導(dǎo)讀

美國(guó)雷神技術(shù)公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)雷神公司）是世界最大的導(dǎo)彈生產(chǎn)商。在提升導(dǎo)彈性能技術(shù)能力的同時(shí)，雷神公司持續(xù)推動(dòng)先進(jìn)設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，雷神的導(dǎo)彈工廠正在逐步朝向智能化邁進(jìn)。

一、CAVE沉浸式設(shè)計(jì)中心

沉浸式設(shè)計(jì)中心（CAVE）利用先進(jìn)的3D建模、虛擬現(xiàn)實(shí)和遠(yuǎn)程協(xié)作相結(jié)合，創(chuàng)造了一個(gè)設(shè)計(jì)和工程環(huán)境，使雷神的工程師和其他人員仿佛看到該公司的某一種導(dǎo)彈就在他們眼前，并且深入每一個(gè)細(xì)節(jié)。在CAVE空間里，他們可以在導(dǎo)彈原型的虛擬模型內(nèi)部進(jìn)行組裝，然后再到現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行操作。這使該公司能夠在完成任何裝配之前發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷，并且向裝配車(chē)間的操作員提供反饋，以使制造過(guò)程更順暢。

Part.01：一切設(shè)計(jì)都在虛擬樣機(jī)中進(jìn)行，不需要建造任何實(shí)體物理模型

在美國(guó)亞利桑那州圖森市雷神導(dǎo)彈與防御系統(tǒng)園區(qū)深處，有一間擁有黑色墻壁的屋子，被稱(chēng)為“CAVE”（CAVE Advanced Virtual Environment，意為“沉浸式先進(jìn)虛擬環(huán)境”），其中配備了許多應(yīng)用在好萊塢工作室和高端游戲中的先進(jìn)設(shè)備：5臺(tái)3D立體投影機(jī)，1臺(tái)帶有轉(zhuǎn)換軟件的超級(jí)計(jì)算機(jī)，一塊可伸縮的天花板和一面巨大的顯示屏幕。

這些定制的設(shè)備是雷神公司沉浸式設(shè)計(jì)中心的一部分。工程師或設(shè)計(jì)師戴上頭戴式設(shè)備，就可以審視新工廠布局——重新安排虛擬原型工廠內(nèi)的各個(gè)工作站位置，或者改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)——直接走進(jìn)一枚虛擬導(dǎo)彈內(nèi)部去直接測(cè)量并進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估。這一切都在虛擬樣機(jī)中進(jìn)行，并不需要建造任何實(shí)體物理模型。

當(dāng)工程師可以“進(jìn)入”導(dǎo)彈并操縱他們所看到的東西時(shí)，就可以更好地避免工程設(shè)計(jì)事故（“啊，這條線路離那個(gè)光學(xué)傳感器太近了！”），或者可以在狹小的空間里安裝更多的電子設(shè)備，比如導(dǎo)彈的鼻錐。

沉浸式設(shè)計(jì)中心經(jīng)理肯達(dá)爾·盧米絲（Kendall Loomis）負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)6人團(tuán)隊(duì)。她表示，通過(guò)CAVE虛擬現(xiàn)實(shí)可視化系統(tǒng)，員工可以親自“站在”電路板或電池中，使用控制器或通過(guò)運(yùn)動(dòng)跟蹤來(lái)操縱模型，更精通游戲的人也可以不用頭戴式設(shè)備，直接通過(guò)手柄控制器從不同角度查看模型。

CAVE中心的高科技設(shè)備還包括一套3D打印機(jī)，一臺(tái)可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)創(chuàng)建工廠虛擬3D模型的激光掃描儀，以及兩套運(yùn)動(dòng)捕捉套裝——在紅外攝像頭的幫助下，可以跟蹤工人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)（用于預(yù)測(cè)人體工程學(xué)問(wèn)題，或者找出使流程更有效率的方法等），這些設(shè)備在Part.05予以介紹。

Part.02：利用CAVE進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)/審查優(yōu)化了跨部門(mén)協(xié)作的能力

