定義溯源

　　目前對于數(shù)字化制造的定義，各有不同的觀點(diǎn)。主要定義包括：

　　作為美國制造業(yè)創(chuàng)新中心的重要組成機(jī)構(gòu)之一，美國國家數(shù)字設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新研究院DMDII，將“數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造”定義為：一個(gè)制造產(chǎn)品在整個(gè)生命周期之內(nèi)，數(shù)據(jù)的匯聚、分析和應(yīng)用。這個(gè)數(shù)據(jù)既包含了產(chǎn)品本身的數(shù)據(jù)，也包括了流程的數(shù)據(jù)，從而跨越了整個(gè)價(jià)值鏈條。

　　而美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院NIST，將“數(shù)字化制造”定義為，“在整個(gè)產(chǎn)品生命周期，通過數(shù)字化技術(shù)來提高產(chǎn)品、流程、企業(yè)的性能，同時(shí)縮短周期，降低成本”，主要涉及到技術(shù)包括3D建模，基于模型的工程，和產(chǎn)品生命周期管理。

　　寬泛意義而言，數(shù)字化制造是由各種制造方案演化而來的，比如面向制造的設(shè)計(jì)(DFM)、計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)、柔性制造、精益制造、以及對產(chǎn)品和流程設(shè)計(jì)協(xié)同要求更高的其它制造方案。

　　數(shù)字化制造——工業(yè)百條正解

　　“數(shù)字化制造”包含了“數(shù)字化設(shè)計(jì)”與“數(shù)字化裝配與制造”兩個(gè)概念，并且將二者有機(jī)地融合在一起。它通過基于三維模型的產(chǎn)品定義，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的幾何、材料、工藝、裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化聯(lián)通與集成，從而可以應(yīng)用到產(chǎn)品生命周期的設(shè)計(jì)、仿真、裝配和維修等全階段，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的智能制造。

　　從制造業(yè)最為復(fù)雜的飛機(jī)制造業(yè)來看，數(shù)字化制造可以分為三個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)。

第一階段：初級CAD軟件在飛機(jī)部件上的應(yīng)用

　　第一個(gè)階段就是從二十世紀(jì)的八十年代初到九零年。這個(gè)階段，采用了初級的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)工具方法。特點(diǎn)就是把現(xiàn)有的產(chǎn)品、零件和結(jié)構(gòu)件用CAD工具，進(jìn)行建模、裝配和分析，形成初級的以幾何為中心的部件及數(shù)字模型。

　　這個(gè)階段解決的問題是零件的幾何定義以及簡單的裝配協(xié)調(diào)。該階段所用計(jì)算機(jī)是大型計(jì)算機(jī)主機(jī)。由于圖形處理的難度和計(jì)算量非常大，而當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)能力非常薄弱。數(shù)百萬美金的大型計(jì)算機(jī)，只能連接三到五個(gè)三維設(shè)計(jì)的圖形終端，來完成三維的零件建模以及簡單的計(jì)算分析，做簡單的裝配。而更大規(guī)模的裝配，則無法在計(jì)算機(jī)上完成。關(guān)鍵是計(jì)算機(jī)硬件、軟件和初級CAD軟件的能力不足。該階段代表案例是達(dá)索公司設(shè)計(jì)的小型公務(wù)機(jī)，以及波音公司在747、767、757以及已經(jīng)首飛魚鷹的部件，都做了大量的設(shè)計(jì)、工藝、制造的三維數(shù)字化驗(yàn)證。通過這些基于數(shù)字化的三維實(shí)踐，形成了基于三維設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)以及成熟的研制方法。

第二階段：全三維數(shù)字化整機(jī)設(shè)計(jì)

　　波音從1991年開始決定用全三維的數(shù)字化設(shè)計(jì)工具和方法，來完成新一代的雙通道飛機(jī)(即波音777)的研制。波音777是世界上第一個(gè)采用全數(shù)字化的設(shè)計(jì)手段完成的整機(jī)設(shè)計(jì)。

　　該項(xiàng)目的硬件采用了8臺大型計(jì)算機(jī)和3200臺UNIX三維CAD工作站，另外還有兩萬臺PC機(jī)。大型計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，3200臺三維CAD工作站聯(lián)網(wǎng)，但是兩萬臺PC機(jī)絕大部分沒有聯(lián)網(wǎng)。數(shù)據(jù)傳遞主要靠軟盤完成。采用了800個(gè)相互不關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)分析仿真工藝軟件，并形成了14個(gè)不同的物料明細(xì)表(BOM表)。沒有基于計(jì)算機(jī)的大型項(xiàng)目研制就沒有大數(shù)據(jù)?？梢哉f，大數(shù)據(jù)是從波音777的研制開始的。

　　這次取得的成績非常明顯。與波音歷史上的同類雙通道、200座以上大型飛機(jī)767相比，由于采用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法，波音777用了4年半就首飛的第一架飛機(jī)，比以傳統(tǒng)研制方法造了24年的第400架波音747質(zhì)量還要好。質(zhì)量好、周期短，自然效益非常高，波音777最后成為一架非常賺錢的飛機(jī)。

第三階段：打通設(shè)計(jì)與制造

　　然而也有隱患潛伏在第二階段。由于波音777設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)管理上主要是采用了傳統(tǒng)的文件管理系統(tǒng)，因此造成了前后數(shù)據(jù)不一致。這帶來了很多后續(xù)問題，最主要的問題有兩個(gè)：

