淺談數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

對(duì)數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用價(jià)值的討論，我認(rèn)為是非常重要的。這不僅僅是對(duì)提高效率、減低成本之類的常規(guī)評(píng)估，還必須看到數(shù)字化制造技術(shù)有兩點(diǎn)革命性的突破：

其一是填平了人的思維與工程表達(dá)之間鴻溝。用二維平面工程視圖來(lái)描述產(chǎn)品的方法大約沿用了200多年。但是，人的思維是多維的，工程師們?cè)趧?chuàng)意新產(chǎn)品時(shí)，首先涌現(xiàn)的是多維的實(shí)體形象而不是一個(gè)個(gè)的平面視圖。為了向制造它的人傳遞產(chǎn)品的信息，必須將這個(gè)活生生的實(shí)體變成為復(fù)雜的、但為工程界所共識(shí)的平面圖形。這當(dāng)中的浪費(fèi)不僅僅是投影圖的繪制，還包括了從實(shí)體形象向抽象的視圖表達(dá)方式的轉(zhuǎn)換的思維，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)的表達(dá)不清和錯(cuò)誤。制造工程師在接到這種平面圖形以后，又要用想象恢復(fù)它的立體形狀，以編制工藝過(guò)程。這又是一番思維、腦力和時(shí)間的浪費(fèi)。并且對(duì)平面圖形的理解程度往往是能否設(shè)計(jì)出好的制造過(guò)程的關(guān)鍵，對(duì)圖紙理解的錯(cuò)誤又經(jīng)常出現(xiàn)。工人拿到這種用平面圖形描述的作業(yè)指導(dǎo)書(shū)以后，同樣必須將它理解為三維的實(shí)體，浪費(fèi)和錯(cuò)誤更容易發(fā)生。2D產(chǎn)品定義的數(shù)據(jù)鏈存在著人力物力的巨大的浪費(fèi)。制造業(yè)為這種平面圖形的轉(zhuǎn)換付出了巨大的代價(jià)。3D產(chǎn)品定義和直接使用3D數(shù)據(jù)傳遞，消除了人的思維的變換和由此造成的一切不清晰和失誤，壓低了幾乎所有作業(yè)人員的學(xué)習(xí)曲線。數(shù)字化制造成為精益制造近期革命性的進(jìn)展。

第二是數(shù)字化制造對(duì)支撐創(chuàng)新和創(chuàng)造有重要作用。數(shù)字制造又一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)是，在計(jì)算機(jī)的虛擬世界中將產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)中可能發(fā)生的錯(cuò)誤和決策失誤提前揭露和消滅。在實(shí)地制造之前驗(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)了客戶的需求和設(shè)計(jì)的意圖。比起在現(xiàn)實(shí)的物質(zhì)世界中驗(yàn)證效果，會(huì)大大地節(jié)省時(shí)間、資源和金錢。對(duì)加快創(chuàng)新產(chǎn)品的研制速度、推向市場(chǎng)的時(shí)間起著關(guān)鍵的作用。例如，歐洲的機(jī)床工業(yè)，目前向定制化機(jī)床發(fā)展，按照客戶的要求將若干功能組合到一起，實(shí)現(xiàn)某種特定零件的全部加工。過(guò)去類似機(jī)床的設(shè)計(jì)制造，一直到裝配出來(lái)的試切才能驗(yàn)證設(shè)計(jì)的成功，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，研制成本高。而利用數(shù)字制造，在虛擬環(huán)境先設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)模擬，工藝仿真、在虛擬環(huán)境中裝配出機(jī)床，虛擬運(yùn)行來(lái)驗(yàn)證是否能夠達(dá)到客戶的需求，還演示給客戶看，既節(jié)省了資源和時(shí)間，又抓住了客戶。這是數(shù)字化支持創(chuàng)新的典型案例之一。加速客戶化產(chǎn)品的研制的周期是數(shù)字化制造的主要領(lǐng)域。同樣在航空航天等復(fù)雜產(chǎn)品制造中，將模型置于虛擬環(huán)境中模擬，預(yù)先確認(rèn)設(shè)計(jì)和工藝，將大大減少因反復(fù)帶來(lái)的一切弊病，可以降低創(chuàng)新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)和加快創(chuàng)新產(chǎn)品投放市場(chǎng)的步伐。所以，數(shù)字化制造對(duì)于客戶化定制行業(yè)、敏捷制造會(huì)有更大的潛力。