沉浸式設(shè)計(jì)中心將不同地理位置的用戶聯(lián)系起來(lái)的能力類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)游戲。多個(gè)沉浸式設(shè)計(jì)中心互聯(lián)，就像網(wǎng)絡(luò)游戲玩家可以通過(guò)Internet與其他人競(jìng)技一樣，使雷神的工程師和運(yùn)營(yíng)商可以審查相同的設(shè)計(jì)并從各自的CAVE中進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)作。雷神公司位于圖森和波士頓工廠的設(shè)計(jì)師可以通過(guò)CAVE輕松地參加虛擬領(lǐng)域內(nèi)的協(xié)作活動(dòng)，就如同他們?cè)谕粋€(gè)房間一樣。盧米絲說(shuō)，“虛擬現(xiàn)實(shí)可視化打破了各部門(mén)間的隔閡，改變了傳統(tǒng)那種埋頭設(shè)計(jì)各自的部件最后到會(huì)議室中通過(guò)PPT演示進(jìn)行跨部門(mén)評(píng)審的方式，通過(guò)CAVE，跨部門(mén)人員可以聚在一起，共同審查并探討項(xiàng)目不同階段、不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，并在虛擬環(huán)境中移動(dòng)部件來(lái)進(jìn)行修改。”

CAVE空間的追蹤攝像機(jī)可將模型調(diào)整至單個(gè)評(píng)審者視角，并且能夠?qū)⒘慵O(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)放大至實(shí)際尺寸的三倍，讓在場(chǎng)人員都可以參與進(jìn)來(lái)談?wù)摗包S色的線”和“紅色的盒子”這些細(xì)節(jié)，而不必非要成為技術(shù)專(zhuān)家。盧米絲說(shuō)，“當(dāng)我們邀請(qǐng)工廠的主要員工們來(lái)進(jìn)行評(píng)審時(shí)，這一點(diǎn)非常受他們歡迎，他們說(shuō)，‘現(xiàn)在我也可以參與部件設(shè)計(jì)的討論了，我也可以貢獻(xiàn)意見(jiàn)出一份力了’。”

參與人員都可以談?wù)搶?dǎo)彈內(nèi)部的各種細(xì)節(jié)。佩戴了3D眼鏡的工程師和其他工人可以近距離觀察導(dǎo)彈的內(nèi)部，并精確地布置電子和機(jī)械裝置。動(dòng)態(tài)視覺(jué)使裝配者能夠及早發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題

盧米絲說(shuō)，“當(dāng)我們將跨部門(mén)、跨職能的一群人聚集在最多可容納70人的可視化‘小劇院’時(shí)，我們?nèi)〉昧俗罴研ЧＭㄟ^(guò)大規(guī)模可視化的力量，他們能夠看到降低風(fēng)險(xiǎn)和成本的機(jī)會(huì)。可視化能夠跨越從供應(yīng)鏈到質(zhì)量管理的所有平臺(tái)，它的聚焦點(diǎn)在于對(duì)話。在這里，我們可以邊說(shuō)邊迭代，并且把方案一夜之間進(jìn)行3D打印。”

Part.03：雷神利用CAVE設(shè)計(jì)了亨茨維爾擴(kuò)建的新導(dǎo)彈裝配工廠

2014年，雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)部門(mén)運(yùn)營(yíng)副總裁金·恩岑（Kim Ernzen）選擇使用CAVE來(lái)配置雷神位于阿拉巴馬州亨茨維爾的新導(dǎo)彈裝配工廠的內(nèi)部布局。在一根大梁都未鋪設(shè)之前，她的團(tuán)隊(duì)便獲取了工廠的二維設(shè)計(jì)圖，創(chuàng)建為一個(gè)三維模型，并顯示在CAVE系統(tǒng)中。工作臺(tái)、工作站、一應(yīng)俱全。在設(shè)計(jì)中，吊車(chē)被自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）取代，沿著工作臺(tái)之間的長(zhǎng)走廊運(yùn)輸重型導(dǎo)彈，在整個(gè)工廠的各個(gè)工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈裝卸。

“除了機(jī)械工程師，”盧米絲說(shuō)，“我們還會(huì)叫來(lái)熱能工程師、電氣工程師、建筑工程師、高級(jí)裝配工和測(cè)試人員站在虛擬工廠的地面上，他們可能會(huì)提示我設(shè)計(jì)中缺少扭矩扳手的擺放位置;我們也會(huì)邀請(qǐng)健康及安全監(jiān)督人員來(lái)看新的虛擬工廠，他們則可能會(huì)提示我工廠沒(méi)有明顯的安全出口標(biāo)志;我們可能會(huì)向他們探討，‘有這樣幾個(gè)設(shè)想……’，并在真正使用混凝土拆毀或重建一堵墻之前，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬其效果進(jìn)行展示。”在導(dǎo)彈工廠實(shí)際建設(shè)前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)CAVE確認(rèn)了各類(lèi)生產(chǎn)要素的空間布局，合理而頗具效率，并且降低了調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)。

