美國波音公司在Boeing777~787和洛克希德馬丁公司在F35研制過程中，采用數字制造與傳統方式相比，縮短了研制周期至1/3，降低研制成本50%，開創了航空數字化制造的先河。最近，波音公司在新一代戰神航天運載工具的研制和C130的航空電子升級中，采用MBD/MBI(基于模型的定義和作業指導書)縮短裝配工期57%，將數字化制造推向制造現場的更深層次。盡管中國航空工業在數字化制造的部分環節近年來已經得到了長足的發展，但是歷史上掉隊加上研制發展速度的差距，給我國航空制造業以嚴重的壓力。跟上世界航空工業數字化制造發展的步伐，使航空企業迅速實現由傳統生產方式向數字化生產方式的轉變，成為我們刻不容緩的任務。

數字化制造涵蓋了產品的生命周期的全過程，但是目前有關文獻涉及數字化設計和數字模擬較多，而從制造管理和數字化在生產車間“落地”的角度推動數字化制造更快的發展，則顯得比較薄弱。本文以數字化工廠為中心，試圖討論數字化制造的均衡發展的問題。

一 數字化是一場深刻的技術革命

數字化不僅僅是一項技術手段的進步，信息化和數字化也不能混為一談。以兩院院士顧頌芬為首的幾位航空工業的專家指出：“數字化為制造業開創了一種新型的生產方式”。他們認為：“數字化是一場深刻的技術革命。”，“數字化正在改變著世界，數字化的生產方式正在從根本上動搖著傳統制造業的基礎，催生著一場制造業的技術革命”。從波音和空客兩大家航空制造的技術競爭的重點看出，“制造業的競爭已經體現為數字化這一核心能力的競爭”。本文首先理解顧頌芬等專家們將設計和制造數字化置于技術革命高度的意義。

1 工程師自己的工具的發展緩慢

現代的人類社會，工程和產品的發展是驚人的。而與之形成極大反差的是，工程界自己描述產品、傳遞產品制造信息的手段的發展卻是緩慢的。從1795年發明畫法幾何、1840年發明藍圖以來，人們一直用二維平面工程視圖來描述產品。這種大約沿用了200多年的二維工程圖紙曾經是表現制品信息的唯一辦法。但是，人的思維是多維的，工程師們在創意新產品時，首先涌現的是多維的實體形象而不是一個個的平面視圖。為了向制造它的人傳遞產品的信息，必須將這個活生生的實體變成為復雜的、但為工程界所共識的平面圖形。這當中的浪費不僅僅是投影圖的繪制，還包括了從實體形象向抽象的視圖表達方式的轉換的思維，在轉換過程中出現的表達不清和錯誤。制造工程師在接到這種平面圖形以后，又要用想象恢復它的立體形狀，以編制工藝過程。這又是一番思維、腦力和時間的浪費。并且對平面圖形的理解程度往往是能否設計出好的制造過程的關鍵，對圖紙理解的錯誤又經常出現。工人拿到這種用平面圖形描述的作業指導書以后，同樣必須將它理解為三維的實體，浪費和錯誤更容易發生。百年來，制造業為這種平面圖形的轉換付出了巨大的代價。

此外，二維圖紙對產品的表現是模擬的、非精確的，表現能力是有限的。如飛機機翼的形狀是根據空氣動力學計算和實驗得到的復雜型面,而在圖紙上只能用多個剖面逐點進行描述。用二維圖紙表達這些復雜形狀，造成了從連續的精確形狀到不連續的近似形狀的轉換。這個過程同樣既浪費了時間和精力，又帶來了誤差。數控機床的出現，局部的解決了這類科學曲線（面）形狀的信息傳遞問題。但多數零件的加工程序還是從平面圖形轉換來的。

在飛機制造中，從產品的圖形到制造它們的模具的凸凹模線、模板、裝配型架、各級檢驗樣板，需要多次傳遞和轉移。在沒有數字化制造的年代，這些工作全是手工描繪，在放大鏡下用精細刀具磨出來的。效率和精度受著嚴重的制約。