　　首先是幾萬臺計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)不一致問題。以前傳統(tǒng)的研制方法都是藍(lán)圖、工藝卡片、各類表格以及技術(shù)文檔。這些紙質(zhì)的技術(shù)文檔關(guān)聯(lián)性很差，完全不能夠協(xié)同和相互轉(zhuǎn)換。而靠人力來協(xié)同則是非常困難，尤其在產(chǎn)品越來越復(fù)雜的情況下，每天幾萬人在各自計(jì)算機(jī)上生成大量的工作數(shù)據(jù)，很多數(shù)據(jù)是無法關(guān)聯(lián)的。

　　第二，在三維模型上，無法表達(dá)零部件的工藝制造和檢測數(shù)據(jù)。盡管人們在三維空間中設(shè)計(jì)了零件，裝配后的組件、部件形成了結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)，再經(jīng)過大量的分析、協(xié)調(diào)、工藝檢測，從而形成了完整的結(jié)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)，但此后在加工廠不能順利使用，模型中的信息不足以指導(dǎo)制造。所以人們不得不把用三維CAD生成的三維數(shù)字模型，重新制作成二維的工程圖紙。而復(fù)雜的工程圖紙，尤其是大部件的裝配圖，非常難以生成。而最終形成的紙介質(zhì)圖紙，拿到工廠生產(chǎn)的時(shí)候，復(fù)雜的裝配圖也非常難以理解。有時(shí)候甚至?xí)粋€(gè)小地方看錯(cuò)了，而造成一連串的錯(cuò)上加錯(cuò)。于是波音公司當(dāng)時(shí)的想法是，能否不用轉(zhuǎn)換為二維圖紙，而是持續(xù)用三維模型，直接指導(dǎo)工藝和制造。

　　實(shí)際上，波音777項(xiàng)目，重點(diǎn)針對上述兩個(gè)關(guān)鍵問題，給出了解決方案。第一個(gè)解決方案就是在1994年，波音啟動(dòng)了“飛機(jī)定義與構(gòu)型/制造資源管理(DCAC/MRM)”項(xiàng)目，對波音PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)項(xiàng)目進(jìn)行了嚴(yán)格的定義。波音組織兩期DCAC/MRM實(shí)施，投資超過10億美金。

　　第二個(gè)解決方案，就是波音推動(dòng)了三維產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。1996年波音聯(lián)合了16家制造業(yè)公司，推動(dòng)美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)來建立基于三維的制造標(biāo)準(zhǔn)。通過七年的努力，終于建立了ASM14.41的標(biāo)準(zhǔn)，即MBD標(biāo)準(zhǔn)(基于模型的定義)。該定義要求在零件三維模型上表達(dá)、工藝數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)等，包含它的形狀、幾何、工藝數(shù)據(jù)、制造質(zhì)量以及檢測的數(shù)據(jù)。這樣一來，三維模型就能夠完整地表達(dá)某個(gè)零件的全部數(shù)據(jù)，包括通過裝配和工藝檢測到的各類數(shù)據(jù)，這就意味著傳統(tǒng)的二維圖紙可以舍棄了。第二個(gè)解決方案，在波音787-9研制中得到了較好的體現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字化的設(shè)計(jì)、制造全部打通。

　　可以說，整個(gè)制造業(yè)，因?yàn)椴ㄒ?87-9，而進(jìn)入了數(shù)字化制造的第三個(gè)階段。這個(gè)階段就是以前三維模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造。取消了藍(lán)圖、取消了工藝卡片、取消了各類表格、取消了紙質(zhì)的技術(shù)文檔。這些材料的取消，也就意味著產(chǎn)品的全數(shù)字化。

　　可以用表格來說明三個(gè)階段的發(fā)展情況，以及中國和國外三個(gè)階段的差異。

　　表1：國外起點(diǎn)

　　表2：國內(nèi)起點(diǎn)

　　可以用三句話來簡要說明基于三維模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)的三個(gè)階段：

　　第一個(gè)階段，是以CAD軟件開發(fā)零件、組件和部件級的三維模型。

　　第二個(gè)階段，是以波音777為代表的數(shù)字化整機(jī)設(shè)計(jì)階段。

　　第三個(gè)階段，是787為代表的MBD基于模型的定義，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)字化制造的打通。在整個(gè)產(chǎn)品生命周期階段，產(chǎn)品運(yùn)維的服務(wù)，也可以順理成章地實(shí)現(xiàn)。

　　數(shù)字化制造的范疇

　　完整的數(shù)字化制造，包括了：數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化工藝、數(shù)字化加工與裝配、數(shù)字化控制、數(shù)字化生產(chǎn)管理、遠(yuǎn)程維修等技術(shù)和六個(gè)發(fā)展階段。如圖1所示。

　　圖1 數(shù)字化制造的六個(gè)階段

　　與這六個(gè)階段相對應(yīng)的，則分別是不同的支撐技術(shù)。如圖2所示。

　　圖2 數(shù)字化制造的支撐技術(shù)

　　小結(jié)

　　數(shù)字化制造是智能制造的必經(jīng)之路。在產(chǎn)品和工藝開發(fā)過程創(chuàng)建的模型和數(shù)據(jù)，可以直接在整個(gè)產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段使用，給用戶和支持維護(hù)人員提供不斷向下游傳遞的三維模型和數(shù)據(jù)。數(shù)字化制造是實(shí)現(xiàn)智能制造的必由之路，只有完成數(shù)字化制造，才能真正走向智能制造。

本文轉(zhuǎn)自公眾號：知識自動(dòng)化

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