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阴鹏艳 | 美国传奇军机如何打造数字工厂

作者:www.cechina.cn2022.06.27阅读 312

  电影《黑鹰坠落》是以1993年索马里发生的真实事件为原型,这其中的主角就是UH-60通用的黑鹰直升机,西科斯基正是它的制造商,在2015年11月被全球头号军火商洛马公司所收购。近年来,在洛马公司的影响和支持下,专注于直升机的西科斯基子公司在其位于美国康涅狄格州的斯特拉特福德制造工厂投资了约10亿美元建设“数字工厂”,为该工厂配备了先进的数字技术,作为生产美陆军下一代直升机计划的一部分。西科斯基工厂现在坐拥超级计算机、3D打印实验室和一系列仿真模拟器,而且也允许工程师和飞行员试验尚未建造的飞机。借助大量投资的“数字工厂”,西科斯基期望建立确保面向未来的竞争力。降低生产成本、简化维护,从而更好地参与到美国陆军的未来垂直起降飞行器(FVL)竞标中。 
  繁忙的未来
  随着技术以闪电般的速度发展,武器设计的新方法也在发展,从飞机上的3D打印到可以在网络空间进行试验的真实系统虚拟副本。5月18日,前美陆军代理部长约翰·惠特利在一篇专栏文章中表示控制工程网版权所有,美国防部必须采取更多措施来拥抱科技竞赛,通过构建更灵活的流程来开展创新业务实践,如数字转型和采购能力即服务。同时,他提到了国防工业领域也正在为国防部带来这种转变,例如洛马(西科斯基)正在使用数字设计来解决重型通用直升机CH-53K的集成挑战,并支撑开展FVL相关工作。 
  目前美陆军FVL专注于两种平台,西科斯基均已进入原型机竞争环节。一是替代已有40年历史的UH-60“黑鹰”,即未来远程突击机(FLRAA),另一种是替代退役的贝尔OH-58“基奥瓦”侦察直升机,即未来攻击侦察直升机(FARA)。