CAVE正逐漸成為一種工廠設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)師工具。可以看到圖中人物背后顯示的虛擬導(dǎo)彈裝配臺(tái)等元素布置。雷神后續(xù)還應(yīng)用CAVE繼續(xù)規(guī)劃了多處其他工廠建筑

以前設(shè)計(jì)一座工廠的做法可能是在桌面上試著擺放紙人偶和紙板模型。所以，對(duì)雷神來(lái)說(shuō)，VR技術(shù)強(qiáng)大而實(shí)用，它能夠幫助工程師弄清楚所有設(shè)備該如何正確安裝在某個(gè)空間內(nèi)。在57次虛擬迭代之后，雷神的新工廠開(kāi)始動(dòng)工建造。

Part.04：利用CAVE加強(qiáng)與供應(yīng)商的合作伙伴關(guān)系，提高了工作效率

在雷神的一個(gè)更為成熟的導(dǎo)彈設(shè)計(jì)案例中，負(fù)責(zé)為導(dǎo)彈制導(dǎo)部分傳輸信號(hào)與電力的電線束方案在使用40年后需要重新設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化。由于圖紙包超過(guò)了400頁(yè)，起初供應(yīng)商是沒(méi)有信心完成這項(xiàng)升級(jí)工作的。雷神利用虛擬渲染（Virtual Render）技術(shù)將亞利桑那州圖森工廠的可視化中心連接到位于供應(yīng)商所在地的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，并在重新設(shè)計(jì)工作中進(jìn)行實(shí)時(shí)虛擬協(xié)作，而供應(yīng)商可以通過(guò)一個(gè)可移動(dòng)的、非立體顯示的CAVE系統(tǒng)與雷神團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)程連接。盧米絲說(shuō)：“每星期二晚上，他們都會(huì)把最新的圖紙發(fā)給我們;每星期三早上，我們就會(huì)把它顯示到CAVE里然后邀請(qǐng)他們遠(yuǎn)程連接，以便一起討論。供應(yīng)商表示這是他第一次感受到他們真真正正的是我們?cè)谠O(shè)計(jì)工作上的合作伙伴。

由于虛擬渲染技術(shù)的幫助，從雷神設(shè)計(jì)工程師到供應(yīng)商的制造人員的各種專(zhuān)業(yè)人員在諸如夾點(diǎn)以及對(duì)工具和裝配過(guò)程的熱危害等問(wèn)題上都可進(jìn)行虛擬協(xié)作。最終，最初的設(shè)計(jì)方案被完全轉(zhuǎn)換成了一個(gè)靈活的新線束，不僅有效，而且比18個(gè)月的原計(jì)劃時(shí)間提前了8個(gè)月完成，節(jié)省了40%的時(shí)間。

“通常，當(dāng)我們可以遠(yuǎn)程合作時(shí)，就不需要預(yù)訂航班，”盧米絲說(shuō)。“與其等待幾周去坐飛機(jī)，我們完全可以第二天再聯(lián)系！虛擬現(xiàn)實(shí)意味著從日程中抽出的時(shí)間更少。我們可以實(shí)時(shí)操作自己的模型，并立即看到這些變化的結(jié)果。我們還可以向客戶展示更多迭代的進(jìn)展，并讓他們?nèi)虆⑴c。在這個(gè)過(guò)程中，我們展示了自己的決策過(guò)程，并通過(guò)交流對(duì)產(chǎn)品的成熟度不斷增強(qiáng)信心。”

虛擬渲染技術(shù)旨在促進(jìn)小組工作或在公共虛擬環(huán)境中與遠(yuǎn)方的同事合作。它的適應(yīng)性意味著虛擬渲染可以作為一個(gè)快速的決策平臺(tái)來(lái)執(zhí)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)評(píng)審。雷神所使用的虛擬渲染技術(shù)解決方案來(lái)自于VR公司Virtalis的Visionary Render VR軟件。