2 傳統CAD的功勞

信息技術的發展，出現了計算機輔助設計CAD 軟件，上個世紀末的CAD 僅僅幫助人們繪制2維圖紙。“甩掉圖板”大大地加快了出2維圖紙的速度，解放了工程師們的體力勞動，也使很多描圖員們下了崗。但是甩掉圖板并沒有甩掉圖紙，也沒有觸及頭腦浪費和轉換錯誤的根本問題。

3 實體造型的CAD的出現和數字化的意義

隨著計算機技術進步，出現了新一代CAD 軟件，在計算機的虛擬環境中，可以按照設計員的思維，直接構造出產品和零件的實體模型。給這種虛擬的3 維實體模型賦予必要的特征和屬性以后，可以直接、直觀地表達出設計員的創意，零件的形象精確的描述并存在計算機中而不是平面圖紙上。設計信息直接從網上傳遞到世界各地為它加工的地方，依據3維模型編制制造過程、NC程序，傳遞到NC機床上進行加工。從此徹底的改變了工程設計的方式和設計信息的傳遞方式。

過去的研制過程，必須做出真正的產品樣機以后，才能發現設計的錯誤或不協調，真實的進行負載、空氣動力的試驗，按照試驗結果進行修正，這樣的反復，增加了研制周期，大量的物資和實驗設備建設的資金消耗。而利用數字化的產品模型，可以進行原來必須靠實物進行的模擬和試驗，節省了大量的人力、物力、財力特別是時間的消耗，將精益制造推進到產品設計和減少工程師們自己的腦力浪費的領域。

所以說，產品信息的描述和在制造各個環節之間的傳遞，從模擬的、二維平面的模式向三維的、數字的模式轉換，成為人類制造工程歷史上的一次重大的革命。它免除了大量的3D與2D的轉換，避免了大量的必須靠實物進行判別、評估和確認的工作。可以預先精確的定義，進行模擬和優化，將可能發生的錯誤提前解決。將實體世界的事，放在虛擬世界中解決，從而大大的降低了成本、減少了生產周期。在3D的數字化模型基礎上的一系列應用所釋放出的效能是過去任何時期的任何技術進度所不可比擬的。

4 對數字化制造全景的描述

近幾年來，美國航空工業又取得長足的進步。下圖是美國戰神航天飛行器數字化制造全過程的示意圖。可以看出，在這個實例中，突破了由3D實體模型向可用于制造和向車間轉移的幾個很現實的轉折：

1) 3D模型的可制造化

2) 3D設計向3D工藝的轉換

3) 將3D的產品和工藝信息向制造作業的工人傳遞

4) 制造作業現場的數字化數據采集和反饋

5) 數字化質量和依從性文檔的管理

美國戰神航天飛行器的數字化開發過程

在長長的制造數字化信息鏈中，以2D為基礎的龐大而根深蒂固的傳統方法向新的3D為基礎的新生產模式的過渡，是一個嚴重的、長期的任務。從傳統制造向數字制造轉移是動搖制造工廠所有現行流程的、嚴重的“再造”過程，涉及技術、管理、質量、法規要求、企業文化、工廠的硬件配置、職工教育等方面的深刻再造。在向數字化制造發展的道路上，甚至還有些未能預料的困擾。中國的航空制造業目前還必須快速的貫通數字化信息鏈的各個環節。

二 理解數字化制造

可以從不同角度理解數字化制造。在航空工業領域，經常是將數字化設計和數字化制造分開來研究的。本文則是站在制造現場這個物理產品形成的基地和產品價值增殖的搖籃的立場上討論數字化制造的，目的是促進數字制造在制造現場落地。因此，先從數字化工廠說起。

1 關于“數字化工廠”

