数字化制造从最复杂开始起步 | 工业百条
【中文词条】数字设计与制造（简称数字化制造）
【英文词条】Digital Design & Manufacturing
定义溯源
目前对于数字化制造的定义，各有不同的观点。主要定义包括：
作为美国制造业创新中心的重要组成机构之一，美国国家数字设计与制造创新研究院DMDII，将“数字化设计与制造”定义为：一个制造产品在整个生命周期之内，数据的汇聚、分析和应用。这个数据既包含了产品本身的数据，也包括了流程的数据，从而跨越了整个价值链条。
而美国国家标准研究院NIST，将“数字化制造”定义为，“在整个产品生命周期，通过数字化技术来提高产品、流程、企业的性能，同时缩短周期，降低成本”，主要涉及到技术包括3D建模，基于模型的工程，和产品生命周期管理。
宽泛意义而言，数字化制造是由各种制造方案演化而来的，比如面向制造的设计（DFM）、计算机集成制造（CIM）、柔性制造、精益制造、以及对产品和流程设计协同要求更高的其它制造方案。
数字化制造——工业百条正解
“数字化制造”包含了“数字化设计”与“数字化装配与制造”两个概念，并且将二者有机地融合在一起。它通过基于三维模型的产品定义，实现产品的几何、材料、工艺、装配等各个环节的数字化联通与集成，从而可以应用到产品生命周期的设计、仿真、装配和维修等全阶段，以实现数字化的智能制造。
从制造业最为复杂的飞机制造业来看，数字化制造可以分为三个阶段来实现。
第一阶段：初级CAD软件在飞机部件上的应用
第一个阶段就是从二十世纪的八十年代初到九零年。这个阶段，采用了初级的三维数字化设计工具方法。特点就是把现有的产品、零件和结构件用CAD工具，进行建模、装配和分析，形成初级的以几何为中心的部件及数字模型。
这个阶段解决的问题是零件的几何定义以及简单的装配协调。该阶段所用计算机是大型计算机主机。由于图形处理的难度和计算量非常大，而当时的计算机能力非常薄弱。数百万美金的大型计算机，只能连接三到五个三维设计的图形终端，来完成三维的零件建模以及简单的计算分析，做简单的装配。而更大规模的装配，则无法在计算机上完成。关键是计算机硬件、软件和初级CAD软件的能力不足。该阶段代表案例是达索公司设计的小型公务机，以及波音公司在747、767、757以及已经首飞鱼鹰的部件，都做了大量的设计、工艺、制造的三维数字化验证。通过这些基于数字化的三维实践，形成了基于三维设计的标准以及成熟的研制方法。
第二阶段：全三维数字化整机设计
波音从1991年开始决定用全三维的数字化设计工具和方法，来完成新一代的双通道飞机（即波音777）的研制。波音777是世界上第一个采用全数字化的设计手段完成的整机设计。
该项目的硬件采用了8台大型计算机和3200台UNIX三维CAD工作站，另外还有两万台PC机。大型计算机联网，3200台三维CAD工作站联网，但是两万台PC机绝大部分没有联网。数据传递主要靠软盘完成。采用了800个相互不关联的设计分析仿真工艺软件，并形成了14个不同的物料明细表（BOM表）。没有基于计算机的大型项目研制就没有大数据。可以说，大数据是从波音777的研制开始的。
这次取得的成绩非常明显。与波音历史上的同类双通道、200座以上大型飞机767相比，由于采用了三维数字化设计的方法，波音777用了4年半就首飞的第一架飞机，比以传统研制方法造了24年的第400架波音747质量还要好。质量好、周期短，自然效益非常高，波音777最后成为一架非常赚钱的飞机。
第三阶段：打通设计与制造
然而也有隐患潜伏在第二阶段。由于波音777设计在数据管理上主要是采用了传统的文件管理系统，因此造成了前后数据不一致。这带来了很多后续问题，最主要的问题有两个：
