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林雪萍 | 臭鼬工厂连环马 最大军火商的智能制造新标杆

发布时间:2021-12-31作者来源:金航标浏览:1381

作为全球最大军火商美国洛克希德·马丁公司,在创新领域更享有盛誉的地方是来自下属研发机构:“臭鼬工厂”(Skunk Works)。这家工厂打造了U2侦察机、第一架隐形战斗机F-117和第一架第五代战斗机F-22等众多知名。它最近几年的杰作是五代战机F35,可以适用于海陆空三军军种,大大降级了庞杂的维修费用。“臭鼬工厂”向来以创新的管理机制而知名,能够快速组织生产满足国家急需品,从而成为全球制造创新的模范生。


2021年8月,它以不同寻常的方式表达了再创军火制造标杆的决心。这一次的目标是,猎豹一样的速度和山鸡一样的成本。



不同寻常的开幕式


8月10日,位于加州棕榈谷的臭鼬工厂举行了盛大的开工仪式,展示了先进制造设施建设。它邀请了各方人士,并广为宣传,对于一家世界上最秘密、[敏感词]的[敏感词]制造商而言,这一点非同寻常。


这是洛马今年将在美国开设的四个数字化转型的制造厂之一,也就是“智能柔性工厂IFF”,整个投资接近4亿美元。


这座占地65,000平方米的智能柔性工厂IFF,是为了450名员工准备。最大的特点是拥有强大的数字化设施,实现智能制造,从而以快速而经济的方式支持美国制造。


让外部人员真正进入这座神秘建筑是一个罕见的时刻。此前,臭鼬工厂在过去一直试图从根本上重塑自己。从原始而独特的原型开始,此刻,终于正式进入到一个生产阶段。


洛马试图表明,在经过漫长的准备阶段,[敏感词]颠覆性的数字化转型旅程开始正式起跑。


这次对外开放的是臭鼬工厂42号厂房的10号现场。这座新建筑,融合了洛马公司先进制造的三个关键优先事项:智能柔性工厂IFF(Intelligent Flexibe Factory);技术赋能的先进制造环境和柔性车间。


智能柔性工厂IFF是洛马[敏感词]提出的概念,是一种数字优先的原则,可以通过虚拟连接设备来简化生产并最大限度地提高灵活性。该框架是一个边缘计算平台,可以实现各种IT平台的继承、扩展和标准化的设备连接。今年七月,在美国宇航局肯尼迪航天中心附近的一座大楼,洛马开启了“星空中心”数字化工厂,组装“猎户座”航天器,为登月做准备 。洛马购买了这座培训建筑大楼并耗资2000万美元,改造成数字化工厂。目标如出一辙,那就是以前所未有的速度交付航天器。


“星空中心”的30多台机器,连通NASA相关的设备仪器,一起都被连接到洛马公司的智能柔性工厂之中。两个组织的团队成员,都能实时访问有价值的数据,还包括设备监控、警报以及虚拟现实等智能工具。


洛马已经在七个地点部署了这种工厂框架,并正在整个公司范围内扩展。臭鼬工厂不过是[敏感词]的一个落地点而已。


这次它对外的展示可以分为两个维度。第一个维度是新鲜而独特的,它描绘了一个数字化的工厂如何通过数字工程和数字制造而展开工作。虚拟的数字空间,正式成为一个工厂的硬币两面。单纯的物理厂房空间不再是一个完整的世界。实际上更准确地说,第二个维度的物理厂房不过是数字化工厂的实体化而已。正如《天仙配》所预示的那样,想象中的七仙女,成为董永在老槐树下见到的人。或者说,灵魂和肉体,在此一刻终于进行了分离,肉体只是一个载体。最有价值的创新,已经在数字化空间反复调试过。现场的工厂操作,更像是完成一次任务下载而已。换言之,就像是把云上的一个机器文档下载到本地,然后打开压缩包就地安装。


臭鼬工厂此前有很多类似的项目对数字化制造进行验证。而现在,各个子项目终于都完成收官,所有的招法和兵谱最后凝聚在这个新工厂里。


走向敏捷,则是一个反复被强调的目标。


厂房还是艺术空间?