使用虛擬渲染技術(shù)的目的是提高接受和交付供應(yīng)鏈項(xiàng)目的效率和效力，并以更低的成本最大限度地減少對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的負(fù)面影響。較短的周期時(shí)間意味著高質(zhì)量的產(chǎn)品更快地到達(dá)作戰(zhàn)人員手中，同時(shí)降低了承包商和國(guó)防部門(mén)的監(jiān)督成本。美國(guó)國(guó)防合同委員會(huì)（DCMA）也對(duì)雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)部的創(chuàng)新實(shí)踐大加贊賞，并打算以此為基石，支持使用虛擬遠(yuǎn)程技術(shù)進(jìn)行國(guó)防合同監(jiān)督工作的開(kāi)展。

Part.05：構(gòu)建“實(shí)物-虛擬模型”雙向映射來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)和裝配流程

激光掃描儀器可以穿透墻壁掃描，這樣人可以看到所有的管線、空氣處理系統(tǒng)等，然后使用者可以將數(shù)據(jù)整合，這些無(wú)縫銜接的像素可傳達(dá)空間、深度和顏色信息。利用激光掃描儀能夠檢驗(yàn)經(jīng)過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品，確保最終得到的符合設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

在一個(gè)案例中，激光掃描儀與圖森工廠一個(gè)綽號(hào)為“Hotshot”的新廠房進(jìn)行了一次“配合演練”。（這個(gè)設(shè)施翻新過(guò)“毒刺”導(dǎo)彈，建造過(guò)“獅鷲”導(dǎo)彈，還組裝過(guò)“小直徑炸彈Ⅱ”。彈頭供電與性能測(cè)試室位于廠房?jī)啥碎L(zhǎng)走廊的盡頭，以防發(fā)生任何爆炸傷及人員。在將導(dǎo)彈與測(cè)試設(shè)備連接后，測(cè)試工程師返回主樓進(jìn)行測(cè)試。）

當(dāng)Hotshot廠房建成時(shí)，盧米絲的團(tuán)隊(duì)就對(duì)其進(jìn)行了激光掃描，以確保與設(shè)計(jì)思路的一致性。激光掃描顯示，通往試驗(yàn)箱的走廊不是像計(jì)劃的那樣筆直，而是有一個(gè)2°的微小弧度，這樣當(dāng)運(yùn)行程序時(shí)，問(wèn)題墻壁很可能會(huì)撞壞自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)或者刮過(guò)導(dǎo)引車(chē)碰掉導(dǎo)彈。由于提前發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，便能夠提前重新編程，使自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)能夠正確通過(guò)彎弧。

雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)部還投資了一些更小的激光掃描儀來(lái)掃描導(dǎo)彈。這些導(dǎo)彈中有很多是四五十年前的，圖紙很舊，所有當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目專(zhuān)家都退休了。但是通過(guò)掃描技術(shù)，雷神可以遠(yuǎn)程向供應(yīng)商展示他們具體正在處理什么對(duì)象，以及可能會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題。

沉浸式設(shè)計(jì)中心的動(dòng)作追蹤裝置與電影產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密。這和制作電影時(shí)用到的綠幕技術(shù)是相似的（注：綠幕技術(shù)可剝離前景和后景，比如下圖）。所以在CAVE里從上到下都有紅外攝像頭，動(dòng)作追蹤裝置能追蹤到衣服上的標(biāo)記器。在這里模仿組裝流程，就像在工廠里走動(dòng)一樣。

還有一套動(dòng)作追蹤服沒(méi)有標(biāo)記設(shè)備，被稱(chēng)為“慣性服”，它內(nèi)部有電線和測(cè)量身體運(yùn)動(dòng)的電子設(shè)備（IMU），一般被用于收集身體在車(chē)間中的動(dòng)作信息。盧米絲把它帶到工廠，放在裝配機(jī)上，讓操作員裝配并測(cè)試一個(gè)制導(dǎo)部分，一旦收集到數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)這些動(dòng)作構(gòu)建一個(gè)虛擬人體，并將其放入工廠環(huán)境或者虛擬環(huán)境中。然后回到現(xiàn)實(shí)，對(duì)其進(jìn)行人為因素分析，看看身體是否有任何壓力和緊張，看看工作人員操作時(shí)施力是否合理，是否總向同一方向施力或移動(dòng)過(guò)多。

