从波音航天工具研发看数字化制造

1、从波音航天工具研发看数字化制造出处：e-works 日期：2010-08-02 HYPERLINK /h/1798/357512-9805.html /h/1798/357512-9805.html 美国波音公司在Boeing777787和洛克希德马丁公司在F35研制过程中，采用数字制造与传统方式相比，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，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。尽管中国航空工业在数字化制造的部分环节近年来已经

2、得到了长足的发展，但是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。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产方式的转变，成为我们刻不容缓的任务。 数数字化制制造涵盖盖了产品品的生命命周期的的全过程程，但是是目前有有关文献献涉及数数字化设设计和数数字模拟拟较多，而而从制造造管理和数数字化在在生产车车间“落落地”的的角度推推动数字字化制造造更快的的发展，则则显得比比较薄弱弱。本文文以数字字化工厂厂为中心心，试图图讨论数数字化制制造的均均衡发展展的问题题。一 数字化化是一场场深刻的的技术革革命 数数字化不不仅仅是是一项技技术手段段的进步步，

3、信息息化和数数字化也也不能混混为一谈谈。以两两院院士士顾颂芬芬为首的的几位航航空工业业的专家家指出：“数字字化为制制造业开开创了一一种新型型的生产产方式”。他他们认为为：“数数字化是是一场深深刻的技技术革命命。”，“数数字化正正在改变变着世界界，数字字化的生生产方式式正在从从根本上上动摇着着传统制制造业的的基础，催催生着一一场制造造业的技技术革命命”。从从波音和和空客两两大家航航空制造造的技术术竞争的的重点看看出，“制制造业的的竞争已已经体现现为数字字化这一一核心能能力的竞竞争”。本本文首先先理解顾顾颂芬等等专家们们将设计计和制造造数字化化置于技技术革命命高度的的意义。 11 工程程师自己己的

4、工具具的发展展缓慢 现现代的人人类社会会，工程程和产品品的发展展是惊人人的。而而与之形形成极大大反差的的是，工工程界自自己描述述产品、传传递产品品制造信信息的手手段的发发展却是是缓慢的的。从117955年发明明画法几几何、118400年发明明蓝图以以来，人人们一直直用二维维平面工工程视图图来描述述产品。这这种大约约沿用了了2000多年的的二维工工程图纸纸曾经是是表现制制品信息息的唯一一办法。但但是，人人的思维维是多维维的，工工程师们们在创意意新产品品时，首首先涌现现的是多多维的实实体形象象而不是是一个个个的平面面视图。为为了向制制造它的的人传递递产品的的信息，必必须将这这个活生生生的实实体变成

5、成为复杂杂的、但但为工程程界所共共识的平平面图形形。这当当中的浪浪费不仅仅仅是投投影图的的绘制，还还包括了了从实体体形象向向抽象的的视图表表达方式式的转换换的思维维，在转转换过程程中出现现的表达达不清和和错误。制制造工程程师在接接到这种种平面图图形以后后，又要要用想象象恢复它它的立体体形状，以以编制工工艺过程程。这又又是一番番思维、脑脑力和时时间的浪浪费。并并且对平平面图形形的理解解程度往往往是能能否设计计出好的的制造过过程的关关键，对对图纸理理解的错错误又经经常出现现。工人人拿到这这种用平平面图形形描述的的作业指指导书以以后，同同样必须须将它理理解为三三维的实实体，浪浪费和错错误更容容易发生

6、生。百年年来，制制造业为为这种平平面图形形的转换换付出了了巨大的的代价。 此此外，二二维图纸纸对产品品的表现现是模拟拟的、非非精确的的，表现现能力是是有限的的。如飞飞机机翼翼的形状状是根据据空气动动力学计计算和实实验得到到的复杂杂型面,而在图图纸上只只能用多多个剖面面逐点进进行描述述。用二二维图纸纸表达这这些复杂杂形状，造造成了从从连续的的精确形形状到不不连续的的近似形形状的转转换。这这个过程程同样既既浪费了了时间和和精力，又又带来了了误差。数数控机床床的出现现，局部部的解决决了这类类科学曲曲线（面面）形状状的信息息传递问问题。但但多数零零件的加加工程序序还是从从平面图图形转换换来的。 在在飞