这个厂房是在原来的机库原址修建起来的,这个机库是上个世纪六十年代的L-1011项目。从2016年以来就一直空闲在那里,外表看上去没有任何动静。连谷歌地图上面,都像是一个水泥大补丁。2019年开始动工改建成数字化工厂,如今终于竣工。在这栋楼的内部,一切看上去都很奇怪,就像进入宜家展厅一样。


宜家家居?造飞机?


是的,这正是臭鼬新工厂的想法。臭鼬工厂的想法是,在飞机制造过程中,可以复制宜家模式的组装工艺,实现高性能飞机的装配。


在新工厂,一段斑斓五彩的玻璃地板入口,引发人们对洛马公司标志性五颗星的热爱。而工厂的天花板,则挂满银色闪亮的条纹,与黑色漆的空间遥相呼应。旁边则摆着悠闲的工厂咖啡,供机械师和工程师随时享用。


大堂的设计对故事的整体主旨如此重要。每一个工作人员进入车间的时候,就像走近一个故事。


这似乎背离了臭鼬工厂的早期风格。臭鼬工厂最早创始人约翰逊,总是强调不要使用华丽而昂贵的建筑,非常实用是第一原则。他最担心的问题是跟一般总包商的想法一样,如果[敏感词]部的客户看到了华美的建筑,就会认为工厂是在乱花钱。


现在洛克希德公司似乎已经不再纠结这个问题,激发员工的创意必须有好的工作空间——这是臭鼬管理层可以高声甚至引以为豪的理由。谁说喝咖啡打桌球只应该是类似谷歌这样的硅谷公司的员工专利。


很显然,臭鼬工厂管理层现在的想法跟早期的臭鼬工厂做事的方式有了巨大的背离。


这种鲜明的对比,难免让人想到,人们心目中的工厂需要溶解重生。就像一把斧头需要融化,然后重新铸造成一把剑。数字虚拟工厂作为物理工厂之外的第二工厂,成为鲜明的相反面。如果较真来看,这仍然只是工程上的创造。那么管理者的意识呢?当一个琳琅满目、华丽而有限的现代工厂空间,旗帜鲜明地跟以往古板僵硬的机器厂房告别的时候,管理思想和组织结构也在发生根本性变化。


管理者,是否也做好了准备?


超越制造优化,进阶数字革命


这个新的 “未来工厂”(被命名为648号建筑)中采用的技术,包括隐形战斗机和无人机、高超音速导弹等先进。然而,更值得瞩目的是工厂内部正在进行的更大规模转型的核心,可能会彻底改变非常先进的航空航天概念的开发和生产,这种工业能力对于美国军队保持其竞争优势可能越来越重要。


做事的方式已经改变。洛马在整个企业,开始改造业务中的几乎所有工作,从需求编制、合同管理,到设计与制造技术,以及现场运维。这被统一称之为“洛马的数字化转型。”


多年来,“臭鼬工厂”不得不花费大量的时间和资源,在其位于帕姆代尔园区内为各种新项目建立工作空间。这些空间往往需要频繁配置,10号厂的各个机库,不得不提供隔离区域,用链式围栏建造特殊区域。而且一些定制的专用工具也不断被采购,实现原型制造。


而洛马公司在新工厂的目标是,通过提高机器人的柔性大力提高自动化程度。其中值得一提的是,专门为美国[敏感词]部服务的机器人公司Electroimpact。它担负着碳纤维自动铺丝的工作,可以将超薄碳纤维分层。这对碳纤维复合材料来说是巨大的进步,可以将空间结构做成极为复杂的形状。这类江湖少见的独行侠,并不需要寻找全球市场,仅仅留在美国军火商的怀抱里就足以吃香的喝辣的。这是全球制造业非常少有的一种产业形态,他们就像山洞里的霉菌,在人迹罕至的黑暗角落大放异彩。