根據(jù)收集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，雷神團(tuán)隊(duì)最終在工廠設(shè)計(jì)方案中發(fā)現(xiàn)了有21處錯(cuò)誤，包括從缺少腳部安全標(biāo)識(shí)到地面安全帶標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤。

這一技術(shù)非常好用，雷神公司正在探索使用CAVE進(jìn)行培訓(xùn)的方法。可能會(huì)要求工人在虛擬工廠中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。雷神還為新兵開(kāi)發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練器，以修復(fù)戰(zhàn)斗機(jī)的電路板。

Part.06：CAVE短評(píng)——虛擬現(xiàn)實(shí)真正成為生產(chǎn)力

CAVE的應(yīng)用案例充分踐行了雷神公司“面向制造及裝配的設(shè)計(jì)”（DFMA）理念。現(xiàn)在，虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬渲染平臺(tái)已經(jīng)是雷神的成熟解決方案，可在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中進(jìn)行虛擬協(xié)作。波士頓和圖森工廠記錄顯示，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)幫助雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)部在降低風(fēng)險(xiǎn)和成本方面提高了25%，這意味著每年節(jié)省了數(shù)百萬(wàn)美元。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并非獨(dú)一無(wú)二，但雷神使用它的方式卻是獨(dú)一無(wú)二的，這項(xiàng)技術(shù)被用在需要實(shí)干的日常工作任務(wù)之中，而不是每天用的不多專(zhuān)門(mén)在關(guān)鍵時(shí)刻擺放到顯眼處給客戶做做樣子來(lái)爭(zhēng)取個(gè)訂單。正如雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)部的高級(jí)制造總監(jiān)鮑勃·埃里克森（Bob Erickson）所說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)是雷神真正不可忽視的生產(chǎn)力。

雷神團(tuán)隊(duì)還在努力將更多的數(shù)據(jù)分析納入其中，包括結(jié)構(gòu)、熱、機(jī)械和電子數(shù)據(jù)，以進(jìn)行復(fù)雜的建模。在這種沉浸式環(huán)境下，采用多個(gè)不同的軟件應(yīng)用程序，并在一個(gè)小劇場(chǎng)通過(guò)視覺(jué)將它們交織在一起，大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析非常前沿，足以讓全世界大開(kāi)眼界。

二、自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線

雷神公司采用定制了一些專(zhuān)用裝配機(jī)器人，在高度自動(dòng)化生產(chǎn)制造中實(shí)現(xiàn)了人力解放。自動(dòng)化裝配系統(tǒng)可以無(wú)差錯(cuò)地?zé)o休止地執(zhí)行最詳細(xì)的任務(wù)，這些技術(shù)降低了雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)的成本，并顯著縮短了周期時(shí)間。

關(guān)鍵詞：變革;自動(dòng)化;柔性裝配;生產(chǎn)管控

Part.07：從紅石導(dǎo)彈工廠開(kāi)始，雷神放棄了使用35年的傳統(tǒng)裝配生產(chǎn)技術(shù)

2012年11月，在阿拉巴馬州亨茨維爾的紅石兵工廠陸軍基地，世界上第一個(gè)用于大型導(dǎo)彈組裝及測(cè)試的自動(dòng)化工廠正式建成。廠房占地70，000平方英尺，采用了當(dāng)時(shí)最新的機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，打造出雷神導(dǎo)彈業(yè)務(wù)中最現(xiàn)代化的制造流程。

這家自動(dòng)化工廠生產(chǎn)“標(biāo)準(zhǔn)-3”和“標(biāo)準(zhǔn)-6”導(dǎo)彈。在這里，一隊(duì)激光制導(dǎo)機(jī)器人車(chē)輛滑過(guò)工廠閃閃發(fā)光的地板，將大量導(dǎo)彈組件運(yùn)送到組裝所需的準(zhǔn)確位置。在工廠的地板上，機(jī)器人手臂正在制造單元和測(cè)試單元之間傳遞部件。不涉及叉車(chē)或起重機(jī)。機(jī)械臂周?chē)牟僮鲄^(qū)域是一個(gè)無(wú)人區(qū)域。如果有任何東西穿過(guò)不可見(jiàn)的光束，被稱(chēng)為“光幕”的設(shè)備就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。這是一個(gè)安全機(jī)制，在人和機(jī)器共存的地方，正是需要這樣的邊界。