  西科斯基公司与波音公司合作,在FLRAA竞标中推出了“挑衅”(Defiant) 飞机,西科斯基的斯特拉特福德工厂已经配备了人员准备开始生产第一架FLRAA,陆军将于2022年9月宣布对FLRAA的选择。
  而其“掠袭者”X(Raider X) 也已被选中进入未来攻击侦察机(FARA)原型机制造阶段,该项目的飞行试验预计在2023年底进行。 
  面向未来业务发展,西科斯基公司下定了数字转型的决心。数十年来CONTROL ENGINEERING China版权所有,UH-60“黑鹰”一直是西科斯基公司的支柱业务,第5000架“黑鹰”将于2022年四季度下线。尽管该公司已经获得了包括生产美海军陆战队的CH-53K“种马王”重型直升机和美空军的HH-60W战斗救援直升机等几个大合同,但西科斯基认为如果不能获得FVL合同,意味着可能将要裁撤斯特拉特福德工厂的6500名员工。为了避免这种情况发生,其斯特拉特福德工厂已经开展了数字改造,“机器学习”、“数据输入”和“虚拟现实”等词汇正在被用于描述工厂中的制造活动。 
  全副武装的设备
  西科斯基工厂中用于生产飞机零部件的铣床,与20世纪生产线上的车床和铣床早已大相径庭。这些封闭的机器中很多庞然大物,有的有单层建筑大小。这些铣床是由世界各地的公司专门为西科斯基制造的,单台铣床就能自动将原材料成型、车削和钻削制成飞机零件,而过去这一过程需要用到多台机床和人工操作。
  整个数字工厂概念的目标是降低劳动力成本、提高精度、缩短生产时间。过去需要数天时间在几台机床上完成的工作,现在只需10~15分钟就可以由一台复合机床完成且误差更小。
  两款VTC 2500立式车床都配备有2500毫米的工作台,最大旋转摆动量为1560毫米,垂直z轴行程1750毫米,以及用于提高刚度和 X轴的静液压柱塞从中心左右移动,可以从任意一侧切削。
  类似变速箱这样的部件,包含了几十个不同大小的孔和表面,其误差容错度不到百万分之七英寸(约合0.18微米)。加工单元每次加工操作之后都会进行非接触式检查以生成工件的三维模型。检查会生成“热力图”,以验证金属去除过程的准确性。
  加工零件的三维模型都汇集在一种计算机辅助制造Vericut的仿真软件中,以创建程序员用来优化流程的虚拟加工场景。最终,仿真模拟结果体现在虚拟模型中,这些虚拟模型定义了零件在不同加工阶段的外观。
  确定要实现的几何形状的加工过程,不同于典型的粗加工、半精加工、精加工。它将这三个阶段进行了有效的关联。这种策略可以在设计完成前几周就配置所有必要的制造基础设施,包括NC程序、切削刀具和夹具。同时,程序员可以着手优化下一阶段的加工。与过去的类似项目相比,第一阶段加工后的齿轮箱的三维模型有助于改进和验证第二阶段加工的准确性,所需时间减少了约48%。例如,某主变速箱第一件零件的加工于2020年7月开始,大约在该零件的设计工作完成前10周。 
  精度是西科斯基节约成本战略的重要支柱。斯特拉特福德工厂拥有自己的650平方米3D打印实验室,共有18台打印机在现场生产各种热塑性部件www.cechina.cn,包括作业工具和航空零部件。西科斯基公司希望在年底前交付两台能够生产金属部件的新型打印机,目前3D打印部件现在已经100%可靠地通过了质量控制。过去使用传统方法制造一个部件需要4.5kg的原材料,现在只需要1.3kg。重要的是,过去需要四五个子部件组装的部件现在可以完整打印成一个一体化的部件。同时,这项技术的成熟度已可用于生产金属结构部件。
  虚拟现实设备与智能工具也在大量引进。在工人仍在从事拧紧铆钉等传统制造工作的地方,西科斯基在技术上投入了大量资金,以使生产过程更快、更容易、更可靠。 
  在CH-53K生产线上,已经没有了纸质的原理图。而手工工具,也都是数字化集成的,工人们都有增强现实眼镜辅助。西科斯基的内部IT部门利用现成的扭矩扳手并将其与Wi-Fi连接。在产线上,增强现实眼镜会提示工人哪些铆钉需要拧紧,拧紧的顺序是什么。当放置在适当的位置时,联网的扳手可以自动按照正确的规格拧紧铆钉并记录工作,以便进行质量控制。 
  而在过去,工厂制造的每一架传统直升机,都会有员工阅读作业指导书,使用扳手完成工作说明,然后把扭矩值写回作业指导书。如今,这一过程已经大大简化。西科斯基公司制造工程总监表示,新流程非常简单,员工第一天上班就可以轻松掌握。
  高性能计算登场,打破“飞-修-飞”循环
  高科技制造可以在制造飞机的所谓“后端”节约成本,但西科斯基则往前突破。它在改进设计过程上进行了大量投资,也就是所谓的“前端”改造。通过一台价值1000万美元的现场超级计算机和一组模拟器,可以让设计工程师和飞行员无需制造昂贵的原型机就能对飞机设计进行虚拟试验。
  这台超级计算机由两万五千多个核心处理器组成,为飞行模拟器和飞机数字模型提供动力,允许设计师探索拟定的设计在不同的大气和飞行条件下的表现。
  其中,计算机可以仿真模拟复杂的变量,比如旋翼周围的流体动力学和机体的物理应力等;飞行模拟器可以结合实时响应飞行员动作的飞机机械系统的工作模型,使得工程师无需建造整架飞机,就能了解设计在物理世界中的实际表现。这种“虚拟飞行”不仅大大降低了试飞员的风险,还大大降低了修正设计问题的成本,即“飞-修-飞”循环。
  传统上,当发现一个设计问题时CONTROL ENGINEERING China版权所有,工程师和试飞员会开发出潜在的解决方案,并在原型上实现这些改变,但无法保证会解决问题且不会产生新的问题,这种“飞-修-飞”的循环会很快导致成本超支和进度延期。例如在CH-53K的早期设计中,在试验时识别出发动机尾气再吸入的问题,西科斯基使用超算模拟设计变更而非修改物理原型,并确定解决方案。与“飞-修-飞”的方法相比,使用虚拟的重新设计节省了两年时间和数百万美元。
  未来,西科斯基公司希望其计算机模型可以强大到足以纳入更微妙的变量的影响,例如在沙质环境中操作的影响。
  赢在数字空间 
  虽然基于数字手段的设计和制造可以降低成本,缩短建造时间,但西科斯基为FVL合同押注的是其高管所谓的“数字血统”概念。也就是,每架从西科斯基公司生产线上下线的飞机都将有一个与其尾号相关联的数字孪生模型。直升机上发生的任何事情都将在这架飞机的专属数字孪生中重现。这一过程从工厂开始,并在飞机达到可运行状态后继续进行。
  飞行过程中的所有操作都由机载传感器记载,相关维护工作也有日志记录。理想情况下,这能让机械师对机体内各个部件所承受的应力有更高颗粒度的了解。此外,来自机载传感器的数据输入数字孪生模型,也有助于开发算法,以预测飞机特定级别的机械问题。这条贯穿直升机整个寿命周期的虚拟链条就是西科斯基公司所称的从概念设计到实际运行的“完整连续的数字主线”。不过,该概念已先行在美国海军陆战队的CH-53K上推出;正在开发 Raider X的数字化制造环境的核心则是达索的3DX设计和制造软件,为虚拟 Raider X设计的每个零部件的3D模型建立了存储库,为整个项目团队的“权威真相源”,并通过相关输入不断刷新和完善。
  小记:实物未动,虚拟先行
  在美国防部和陆军的牵引和要求下,在洛马的引领和指导下,西科斯基正在大力推进数字研制来降低风险成本,提高未来垂直起降系统的效率。西科斯基开发了许多专有的创新手段,强化了其智能工厂框架对车间机器性能的改善。但西科斯基也强调,文化是转型的关键控制工程网版权所有,数字制造被视为一项涉及每个人的团队努力事项,从设计和制造工程师,到操作人员和设备维护师。成功的最重要因素并不是任何“秘方”,而是每个人都采纳并接受了一种数字方法,使他们能够更有效地协作,进而使“实物未动、虚拟先行、虚实结合、精准高效”成为现实。
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