7、机制制造中，从从产品的的图形到到制造它它们的模模具的凸凸凹模线线、模板板、装配配型架、各各级检验验样板，需需要多次次传递和和转移。在在没有数数字化制制造的年年代，这这些工作作全是手手工描绘绘，在放放大镜下下用精细细刀具磨磨出来的的。效率率和精度度受着严严重的制制约。 22 传统统CADD的功劳劳 信信息技术术的发展展，出现现了计算算机辅助助设计CCAD 软件，上上个世纪纪末的CCAD 仅仅帮帮助人们们绘制22维图纸纸。“甩甩掉图板板”大大大地加快快了出22维图纸纸的速度度，解放放了工程程师们的的体力劳劳动，也也使很多多描图员员们下了了岗。但但是甩掉掉图板并并没有甩甩掉图纸纸，也没没有触及及头脑

8、浪浪费和转转换错误误的根本本问题。 33 实体体造型的的CADD的出现现和数字字化的意意义 随随着计算算机技术术进步，出出现了新新一代CCAD 软件，在在计算机机的虚拟拟环境中中，可以以按照设设计员的的思维，直直接构造造出产品品和零件件的实体体模型。给给这种虚虚拟的33 维实实体模型型赋予必必要的特特征和属属性以后后，可以以直接、直直观地表表达出设设计员的的创意，零零件的形形象精确确的描述述并存在在计算机机中而不不是平面面图纸上上。设计计信息直直接从网网上传递递到世界界各地为为它加工工的地方方，依据据3维模模型编制制制造过过程、NNC程序序，传递递到NCC机床上上进行加加工。从从此彻底底的改变

9、变了工程程设计的的方式和和设计信信息的传传递方式式。 过过去的研研制过程程，必须须做出真真正的产产品样机机以后，才才能发现现设计的的错误或或不协调调，真实实的进行行负载、空空气动力力的试验验，按照照试验结结果进行行修正，这这样的反反复，增增加了研研制周期期，大量量的物资资和实验验设备建建设的资资金消耗耗。而利利用数字字化的产产品模型型，可以以进行原原来必须须靠实物物进行的的模拟和和试验，节节省了大大量的人人力、物物力、财财力特别别是时间间的消耗耗，将精精益制造造推进到到产品设设计和减减少工程程师们自自己的脑脑力浪费费的领域域。 所所以说，产产品信息息的描述述和在制制造各个个环节之之间的传传递，

10、从从模拟的的、二维维平面的的模式向向三维的的、数字字的模式式转换，成成为人类类制造工工程历史史上的一一次重大大的革命命。它免免除了大大量的33D与22D的转转换，避避免了大大量的必必须靠实实物进行行判别、评评估和确确认的工工作。可可以预先先精确的的定义，进进行模拟拟和优化化，将可可能发生生的错误误提前解解决。将将实体世世界的事事，放在在虚拟世世界中解解决，从从而大大大的降低低了成本本、减少少了生产产周期。在在3D的的数字化化模型基基础上的的一系列列应用所所释放出出的效能能是过去去任何时时期的任任何技术术进度所所不可比比拟的。 44 对数数字化制制造全景景的描述述 近近几年来来，美国国航空工工业

11、又取取得长足足的进步步。下图图是美国国战神航航天飞行行器数字字化制造造全过程程的示意意图。可可以看出出，在这这个实例例中，突突破了由由3D实实体模型型向可用用于制造造和向车车间转移移的几个个很现实实的转折折： 11) 33D模型型的可制制造化 22) 33D设计计向3DD工艺的的转换 33) 将将3D的的产品和和工艺信信息向制制造作业业的工人人传递 44) 制制造作业业现场的的数字化化数据采采集和反反馈 55) 数数字化质质量和依依从性文文档的管管理美国战神航航天飞行行器的数数字化开开发过程程 在在长长的的制造数数字化信信息链中中，以22D为基基础的庞庞大而根根深蒂固固的传统统方法向向新的33

12、D为基基础的新新生产模模式的过过渡，是是一个严严重的、长长期的任任务。从从传统制制造向数数字制造造转移是是动摇制制造工厂厂所有现现行流程程的、严严重的“再再造”过过程，涉涉及技术术、管理理、质量量、法规规要求、企企业文化化、工厂厂的硬件件配置、职职工教育育等方面面的深刻刻再造。在在向数字字化制造造发展的的道路上上，甚至至还有些些未能预预料的困困扰。中中国的航航空制造造业目前前还必须须快速的的贯通数数字化信信息链的的各个环环节。二 理解数数字化制制造 可可以从不不同角度度理解数数字化制制造。在在航空工工业领域域，经常常是将数数字化设设计和数数字化制制造分开开来研究究的。本本文则是是站在制制造现场