但在洛马工厂内,Electroimpact的机器人还有别的事情要做,那就是螺栓铆接。四个机器人联合作业,实现螺栓连接和自动钻孔。它们可以在各种材料(包括复合材料和钛)上钻孔,用螺栓实现固定连接。


“臭鼬工厂”已经不是第一次使用这些机器人,在美国宇航局NASA的X-59A静音超音速航天飞机的试验平台上,其能力已经得以展示。Electroimpact机器人在X-59A上钻孔数量超过7500个孔,每21秒钻一个。


钻孔可不是小事。异常的钻孔会导致成本增加。对于隐形飞机,这类错误更是致命,因为它会影响雷达波吸收。而以前,为了保证精度,这些往往都是靠手工制造来实现的,正是飞机制造车间里敲敲打打那样。


然而,手工时代结束了,机器人包办了一切,目前钻孔的缺陷率不到0.3%,而且可以确保零件的统一性。猎豹的速度,不是来自猎豹,而是机器人。


重新设计工厂的潜能


除了能够快速钻探和固定,Electroimpact机器人还能通过编程自主执行工作。它的大脑已经不受特定任务的限制,而且它的腿脚也开始被解放。因为它是采用可移动的方式,工作区域的灵活性大大增强。而增强现实的应用,则可以让员工在虚拟空间和物理空间自由穿梭。车间的工作人员,可以检查正在建造的物理部件,并且立刻与数字模型相比较。如果出现问题,可以使用AR或VR探索潜在的修复方案,而不一定要先组装或拆卸整个部件。而这个方案,将会同步返回给设计师。这一场景,早在2018年7月洛马公司对外发布的《工作的未来》短视频中已经展示,现在它已经落地了。


流水线工作车间,将迎来全新的柔性空间。在这类,机器不再被绑定在某一个特定的项目,人也在数字化工具的帮助下,快速切换到另外一个项目。这才是真正的柔性,以前漫长的机器配置时间几乎被短路。与此相对应,整个工作区域有了非常模块化的感觉。在这个新工厂的地板上,将不会有任何东西会被[敏感词]地钉在地上。


如果一名家庭主妇喜欢隔几个月就要调试自己房间的风格,那么她的想法和洛马对工厂车间的态度并无两样。更多同盟军,还有那些宜家展示厅的设计师们。


实际上,特斯拉的马斯克早已经开始探索工厂的极限。汽车流水线作为上百年优化的[敏感词]艺术,汽车离开工厂的速度被认为已经很快了,但马斯克对于这个每秒0.2米的节拍速度完全不以为然。“用设计产品的思路去设计工厂,把工厂视为一个集成系统,运用物理学基本原则最大化地优化功能”。说这句话的时候,马斯克简直就像是一名物理科学家。汽车厂的设计,不过是对一个物理公式进行优化而已。特斯拉的工厂,一般都是按照超级工厂、超级生产的原则进行设计。例如在美国内华达拉斯维加斯赌场附近的电池工厂,它是世界上最大的单体建筑。内华达电池工厂的三维视图全部数字化,跟计算机系统里的细节完全一样。所有部门的协同都经过精心设计,避免过度消耗。工程师和机械师之间的办公场所并无墙壁;而二者在现场的操作都是通过手持Pad并肩进出。在工厂那个角落看过去,各个工种之间都几乎毫无差别。从工厂优化公式而来,每个员工也只是一个变量而已。基础物理公式的优化以释放最大潜能,这才是超级工厂的真谛。“大”只是一个表面结果,节俭和效率才是最优先的原则。猎豹速度和山鸡成本是制造的新圣经。这一次,臭鼬工厂听到了马斯克的声音。