首先是几万台计算机的数据不一致问题。以前传统的研制方法都是蓝图、工艺卡片、各类表格以及技术文档。这些纸质的技术文档关联性很差，完全不能够协同和相互转换。而靠人力来协同则是非常困难，尤其在产品越来越复杂的情况下，每天几万人在各自计算机上生成大量的工作数据，很多数据是无法关联的。
第二，在三维模型上，无法表达零部件的工艺制造和检测数据。尽管人们在三维空间中设计了零件，装配后的组件、部件形成了结构数字样机，再经过大量的分析、协调、工艺检测，从而形成了完整的结构数字样机，但此后在加工厂不能顺利使用，模型中的信息不足以指导制造。所以人们不得不把用三维CAD生成的三维数字模型，重新制作成二维的工程图纸。而复杂的工程图纸，尤其是大部件的装配图，非常难以生成。而最终形成的纸介质图纸，拿到工厂生产的时候，复杂的装配图也非常难以理解。有时候甚至会一个小地方看错了，而造成一连串的错上加错。于是波音公司当时的想法是，能否不用转换为二维图纸，而是持续用三维模型，直接指导工艺和制造。
实际上，波音777项目，重点针对上述两个关键问题，给出了解决方案。第一个解决方案就是在1994年，波音启动了“飞机定义与构型/制造资源管理（DCAC/MRM）”项目，对波音PDM（产品数据管理）项目进行了严格的定义。波音组织两期DCAC/MRM实施，投资超过10亿美金。
第二个解决方案，就是波音推动了三维产品的标准。1996年波音联合了16家制造业公司，推动美国机械工程师协会（ASME）来建立基于三维的制造标准。通过七年的努力，终于建立了ASM14.41的标准，即MBD标准（基于模型的定义）。该定义要求在零件三维模型上表达、工艺数据、材料数据等，包含它的形状、几何、工艺数据、制造质量以及检测的数据。这样一来，三维模型就能够完整地表达某个零件的全部数据，包括通过装配和工艺检测到的各类数据，这就意味着传统的二维图纸可以舍弃了。第二个解决方案，在波音787-9研制中得到了较好的体现，真正实现了基于数字化的设计、制造全部打通。
可以说，整个制造业，因为波音787-9，而进入了数字化制造的第三个阶段。这个阶段就是以前三维模型的数字化设计制造。取消了蓝图、取消了工艺卡片、取消了各类表格、取消了纸质的技术文档。这些材料的取消，也就意味着产品的全数字化。
可以用表格来说明三个阶段的发展情况，以及中国和国外三个阶段的差异。
表1：国外起点
表2：国内起点
可以用三句话来简要说明基于三维模型的数字化设计的三个阶段：
第一个阶段，是以CAD软件开发零件、组件和部件级的三维模型。
第二个阶段，是以波音777为代表的数字化整机设计阶段。
第三个阶段，是787为代表的MBD基于模型的定义，实现数字化设计与数字化制造的打通。在整个产品生命周期阶段，产品运维的服务，也可以顺理成章地实现。
数字化制造的范畴
完整的数字化制造，包括了：数字化设计、数字化工艺、数字化加工与装配、数字化控制、数字化生产管理、远程维修等技术和六个发展阶段。如图1所示。
图1 数字化制造的六个阶段
与这六个阶段相对应的，则分别是不同的支撑技术。如图2所示。
图2 数字化制造的支撑技术
数字化制造是智能制造的必经之路。在产品和工艺开发过程创建的模型和数据，可以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三维模型和数据。数字化制造是实现智能制造的必由之路，只有完成数字化制造，才能真正走向智能制造。
注：本词条入选《智能制造术语解读》一书，由中国电子信息产业发展研究院（赛迪研究院）编著，即将由电子工业出版社出版，敬请关注。
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作者简介
宁振波:中国航空工业集团信息技术中心首席顾问
林雪萍:北京联讯动力咨询有限公司总经理，南山工业书院发起人
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