基于模型的企业MBE美国“下一代制造技术计划The Next Generation Manufacturing Technologies Initiative (NGMTI) ”是美国军方和重要制造企业合作的发展制造技术的计划，旨在加速制造技术突破性发展，以加强国防工业的基础和改善美国制造企业在全球经济竞争中的地位。计划于2005年提出，将于2016年部分完成。NGMTI计划定义美国的下一代制造技术有6个目标，其中第一个就是“基于模型的企业”。NGMTI 提出的“基于模型的制造企业Model-Based Enterprise，MBE”是一种制造实体，它采用建模与仿真技术对其设计、制造、产品支持的全部技术的和业务的流程进行彻底的改进、无缝的集成以及战略的管理；利用产品和过程模型来定义、执行、控制和管理企业的全部过程；并采用科学的模拟与分析工具，在产品生命周期的每一步做出最佳决策，从根本上减少产品创新、开发、制造和支持的时间和成本。术语“基于模型的企业”已成为这种先进制造方法的具体体现。它的进展代表了数字化制造的未来。MBE描绘了未来的数字化制造企业的愿景MBE简洁的制造企业划分为3大块：产品的实现和支持、资源管理和战略管理。MBE的核心是“集成的产品实现Integrated product realization”。它成为超越传统的产品和工艺集成活动的新的一揽子原理。MBE要求用新的软件工具支持全数字化的产品生命周期管理系统。MBE与传统的具有统一架构的企业的重要区别在于基于模型、模拟和无缝集成。MBE将实现基于模型的资源管理，采用基于模型的工具和技术管理制造企业所有资源。MBE能够实现多企业ERP/ERM的集成，与供应链伙伴的系统在最底层的功能上进行集成。4、目前中国制造企业应用数字化制造的难点或困惑当前中国制造企业应用数字化技术最大的难点或者困惑是支撑的软件系统的成本问题。有了应用软件系统，MBD和建立数字样机、制造模拟等并不是十分困难的。问题是目前具备MBD能力的CAD和数字制造软件，连同对它们的模拟系统，全球形成两架马车的局面。大家也都知道他们的价格，这明显的限制了数字化的应用。此外，还有更多的钱要花在将数字制造落地，工厂车间的信息环境彻底改造，包括每个工人用上以移动终端为主要形式的数字化MES的无纸化门户、基于无线工业以太网的数字化测量和数据采集手段等等上面。这样，技术上，任何制造都可以使用数字化技术。数字技术前景是无限广阔的。但目前在应用系统还受制于人的情况下，数字化制造目前只好先行在高产值、高附加值行业、与世界争夺发言权的行业应用，例如航空航天、军用电子、高端医疗器械、客户化的高端复杂装备制造等。现在搞数字化真正是“烧钱”的事。买数字化软件系统和装备的钱要靠增加的产值和效益来消化，这里不是说使用了数字化制造可以提高多少倍效益之类，而是净赚多少钱！低附加值行业如果通过数字化提高效益100倍，但绝对值抵不过花的钱，这种推广，还是到有了国产化的支持数字制造的应用系统之时再说。目前中国制造企业应用数字化制造第二个难点是基础数据。应用或尝试过数字制造的企业都知道，进行数字模拟除了建立模型和模拟工具之外，产品、工艺、材料、设备的基础数据是重要的输入或者环境。让数字化模拟有指导意义，数据的本地化和与现场相符就成为关键因素。而我们多数企业过去忙于生产交付，严重的忽视了对基础数据的积累和标准化的工作。多数复杂制造企业没有工作标准、工时定额数据是为了发奖金，即便是数控加工也不讲究切削用量，等等。这将是中国数字化进程中的一个大大的拦路虎，不得不及早重视起来。每一个制造企业必须将基础数据的标准化、规范化、成组化做好。这个问题大家都明白，可是年复一年的拖下去，没有人肯作这种费力不出名的基础工作。信息化，特别是制造执行系统的实施已经因为基础数据（不仅仅是整理BOM和零件表之类）不好而大打折扣，未来数字化也将因为绕不过基础数据这座大山而止步不前。数字化制造是制造企业的未来，中国的制造企业必须选择时机展开踏实的积极的应用。让数字化技术支撑中国创新性的制造。还需要培育和发展自主版权的数字化制造的支持软件。5 关于数字化与信息化在讨论数字化制造时，有一点是最重要的：数字化制造的核心原理是以3D实体模型和基于模型的定义MBD。不是所有的“信息化”都是“数字化”。用3D的实体模型替代2D的多向视图对产品的描述，使数字化成为信息化的一个分支。早期的3D模型没有尺寸公差和相关属性的详细描述，自从MBD解决了这个问题，3D模型才成为可制造的，制造数字化才得以蓬勃发展。在制造领域，只能说数字化是当前阶段制造业信息化的重要方向之一。另外，数字化与信息化的混淆并不在产品生命周期过程各个阶段之中。产生模糊可能另有原因，涉及到：对制造本身的认识对制造企业的管理过程如何数字化的认识。对制造本身的认识“制造”处于产品价值流过程和产品生命周期过程交叉的十字路口。这是一个很重要的基本概念。从客户订单开始，经过计划和生产准备过程，并在必要资源条件的支持下，在制造阶段将原材料和器件转换成具有客户使用价值的产品。从产品价值形成的角度出发，制造是产品价值流中的一个环节。而从产品生命周期的观点，制造又是将虚拟的设计和对它实现过程的设计在真实环境中实现的过程。这两个过程在制造环节上相交。因此，从制造企业全局来看，制造处于与企业的价值流过程和产品生命周期过程交叉的十字路口。并且从目前的文献资料来看，大家都将这两个过程看作是交叉的而不是平行的。这个概念将对整个企业系统的构架和信息系统集成结构产生根本性的改变。这又是当前制造技术发展的一个重大课题，涉及到PLM/ERP/MES之间疆域的划分和集成的方式等等，本文不再展开了。单说数字化制造的范围问题。制造在企业价值流和产品生命周期过程交叉的十字路口就目前数字化的应用水平，所谓数字化制造都是在产品生命周期过程之中的。而在产品价值流实现过程中，对3D模型和基于模型的定义并没有实际的应用。所以说，目前的数字化制造还仅限于产品生命周期或工程领域。但是数字化制造并不会止步于工程领域，价值流过程或者说是制造企业的管理过程的数字化必将是数字化制造发展中的新课题。上述NGMTI 的基于模型的制造企业MBE中，新的企业资源管理和企业战略管理就是对管理数字化应用最早的一波攻击。MBE帮助我们理解未来的业务管理数字化愿景。 未来的企业资源管理系统ERM 用具有强大的建模和模拟能力提供企业所有的过程与所有资源的完全联接，实现快速和精确决策在MBE中，基于模型的设计、制造和产品支持过程与所有业务功能全面集成，向企业的决策