与传统保密认知相悖的是,新工厂内部将有Wi-Fi,尽管“臭鼬工厂”从事的往往是美国政府[敏感词]密级的项目,约有85%的工作都是涉密的。实际上,这也是美国[敏感词]部承包商第一次使用无线网络。它带来的好处是,数据可以更容易、更灵活地发送到车间。这对于实现“臭鼬工厂”的移动机器人在不同项目下实现工位的无缝切换非常必要。整个基础设施,包括网络,也必须是柔性的。由于用来数字基础设施,加上灵活的物联网和智能制造技术,从而以同时量产多个不同平台。该工厂允许随意重新配置,以实现高效、灵活地制造。不会像洛马公司在德克萨斯州的工厂那样,专门为生产特定产品(如每年140架的F-35战斗机)而设计。这一点,颠覆了大多数工厂的概念。


串行的工序成为过去式,平行工作才是主流。人与人,人机之间的协同,由于消除了数据浪费,而变得更加高效。至于工位,那些灵活的工位?


不,不,或许根本就没有固定的工位。


一环套一环,数字化转型的连环锁


洛马“数字化转型”这一宽泛的战略雄心并不是一蹴而就。它是通过开发名为StarDrive(星际驱动)的数字建模和工程工具集得以实现的。而这也得益于“臭鼬工厂”多年来在快速原型和高保真建模能力的基础之上。


在现场参观的区域,整体已经被分割,只能看到某些局部东西。由于美国宇航局NASA超静超音速X-59机是臭鼬工厂建造的少数非涉密项目。X-59的制造过程,成为洛马StarDrive数字工程的一个最好跳板,可以用来不断测试全新制造工艺。


星际驱动,是由一连串眼花缭乱的子项目依次引爆而成。现在,让洛马有理由兴奋的是,“星级驱动”已经从实验性的数字化工程项目,过渡到一个实际应用的工程过程。而这些都将在新工厂实施,而且高度保密。

图 数字化工程的项目演化


星际驱动的一个子项目是“天狼星计划”,一个基于模型的系统工程MBSE的数字模型,这用来实现无尾三角翼战斗机类型的飞机。这是美国先进制造面向未来的最重要的工程概念。它使得数字制造可以忠实地复原飞机设计师脑海中的设计细节。


最重要的是,这种精准的复制不是在纸面上,而是在数字空间里。因此它可以与重要的供应商实现共享。供应商的机器、环境控制系统,都可以跟主机厂合在一起,即使二者相距数千公里。当供应商的零部件进入棕榈谷的工厂时,公差配合可以达到千分之一英寸。而这正是隐形战机和高性能飞机所必需的。


如果说“天狼星”还只是建立了一个模型,证明计划可行。随后,这个项目被进一步继承到一个新的“查理项目”,解决具体物理连接问题。先从金属开始,实现飞机机翼的组装。查理项目的结果,就是能够将一个金属机翼和子部件成功地结合在一起,顺利完成金属结构件的物理组件与数字模型之间的匹配。


下一步,复合材料的匹配,这是最难的一步。就数字制造和确定性装配,金属材料相对容易实现。而复合材料,往往会受到温控差异性的影响,这个才是关键性的一步。


这次跨越,是在一个后续项目“北极星”上所实现的,而且是荷枪实弹。因为这次实现了供应链上的协同。臭鼬工厂,将X-59机身的一部分,分包给了Spirit航空系统公司。二者,各自完成一半。Spirit公司作为一级供应商,加入到洛马的集成数字环境IDE中,并且使用StarDrive工具。在这个平台上,Spirit公司的组件可以在数字空间进行多次“虚拟磨合”。最后,它可以轻松将复合材料结构连接在金属框架上。这个过程涉及到大约1500个紧固件,通常需要几个小时。而现在,只用三十分钟。