13、场这个物物理产品品形成的的基地和和产品价价值增殖殖的摇篮篮的立场场上讨论论数字化化制造的的，目的的是促进进数字制制造在制制造现场场落地。因因此，先先从数字字化工厂厂说起。 11 关于于“数字字化工厂厂” 界界定数字字化是决决定我们们在数字字化领域域里应该该做些什什么和怎怎样去做做的出发发点。本本文认为为：数字字化工厂厂DiggITallizeed FFacttoryy 是一一种全新新的制造造能力或或制造模模式。数数字化工工厂利用用产品的的三维数数字模型型来定义义和优化化产品的的制造过过程，并并向制造造作业的的各类操操作者提提供数字字化的制制造指令令和作业业指导信信息；在在制造作作业中，操操作者

14、也也用数字字化的手手段和装装置向上上层业务务过程反反馈数字字化的作作业状态态信息。 对对数字化化工厂的的情景描描述是：制造过过程中传传递和采采集的信信息是数数字的、33D的，因因而也必必然是无无纸化的的。分布布在各个个作业点点上的微微电脑、移移动终端端、RFFID/条码设设备、软软件PLLC、数数字化测测量设备备和无线线工业以以太网是是工厂现现场配备备的基本本装置。而而实现制制造作业业的设备备，大部部分是数数字控制制的。 数数字化工工厂最直直接和最最大限度度的简化化了制造造全生命命周期中中信息传传递的转转换过程程，使制制造过程程的效率率和效能能最大化化。数字字化工厂厂前所未未有的将将制造的的全

15、过程程，包括括思维的的、作业业的、物物流的浪浪费降低低到最小小程度，是是全新的的生产方方式。对对数字化化工厂的的这个描描述，要要害是：将数字字工厂从从虚拟世世界拉回回到现实实世界中中来。 识别数数字化工工厂的要要点是： 一一个基础础：数字字化的33D产品品模型和和定义 三个个要素工艺过程、工工艺装备备、工厂厂布置和和作业指指导书的的数字化化定义和和优化，即即是所谓谓“数字字工厂ddigIITall faactoory”，这这些是完完全在虚虚拟世界界里进行行的 数字化的生生产指令令和作业业指导书书向操作作者传递递和交流流，是虚虚拟的信信息向现现实世界界的转换换，是数数字化工工厂里的的人机交交互界

16、面面之一 制造作业现现实状态态的数字字化采集集和反馈馈，是现现实世界界信息向向虚拟世世界的传传递和转转换，是是数字化化工厂里里的人机机交互的的第二个个界面。 22 数字字工厂、数数字化工工厂和传传统工厂厂相比较较 在在大量的的讨论数数字制造造的文献献和著作作中，区区分“数数字工厂厂”和“数数字化工工厂”的的几乎是是凤毛麟麟角。最最清晰的的说明出出自于一一本德国国人写的的关于MMES的的书 。作作者 Jrrgenn Kllettti 分分别使用用了“ddigIITall faactoory”和和“diigittizeed ffacttoryy”两个个不同的的词来表表达2个个不同含含义的“数数字工

17、厂厂”数字工厂ddigIITall faactoory是是现实工工厂的虚虚拟模型型。其主主要目的的是通过过虚拟模模型的数数字模拟拟，优化化产品设设计和制制造过程程，提高高制造的的柔性和和应变能能力。 数字化工厂厂diggITizzed facctorry没有有止步于于数字工工厂diigittal facctorry的虚虚拟世界界中，而而是穿越越了人机机界面，将将虚拟的的产品和和制造过过程的信信息传递递到作业业工人。而而作业工工人又采采用数字字化装备备将生产产状态用用数字的的形式，反反馈给虚虚拟的工工厂数字字模型。形形成了从从虚拟到到现实再再回到虚虚拟的完完整的数数字化信信息的传传递链。数数字工

18、厂厂是虚的的，数字字化工厂厂是实实实在在的的。它们们分别是是产品全全生命周周期信息息的全数数字化的的一部分分。 这这里绝不不是咬文文嚼字。作作者认为为，在大大量的研研究数字字制造的的文献中中，太多多的止步步于虚拟拟世界的的制造模模拟。也也有的作作者仅仅仅在最终终产品的的飞机交交付时才才回到现现实世界界中来。而而我们则则强调，制制造数据据在虚拟拟环境和和现实环环境中不不断地交交替着。数数字化加加速了“工工程”领领域的效效率，我我们同样样需要的的是数字字化在“真真刀真枪枪”的加加工制造造过程中中，显现现它的优优势。从从数字工工厂到数数字化工工厂是从从虚到实实的数字字化“落落地”的的过程。数数字化不不落地，物物料永远远变不成成产品。 33 数字字化制造造与数字字化工厂厂 数数字化制制造的概概念与数数字化工工厂相同同。但是