雷神的紅石導(dǎo)彈工廠專(zhuān)門(mén)測(cè)試和組裝在其他廠生產(chǎn)的導(dǎo)彈系統(tǒng)部件。雷神公司制造創(chuàng)新總監(jiān)史蒂夫·拉森（Steve Larson）說(shuō)：“我們放棄了已經(jīng)使用了35年的生產(chǎn)技術(shù)來(lái)創(chuàng)建這個(gè)自動(dòng)化工廠。”

那么傳統(tǒng)的組裝廠是什么樣的？

與大多數(shù)適合自動(dòng)化的應(yīng)用不同，雷神的導(dǎo)彈生產(chǎn)是一個(gè)非常小批量的應(yīng)用。導(dǎo)彈組裝可能需要幾周時(shí)間，在任何給定的工作站上都可能需要幾天時(shí)間。

在傳統(tǒng)的導(dǎo)彈裝配工廠中，在工作站之間移動(dòng)零件是一個(gè)耗時(shí)、勞動(dòng)密集型的過(guò)程，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤和人體工程學(xué)壓力。手動(dòng)推車(chē)用于將產(chǎn)品從一個(gè)地方運(yùn)送到另一個(gè)地方，由于產(chǎn)品具有爆炸性，安全法規(guī)要求組裝區(qū)域與測(cè)試區(qū)域保持一定距離。這意味著需要體力勞動(dòng)來(lái)將成品導(dǎo)彈推上長(zhǎng)達(dá)300英尺的手推車(chē)，以及從倉(cāng)庫(kù)中取出零件。

拉森說(shuō)：“我們用了很大的力氣和機(jī)器-人互助來(lái)把這些部分推到一起并移動(dòng)它們。僅僅做這樣一件簡(jiǎn)單的事情——比如把東西從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方，就需要大量的規(guī)劃和人員，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)不是最有效的時(shí)間利用。”

雖然這樣的移動(dòng)很少，但是一定有更好的方法，而不是用四到六名熟練的技術(shù)人員來(lái)手動(dòng)搬運(yùn)材料。“我們正在用一種勞動(dòng)密集型的、基于紙張的、依賴人的過(guò)程來(lái)移動(dòng)一些非常昂貴并且有爆炸物的東西，”拉森說(shuō)。“直到我們意識(shí)到，通過(guò)引入一些自動(dòng)化，我們可以更好地防止錯(cuò)誤。”

Part.08：來(lái)自廁紙廠的AGV撐起了Zero-lift理念，不再需要叉車(chē)和起重機(jī)

最終，紅石導(dǎo)彈工廠使用兩輛24英尺的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）和一輛10英尺的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)在測(cè)試區(qū)和19個(gè)裝配工作站之間運(yùn)送材料。

與任何行業(yè)一樣，產(chǎn)品損壞和缺陷可能會(huì)給雷神帶來(lái)巨大的成本。雷神公司以前在一些產(chǎn)品運(yùn)輸中使用笨重的橋式起重機(jī)，AGV的出現(xiàn)則讓他們得以實(shí)施零人力托舉（Zero-lift）化的組裝過(guò)程，并且在組裝區(qū)域再也看不見(jiàn)起重機(jī)和叉車(chē)。導(dǎo)彈部件現(xiàn)在只被提升一次——從本廠的拖車(chē)到裝卸碼頭——然后自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)就可以把它們運(yùn)送到其他地方。這些車(chē)輛被編程為遵循一定的路徑，但具有激光制導(dǎo)技術(shù)，可以感知地面和機(jī)組頂部的障礙物。

最初考慮自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)時(shí)，首先考慮的是導(dǎo)彈部件的重量。成品導(dǎo)彈重達(dá)數(shù)噸，拉森并不知道AGV是否能完成任務(wù)。運(yùn)載多噸重的貨物實(shí)際上是一個(gè)不小的工程挑戰(zhàn)，需要知道如果自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)突然停下來(lái)，負(fù)載會(huì)發(fā)生什么變化。直到AGV供應(yīng)商將拉森帶到一家使用自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)運(yùn)輸廁紙和其他商業(yè)產(chǎn)品的工廠。雖然產(chǎn)品風(fēng)馬牛不相及，但廁紙測(cè)試廠的那些的原材料經(jīng)常超過(guò)10，000磅，這證明了AGV可以處理雷神的導(dǎo)彈。