數(shù)字化制造技術(shù)未來(lái)的發(fā)展前景

談及關(guān)于數(shù)字化制造技術(shù)未來(lái)的發(fā)展前景，我認(rèn)為需要給出一個(gè)比較具體的“藍(lán)圖”來(lái)。從數(shù)字制造的觀點(diǎn)，描述未來(lái)前景用“藍(lán)圖”的比喻已經(jīng)過(guò)時(shí)，但是在這里提出一個(gè)數(shù)字化制造的未來(lái)“模型”就太嚴(yán)肅也確實(shí)不容易建立。這里我借鑒美國(guó)人現(xiàn)在做的事和他們正在執(zhí)行的一個(gè)計(jì)劃來(lái)表達(dá)數(shù)字化制造的未來(lái)，可能有助于大家討論。這里只談兩件事：

☆數(shù)字線digitalthread

洛克希德？馬丁公司在美國(guó)新一代戰(zhàn)機(jī)F35制造中，成功的利用3DCAD數(shù)據(jù)直接輸給計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)機(jī)床進(jìn)行零件加工，或輸給復(fù)合材料編程系統(tǒng)(CPS)進(jìn)行碳纖維布置的設(shè)計(jì)，最后成品都可以追溯到原始的計(jì)算機(jī)模型。從此，從設(shè)計(jì)開(kāi)始到加工乃至最終裝配，形成了不間斷的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的鏈路。洛克希德？馬丁打造了術(shù)語(yǔ)“數(shù)字線(digitalthread)”來(lái)描述這種新的非常簡(jiǎn)捷的工作方式。數(shù)據(jù)線的概念被認(rèn)為是當(dāng)今航空和軍工(A&D)制造領(lǐng)域最重要的進(jìn)步而得到迅速的普及。

為了建立數(shù)字線，需要形成一種以3D模型定義為基礎(chǔ)，為整個(gè)企業(yè)所共享的、全面集成和協(xié)同制造的環(huán)境。在企業(yè)或供應(yīng)鏈中，無(wú)論在何處的數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)消費(fèi)者，在制造過(guò)程的任何點(diǎn)上，都將連接到一個(gè)共同的數(shù)字的數(shù)據(jù)源上。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，延伸到制造、繼而到最后裝配。這種環(huán)境就是下面的基于模型的企業(yè)MBE。

☆基于模型的企業(yè)MBE

美國(guó)“下一代制造技術(shù)計(jì)劃TheNextGenerationManufacturingTechnologiesInitiative(NGMTI)”是美國(guó)軍方和重要制造企業(yè)合作的發(fā)展制造技術(shù)的計(jì)劃，旨在加速制造技術(shù)突破性發(fā)展，以加強(qiáng)國(guó)防工業(yè)的基礎(chǔ)和改善美國(guó)制造企業(yè)在全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)中的地位。計(jì)劃于2005年提出，將于2016年部分完成。NGMTI計(jì)劃定義美國(guó)的下一代制造技術(shù)有6個(gè)目標(biāo)，其中第一個(gè)就是“基于模型的企業(yè)”。

NGMTI提出的“基于模型的制造企業(yè)Model-BasedEnterprise，MBE”是一種制造實(shí)體，它采用建模與仿真技術(shù)對(duì)其設(shè)計(jì)、制造、產(chǎn)品支持的全部技術(shù)的和業(yè)務(wù)的流程進(jìn)行徹底的改進(jìn)、無(wú)縫的集成以及戰(zhàn)略的管理；利用產(chǎn)品和過(guò)程模型來(lái)定義、執(zhí)行、控制和管理企業(yè)的全部過(guò)程；并采用科學(xué)的模擬與分析工具，在產(chǎn)品生命周期的每一步做出最佳決策，從根本上減少產(chǎn)品創(chuàng)新、開(kāi)發(fā)、制造和支持的時(shí)間和成本。術(shù)語(yǔ)“基于模型的企業(yè)”已成為這種先進(jìn)制造方法的具體體現(xiàn)。它的進(jìn)展代表了數(shù)字化制造的未來(lái)。