最后,屏住呼吸的时刻来到了,两个不同厂家生产的机翼严丝合缝的装配在一起。只需要几分钟,没有机器闪烁,没有修正信号,没有后处理。这是一个进步飞速的实战项目。它证明了,对于任何大型先进飞机制造项目来说,供应商完全可以采用与主机厂相同的公差和质量来开发子结构。双方的员工,可以在同一个真实数据源下和同一个实时环境中协同工作,同步获得设计更新、任务状态和反馈信息,并在所有成果物都实现单一数据源,包括CAD、系统工程和项目进展数据。


数字孪生也在同步推进。“臭鼬工厂”星级驱动的项目经理,在六月份已经表明,将在F-16战斗机的成熟平台上推进数字孪生数据模型,进一步降低成本。


有了工具集,有了数字孪生模型,有了各种组合的验证性项目,StarDrive数字化工程项目取得了巨大的成功,这让它开始正式进入了现实的工厂工程阶段。


一只鸡和一只蛋,同步的新生儿


然而,这个故事,并没有结束。因为这个全新的数字化工程被证明在成功地之外还造就了一个新生儿,数字化工程的一个全新产品:极速赛手。


“极速赛手”(Speed Racer)是在2020年9月才第一次展示。但一年的时间过去了,它已经有了很大的进化。


“极速赛手”最初是作为一个类似导弹的小型无人机,它只是用来演示全新StarDrive流程是否可行。在天狼星计划中,实现机器人、自动化的工艺过程并且能够实现部件级连接。进一步,在“查理”和“北极星”项目中,这样一个飞行器也同时被建造出来。实际上,为了简化工程制造的难度,这个产品的复杂性也被简化。它并不是一个传统飞机,而是一枚导弹,以便简化制造难度。这个“极速赛手”样品只是为了证明,一种可以大批量而且廉价地制造出来。“极速赛手”(Speed Racer)名字本身就是一个缩写,代表“经济实惠、紧凑、增程小型穿透性可消耗诱饵”。没想到,它自身也取得了巨大的成功,后续版本完全可以实战化。美国空军研究实验室AFRL表现了强烈的兴趣,很可能要下订单了。


为何空军对此很感兴趣?因为空军指挥部可以将它可以作为廉价的导弹诱饵,或者是廉价的巡航导弹。它可能会采用一种蜂群作业的协同战术,真假一起,用于消耗对方的反导火力。美军空军研究实验室AFRL已经开始尝试通过系列计划,落实极速赛手的生产,研制地点也将会在臭鼬工厂。


建立时间序列的数字孪生


臭鼬工厂还在加强国际间合作,充分利用人工智能技术。它正在跟日本NEC合作,利用后者的系统衡量分析技术SIAT的人工智能技术。此前,二者的合作,已经用于NASA的阿尔忒弥斯任务等项目,不妨说,在整个太空领域,洛马公司正在应用人工智能技术,在生产和运营任务要求中提供主动洞察力。


近几年来,洛马公司和NEC一直在合作评估SIAT在早期生产测试和操作场景中的有效性,而且已经将这种技术集成到洛马的通用人工智能遥测分析技术 (T-TAURI) 人工智能服务中。由于它建立了一种基于时间序列的数字孪生,使得洛马能够在航天器开发的设计、开发、生产和测试阶段——甚至在任务操作中的应用之前——主动发现异常检测。


NEC的SIAT高级分析引擎使用从传感器收集的数据来学习系统的行为,包括计算机系统、发电厂、工厂和建筑物,使系统本身能够自动检测与规定不一致的方案。通过集成洛克希德马丁公司的T-TAURI平台,这是一个全面的时间序列分析框架,该团队可以获得对系统的详尽、全面的了解,为其他先进技术(如系统级数字孪生)创建基础系统。自从NEC与洛马公司建立最初的合作伙伴关系以来,团队已经实现了加快软件回归测试,从而尽早发现生产异常。