界定數字化是決定我們在數字化領域里應該做些什么和怎樣去做的出發點。本文認為：數字化工廠DigITalized Factory 是一種全新的制造能力或制造模式。數字化工廠利用產品的三維數字模型來定義和優化產品的制造過程，并向制造作業的各類操作者提供數字化的制造指令和作業指導信息；在制造作業中，操作者也用數字化的手段和裝置向上層業務過程反饋數字化的作業狀態信息。

對數字化工廠的情景描述是：制造過程中傳遞和采集的信息是數字的、3D的，因而也必然是無紙化的。分布在各個作業點上的微電腦、移動終端、RFID/條碼設備、軟件PLC、數字化測量設備和無線工業以太網是工廠現場配備的基本裝置。而實現制造作業的設備，大部分是數字控制的。

數字化工廠最直接和最大限度的簡化了制造全生命周期中信息傳遞的轉換過程，使制造過程的效率和效能最大化。數字化工廠前所未有的將制造的全過程，包括思維的、作業的、物流的浪費降低到最小程度，是全新的生產方式。對數字化工廠的這個描述，要害是：將數字工廠從虛擬世界拉回到現實世界中來。

識別數字化工廠的要點是：

◆一個基礎：數字化的3D產品模型和定義

◆三個要素

工藝過程、工藝裝備、工廠布置和作業指導書的數字化定義和優化，即是所謂“數字工廠digITal factory”，這些是完全在虛擬世界里進行的

數字化的生產指令和作業指導書向操作者傳遞和交流，是虛擬的信息向現實世界的轉換，是數字化工廠里的人機交互界面之一

制造作業現實狀態的數字化采集和反饋，是現實世界信息向虛擬世界的傳遞和轉換，是數字化工廠里的人機交互的第二個界面。

2 數字工廠、數字化工廠和傳統工廠相比較

在大量的討論數字制造的文獻和著作中，區分“數字工廠”和“數字化工廠”的幾乎是鳳毛麟角。最清晰的說明出自于一本德國人寫的關于MES的書 。作者  Jürgen Kletti 分別使用了“digITal factory”和“digitized factory”兩個不同的詞來表達2個不同含義的“數字工廠”

數字工廠digITal factory是現實工廠的虛擬模型。其主要目的是通過虛擬模型的數字模擬，優化產品設計和制造過程，提高制造的柔性和應變能力。

數字化工廠digITized factory沒有止步于數字工廠digital factory的虛擬世界中，而是穿越了人機界面，將虛擬的產品和制造過程的信息傳遞到作業工人。而作業工人又采用數字化裝備將生產狀態用數字的形式，反饋給虛擬的工廠數字模型。形成了從虛擬到現實再回到虛擬的完整的數字化信息的傳遞鏈。數字工廠是虛的，數字化工廠是實實在在的。它們分別是產品全生命周期信息的全數字化的一部分。

這里絕不是咬文嚼字。作者認為，在大量的研究數字制造的文獻中，太多的止步于虛擬世界的制造模擬。也有的作者僅僅在最終產品的飛機交付時才回到現實世界中來。而我們則強調，制造數據在虛擬環境和現實環境中不斷地交替著。數字化加速了“工程”領域的效率，我們同樣需要的是數字化在“真刀真槍”的加工制造過程中，顯現它的優勢。從數字工廠到數字化工廠是從虛到實的數字化“落地”的過程。數字化不落地，物料永遠變不成產品。

3 數字化制造與數字化工廠

數字化制造的概念與數字化工廠相同。但是數字化制造是一個更加宏大的概念，它的范圍概括了產品整個生命周期的全過程：從工程設計、工藝設計、制造到使用、服務和維修。數字化制造不僅僅在企業的四面大墻之內，還包括了所有的供應商和合作伙伴，最終形成了“數字化供應鏈”的壯麗前景。而數字化工廠則僅僅局限在與實際產品形成有關的過程，即工藝設計、現場制造等范圍之內。數字化制造和數字化工廠沒有本質的差異，區分它們僅僅可以將實現數字化運作劃分階段和進行實施的分工，便于加速制造整體數字化的實現。