發布日期：2022-07-14 點擊率：50
目前對于數字化制造的定義，各有不同的觀點。主要定義包括：
作為美國制造業創新中心的重要組成機構之一，美國國家數字設計與制造創新研究院DMDII，將“數字化設計與制造”定義為：一個制造產品在整個生命周期之內，數據的匯聚、分析和應用。這個數據既包含了產品本身的數據，也包括了流程的數據，從而跨越了整個價值鏈條。
而美國國家標準研究院NIST，將“數字化制造”定義為，“在整個產品生命周期，通過數字化技術來提高產品、流程、企業的性能，同時縮短周期，降低成本”，主要涉及到技術包括3D建模，基于模型的工程，和產品生命周期管理。
寬泛意義而言，數字化制造是由各種制造方案演化而來的，比如面向制造的設計(DFM)、計算機集成制造(CIM)、柔性制造、精益制造、以及對產品和流程設計協同要求更高的其它制造方案。
數字化制造——工業百條正解
“數字化制造”包含了“數字化設計”與“數字化裝配與制造”兩個概念，并且將二者有機地融合在一起。它通過基于三維模型的產品定義，實現產品的幾何、材料、工藝、裝配等各個環節的數字化聯通與集成，從而可以應用到產品生命周期的設計、仿真、裝配和維修等全階段，以實現數字化的智能制造。
從制造業最為復雜的飛機制造業來看，數字化制造可以分為三個階段來實現。
第一階段：初級CAD軟件在飛機部件上的應用
第一個階段就是從二十世紀的八十年代初到九零年。這個階段，采用了初級的三維數字化設計工具方法。特點就是把現有的產品、零件和結構件用CAD工具，進行建模、裝配和分析，形成初級的以幾何為中心的部件及數字模型。
這個階段解決的問題是零件的幾何定義以及簡單的裝配協調。該階段所用計算機是大型計算機主機。由于圖形處理的難度和計算量非常大，而當時的計算機能力非常薄弱。數百萬美金的大型計算機，只能連接三到五個三維設計的圖形終端，來完成三維的零件建模以及簡單的計算分析，做簡單的裝配。而更大規模的裝配，則無法在計算機上完成。關鍵是計算機硬件、軟件和初級CAD軟件的能力不足。該階段代表案例是達索公司設計的小型公務機，以及波音公司在747、767、757以及已經首飛魚鷹的部件，都做了大量的設計、工藝、制造的三維數字化驗證。通過這些基于數字化的三維實踐，形成了基于三維設計的標準以及成熟的研制方法。
第二階段：全三維數字化整機設計
波音從1991年開始決定用全三維的數字化設計工具和方法，來完成新一代的雙通道飛機(即波音777)的研制。波音777是世界上第一個采用全數字化的設計手段完成的整機設計。
該項目的硬件采用了8臺大型計算機和3200臺UNIX三維CAD工作站，另外還有兩萬臺PC機。大型計算機聯網，3200臺三維CAD工作站聯網，但是兩萬臺PC機絕大部分沒有聯網。數據傳遞主要靠軟盤完成。采用了800個相互不關聯的設計分析仿真工藝軟件，并形成了14個不同的物料明細表(BOM表)。沒有基于計算機的大型項目研制就沒有大數據。可以說，大數據是從波音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767相比，由于采用了三維數字化設計的方法，波音777用了4年半就首飛的第一架飛機，比以傳統研制方法造了24年的第400架波音747質量還要好。質量好、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。
第三階段：打通設計與制造
然而也有隱患潛伏在第二階段。由于波音777設計在數據管理上主要是采用了傳統的文件管理系統，因此造成了前后數據不一致。這帶來了很多后續問題，最主要的問題有兩個：
首先是幾萬臺計算機的數據不一致問題。以前傳統的研制方法都是藍圖、工藝卡片、各類表格以及技術文檔。這些紙質的技術文檔關聯性很差，完全不能夠協同和相互轉換。而靠人力來協同則是非常困難，尤其在產品越來越復雜的情況下，每天幾萬人在各自計算機上生成大量的工作數據，很多數據是無法關聯的。
第二，在三維模型上，無法表達零部件的工藝制造和檢測數據。盡管人們在三維空間中設計了零件，裝配后的組件、部件形成了結構數字樣機，再經過大量的分析、協調、工藝檢測，從而形成了完整的結構數字樣機，但此后在加工廠不能順利使用，模型中的信息不足以指導制造。所以人們不得不把用三維CAD生成的三維數字模型，重新制作成二維的工程圖紙。而復雜的工程圖紙，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圖紙，拿到工廠生產的時候，復雜的裝配圖也非常難以理解。有時候甚至會一個小地方看錯了，而造成一連串的錯上加錯。于是波音公司當時的想法是，能否不用轉換為二維圖紙，而是持續用三維模型，直接指導工藝和制造。
實際上，波音777項目，重點針對上述兩個關鍵問題，給出了解決方案。第一個解決方案就是在1994年，波音啟動了“飛機定義與構型/制造資源管理(DCAC/MRM)”項目，對波音PDM(產品數據管理)項目進行了嚴格的定義。波音組織兩期DCAC/MRM實施，投資超過10億美金。
第二個解決方案，就是波音推動了三維產品的標準。1996年波音聯合了16家制造業公司，推動美國機械工程師協會(ASME)來建立基于三維的制造標準。通過七年的努力，終于建立了的標準，即MBD標準(基于模型的定義)。該定義要求在零件三維模型上表達、工藝數據、材料數據等，包含它的形狀、幾何、工藝數據、制造質量以及檢測的數據。這樣一來，三維模型就能夠完整地表達某個零件的全部數據，包括通過裝配和工藝檢測到的各類數據，這就意味著傳統的二維圖紙可以舍棄了。第二個解決方案，在波音787-9研制中得到了較好的體現，真正實現了基于數字化的設計、制造全部打通。
可以說，整個制造業，因為波音787-9，而進入了數字化制造的第三個階段。這個階段就是以前三維模型的數字化設計制造。取消了藍圖、取消了工藝卡片、取消了各類表格、取消了紙質的技術文檔。這些材料的取消，也就意味著產品的全數字化。
可以用表格來說明三個階段的發展情況，以及中國和國外三個階段的差異。
表1：國外起點
表2：國內起點
可以用三句話來簡要說明基于三維模型的數字化設計的三個階段：
第一個階段，是以CAD軟件開發零件、組件和部件級的三維模型。
第二個階段，是以波音777為代表的數字化整機設計階段。
第三個階段，是787為代表的MBD基于模型的定義，實現數字化設計與數字化制造的打通。在整個產品生命周期階段，產品運維的服務，也可以順理成章地實現。
數字化制造的范疇
完整的數字化制造，包括了：數字化設計、數字化工藝、數字化加工與裝配、數字化控制、數字化生產管理、遠程維修等技術和六個發展階段。如圖1所示。
圖1 數字化制造的六個階段
與這六個階段相對應的，則分別是不同的支撐技術。如圖2所示。
圖2 數字化制造的支撐技術
小結
數字化制造是智能制造的必經之路。在產品和工藝開發過程創建的模型和數據，可以直接在整個產品生命周期的各個階段使用，給用戶和支持維護人員提供不斷向下游傳遞的三維模型和數據。數字化制造是實現智能制造的必由之路，只有完成數字化制造，才能真正走向智能制造。
本文轉自公眾號：知識自動化
