从甩图版到无纸化

上世纪80年代的甩图版是我国制造业迈向产品设计数字化的第一步。借助计算机辅助绘图，摆脱了人工绘制工程图纸、描图、复晒蓝图等过程，直接由计算机打印输出2D图纸，供后续制造使用，从而大大提高了产品设计效率，并取得巨大的经济效益。但是，随着新的制造技术和基于3D 模型的设计流程的出现, 企业继续使用静态的、低效率的纸面流程传递产品信息所能创造的价值越来越少。仅仅使用计算机编制传统纸质文档，如2D 产品图纸、工艺规程以及各种操作规范, 打印后再分发到车间, 按图纸和工艺规程生产，已经不适应面向未来的智能制造了。

目前企业部门之间交接产品信息的方法犹如“铁路警察各管一段”：①产品设计师根据概念设计和产品定义创建一个3D 模型, 进行各种分析计算，选择材料，确定技术要求和尺寸，然后把它扔给制造工艺师;②制造工程师根据3D 模型生成2D 图纸，标注公差，估算材料定额，下达车间或发给外协供应商，作为加工、装配和质量控制的依据;③交付给最终用户的是物理产品和使用说明书，并没有附带任何可追溯的数据，从而给维护保养带来一定的困难;④使用过程发现的问题也不能及时反馈给产品设计部门，加以改进，因此整个过程是开环的。

图1 2D图纸在生产中经常出现的问题

基于2D图纸的企业运作模式，无论在产品设计、工艺设计、采购和分包、车间生产和质量控制都存在某些令人头疼的问题，如图1所示。从图中可见，2D图纸在生产中经常发生的问题有：①从3D模型转换成2D图纸的“出图”过程，费时费事，而且容易出错;②工艺规程和操作规范不可交互，往往难以理解、不能及时更新或数据不完整;③提供给供应商的数据、产品质量检验数据没有与产品设计更改保持一致。

由于在人工更新制造文档过程中浪费了大量时间和成本，促使领先制造商开始从纸面流程过渡到基于3D模型的可交互的数字文档。智能制造环境要求一个动态的协作过程, 产品数据可以在设计、制造、供应商之间无缝隙地流动。确保每个需要的人能够随时随地获得最新的、正确的生产信息和工艺数据。数字化的无纸制造的优势是投入生产的延迟少, 废品和返工少, 产品质量更稳定, 交货时间更短。

未来工厂——基于模型的制造

未来工厂是借助不断建模和仿真优化运作的，其流程如图2所示。场景是从概念设计开始，工厂运行每一步的所有信息和数据都输入模型，进行优化，预测和指导下一步，然后对实施的结果进行分析，是否达到预期，并将出现的问题反馈，构成闭环，修改模型，直到偏离数值处于允差范围之内。这样从CAD/CAE开始、一步步走过产品全生命周期的各个阶段、直到报废为止。这个数字化的过程称为数字线程Digital Tread，“线”是指以3D模型从概念设计到产品的运行和服务贯穿产品生命周期各个阶段，“程”意味不断前进，在前进中丰富模型的数字内涵。在整个过程中，设计部门的职责不仅限于传统的、提供图纸的任务，而是承担产品全生命周期的最初数字模型的构建和维护，孕育了产品数字模型的生命，如图2所示。

图2 数字线程和数字双胞胎

数字线程必须在全生命周期中使用某种“共同语言”，才能交互。例如，在概念设计阶段，就有必要由产品工程师与制造工程师共同创建能够共享的动态数字模型(如包含工艺信息的3DCAD模型)。据此模型生成加工制造和质量检验等生产过程所需可视化工艺、数控程序、验收规范等，不断优化产品和过程，并保持实时同步更新。这些都是在计算机上和云端运行的，是虚拟制造世界，软件定义一切，是基于模型的企业，如图3所示。

图3 基于模型的企业和云平台

车间根据虚拟加工优化后的模型和工艺文件进行产品生产和质量控制(物理世界的活动)，是从虚拟制造世界走进现实的大门。在产品生命周期内，产品无论在设计、制造、使用各个阶段都与云平台交互保持实时和动态的信息交互。

可以设想，不久的将来，当航空公司接收一架飞机的时候，将同时验收一套详细的数字模型。当真实飞机飞行时，虚拟的飞机(数字双胞胎)通过传感器实现与真实飞机飞行状态完全同步，如机翼受力状态、应力和应变等。真实飞机每次飞行后，数字双胞胎根据结构现有情况和历史载荷记录，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次飞行任务的载荷。驾驶员、维修人员和设计工程师皆可查阅有关架次飞机的历史数据和现有状态，保证飞行安全，防范于未然。换句话说，未来的航空器生命周期管理是可预测的、集成化和完全个性化的“事先诸葛亮”。

综上所述，数字线程能有效地评估系统在其生命周期中的当前和未来能力，在物理过程和产品开发之前, 通过仿真的方法及早发现系统性能缺陷，优化产品的可操作性, 可制造性, 质量控制，以及在整个生命周期中应用模型实现可预测维护。

挑战和展望

将上述场景变为现实，还面临许多挑战。例如，我国当前的车间生产环境还离不开2D图纸，因为3D尺寸公差标注标准还不完善，没有被广泛接受，从3D模型直接生成数控程序仍然存在一定困难等等。要把目前数字线程的断裂的“虚线”连接成贯穿生命周期的“实线”，构建数字双胞胎尚需假以时日。但是，只有从未来的视角审视当前，才能把握好今后的发展方向。