在確定自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)可以承受重量后，下一步就是為它們配備獨(dú)特的有效載荷。雷神公司還為他們所謂的“滑橇”申請(qǐng)專(zhuān)利，這是一種鎖定在導(dǎo)彈運(yùn)載工具支架和環(huán)上的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)。

自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)僅用于產(chǎn)品移動(dòng);AGV上的產(chǎn)品不進(jìn)行裝配工作。拉森說(shuō)：“我們不會(huì)將某臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)專(zhuān)用于特定的導(dǎo)彈部件處理，因?yàn)檠b配的周期很長(zhǎng)（會(huì)占用AGV很久）。它的用處不是作為工作站，它只負(fù)責(zé)產(chǎn)品移動(dòng)。”而滑橇?xí)⒄麄€(gè)導(dǎo)彈或部件從自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)移動(dòng)到工作站，在那里，AGV暫時(shí)停靠充電塢，以獲得電力、壓縮氣和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?yīng)。

自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)依靠強(qiáng)大的鋰離子電池運(yùn)行，并有自己的內(nèi)部定位系統(tǒng)，以及一個(gè)內(nèi)置的安全系統(tǒng)，如果有人靠近，該系統(tǒng)會(huì)停止車(chē)輛移動(dòng)。每輛AGV還配備了雷神設(shè)計(jì)的甲板加強(qiáng)板、非車(chē)載自動(dòng)充電器和地板充電靴。這些AGV可以7×24小時(shí)不停歇地工作。

除了在生產(chǎn)過(guò)程開(kāi)始時(shí)打開(kāi)部件包裝箱的工人之外，機(jī)器人將在整個(gè)生產(chǎn)和測(cè)試過(guò)程中處理導(dǎo)彈，直到導(dǎo)彈離開(kāi)工廠大門(mén)。

自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)消除了工人在抬放東西過(guò)程中犯錯(cuò)誤的任何機(jī)會(huì)，同時(shí)讓工人專(zhuān)注于更優(yōu)先的任務(wù)。拉森也曾在評(píng)估過(guò)傳送帶方案，這種傳送帶通常用于雷神公司其他工廠的較小組件，但他表示，（相比傳送帶方案）自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)能夠賦予雷神更大的靈活性。AGV系統(tǒng)更容易重新配置。拉森說(shuō)：“目前AGV是為兩種導(dǎo)彈平臺(tái)設(shè)置的，但是硬件、工具和軟件都是可擴(kuò)展的、模塊化的和具有強(qiáng)適應(yīng)性的。為工廠改裝新導(dǎo)彈的成本非常低。”

Part.09：AGV在裝配流程中提供精確可追蹤的部件運(yùn)動(dòng)軌跡

雷神紅石導(dǎo)彈工廠最先進(jìn)的生產(chǎn)核心就是這批定制的、完全集成的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)輛（AGV），這也使得零托舉（Zero-lift）理念、顯著的人體工程學(xué)改進(jìn)和整個(gè)裝配過(guò)程的可追溯性成為可能。

節(jié)省勞動(dòng)力已經(jīng)證明了自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)部署的重要性，但是這些節(jié)省只是AGV作用的一小部分。“任務(wù)保證才是真正的關(guān)鍵，”拉森說(shuō)。“導(dǎo)彈每次都必須絕對(duì)完美地工作，我們需要在導(dǎo)彈使用之前知道它們一定會(huì)工作。任何的返工和缺陷成本都非常昂貴。”

紅石導(dǎo)彈工廠給雷神的制造時(shí)間只有一年，雷神公司通過(guò)與自動(dòng)化集成商JBT公司合作，在六個(gè)月的時(shí)間里開(kāi)發(fā)了新設(shè)施的工作流程，并在其他地點(diǎn)模擬測(cè)試了這一流程和所有自動(dòng)化設(shè)備。完全集成的AGV系統(tǒng)為裝配過(guò)程的每個(gè)步驟提供了詳細(xì)的跟蹤和追溯功能。

拉森說(shuō)：“自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的一部分。“對(duì)于每一步，我們都有‘誰(shuí)做的，如何做的，什么時(shí)候做的’的歷史記錄和驗(yàn)證，直接人類(lèi)脫離這個(gè)循環(huán)，以便進(jìn)行非常徹底的驗(yàn)證。”