面向下一代空战的极速制造


开放尺度如此之大,数字化工程如此迅猛,洛马也是希望能够在美国空军的大项目NGAD(下一代空中主宰计划)中抢夺更多的粮食,如未来的垂直升降机,超音速飞机等。洛马需要证明自己可以用全新的方式,完成这些高性能的先进航空航天产品,而不是传统飞机需要消耗30-40年才能完成。从20世纪80年代开始,一架新的战斗机的开发需要花几十年的时间,才能将一架飞机从一张纸上进入到一个工厂的车间。而现在,开发一架新型飞机的时间可能可以缩短到只需要五到八年。


近年来,美国[敏感词]部一直在谈论颠覆航空器开发周期的方法,实现类似于在汽车业的快速迭代速度。他们认为传统的开发过程太慢,无法在能力上跟上潜在对手的步伐。2019年,美国空军助理部长首次描述了一个快速、迭代的设计概念,它被称之为“数字世纪系列”,依靠数字工程技术并专注于小批量生产。“臭鼬工厂”新工厂,正是这种激进思想的忠实执行者。


而要做到这一点, 洛马必须彻底改变传统方式。相对于竞争对手波音公司,后者处于更加领先的位置:波音一直在展示[敏感词]高级教练机T-7A的能力(总价值92亿美元)。但由于疫情,波音T7A也落后了7-9个月的时间,国际供应商尤其是负责组装的瑞典萨博也拖了后腿。T-7A高级教练机的机体后段与前段、机翼和尾翼,几乎都是萨博公司生产,美国工厂负责总装。由于采用了先进的数字化生产线,只需30分钟即可将机翼与机身进行拼接。数字化技术,成为飞机制造商的核心竞争力。


从整体来看,军民品两栖的波音公司,能在商用飞机的实践基础上建立数字化技术优势,获得更好的成本优势。因为成本一直是商业化产品的[敏感词]驱动力。而洛克希德和诺斯罗普,则无法从这种深厚的商业化背景中获益。这也使得,洛马的数字化转型推动力会更大。以巨大投入的数字化转型,来减少缺乏商业化实践造就的成本偏高的困境。


当然,即使洛马没有波音的商业经验,也可以分享共同的供应商经验。如Spirit公司,也参与了诺格鲁普的隐形战机B-21计划。也是波音公司最大的商业供应商——事实上,它曾经是波音公司的一部分。


而这一次新厂房的竣工,洛马也真正有机会对外展示,他们可以拥有空军的那些大合同。而数字化转型,则是洛马亮出的镇店之宝。


尽管航空零部件的体积巨大、形状精细而复杂,还有非常昂贵的材料,但飞机制造的[敏感词]目标就是向汽车制造业看齐。借助于数字化技术,实现飞机制造汽车化。采用高度自动化,高度模块化的装配方式。大幅度降低制造成本,而且加速上市时间。下一代战机,空中预警机,或者下一代加油机,都不需要等待二十年。


美国飞机制造商,正在向军方,也在向普罗大众,极力宣传这一点。


小记:数字化的新口味


如何定义这样的创新崛起?也许这就是军火制造商的数字化新口味:更快更便宜的:飞机、导弹、航天器。而新工厂的建成,则意味着“臭鼬工厂”的创新诀窍,进入了“数字化转型”时代。尽管新车间里面还没有填满,但在虚拟空间里,早已塞满了数字化的经验。这些经验、数据和想法,形成了激烈的化学反应,而物理反应则正在徐徐展开,逐一落地。


数字化转型已经成为最大的机遇。最复杂的飞机设计与制造,被按下了多倍速快进键。


数字化从头到尾,制造工匠将与数字工具合作,自动化则被深化应用。机器人、人工智能和增强现实,相互嵌套,减少了多余的操作,大大提升机械式的体验,以推动快速创新,这是“臭鼬工厂”的一个标志。


(部分材料参考《从心推送的防务菌》、《空天防务观察》的微信公众号,鸣谢中国电科陈志宏先生、中国航空工业发展研究中心的阴鹏艳和刘亚威。)




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