Part.10：像“標(biāo)準(zhǔn)-3”導(dǎo)彈一樣精確制導(dǎo)對(duì)接的柔性裝配生產(chǎn)線

在紅石導(dǎo)彈工廠，雷神建成了全世界最大的自動(dòng)化導(dǎo)彈柔性裝配生產(chǎn)線，下圖所示即導(dǎo)彈柔性對(duì)接裝配生產(chǎn)場(chǎng)景，該生產(chǎn)線的對(duì)接執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直線導(dǎo)軌式數(shù)控對(duì)接平臺(tái)工作站，該數(shù)控對(duì)接平臺(tái)在空間的三個(gè)移動(dòng)自由度與三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度上均有適量的調(diào)整能力。數(shù)控對(duì)接平臺(tái)上也裝有環(huán)狀的支架工具，用來(lái)夾持、運(yùn)動(dòng)與裝配導(dǎo)彈艙段。

采用激光制導(dǎo)的高精度自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)（AGV）作為導(dǎo)彈部件的轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，可運(yùn)送重達(dá)5t的艙段，通過(guò)使用特殊的激光制導(dǎo)軟件，自動(dòng)導(dǎo)向車(chē)與工作站的對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到0.0001英寸（2.54μm）以內(nèi)。在工作站上，特殊的環(huán)形接口適配器支撐著導(dǎo)彈，允許工人旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈并上下移動(dòng)它以達(dá)到最佳的工作位置。整個(gè)導(dǎo)彈的對(duì)接過(guò)程盡量減少了人為操作，保證對(duì)接的高度一致性，且大幅節(jié)約了成本。

在導(dǎo)彈部件流轉(zhuǎn)過(guò)程中，自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)代替人進(jìn)行導(dǎo)彈艙段和成品的運(yùn)輸，并提升和放置到負(fù)責(zé)組裝的工作站上，通過(guò)激光傳感器實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定位，并通過(guò)覆蓋整個(gè)工廠WiFi網(wǎng)絡(luò)與信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)通信，在系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)無(wú)人干預(yù)下的部件自動(dòng)運(yùn)輸操作，在危險(xiǎn)部件運(yùn)輸和人為操作失誤控制等方面起到了良好的風(fēng)險(xiǎn)控制作用。通過(guò)應(yīng)用該方式，物流運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)了高度自治。

裝配完畢后，自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)將每枚完成的導(dǎo)彈運(yùn)送到距離工廠250英尺的導(dǎo)彈測(cè)試室。這些特殊的混凝土和鋼結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成通過(guò)將爆炸向上偏轉(zhuǎn)并從測(cè)試單元后部轉(zhuǎn)移到樹(shù)林中來(lái)抵抗導(dǎo)彈的意外爆炸。

Part.11：工業(yè)機(jī)器人讓導(dǎo)彈裝配高精度、高靈活度、高效率、高度自動(dòng)化

雷神公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大范圍的生產(chǎn)自動(dòng)化，在圖森太空工廠，一個(gè)個(gè)亮黃色的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)幫助人類(lèi)來(lái)測(cè)試和校準(zhǔn)制造的每一件武器，而不僅僅是每20件中抽查1件。

例如，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭包含精密傳感器，通常需要高強(qiáng)度、高技能的勞動(dòng)力。在裝配導(dǎo)引頭方面，傳統(tǒng)模式主要依靠手工完成，嚴(yán)重依賴裝配人員的技藝。然而，雷神公司通過(guò)機(jī)器人加速了這一精密制造過(guò)程。為提升裝配效率，降低誤差，雷神公司進(jìn)行了大量行業(yè)分析研究，開(kāi)發(fā)了一套能夠滿足導(dǎo)引頭生產(chǎn)要求的工業(yè)機(jī)器人。在圖森工廠，發(fā)那科（Fanuc）六軸機(jī)器人利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度重復(fù)裝配工作。并且機(jī)器人的末端執(zhí)行器（安裝機(jī)械臂末端的可更換工具）配備視頻檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在導(dǎo)引頭安裝中不斷校準(zhǔn)誤差，保障其精細(xì)化裝配效果。

在工廠的原型實(shí)驗(yàn)室里，機(jī)器人被編好程序?yàn)橛慰瓦M(jìn)行演示：它的視覺(jué)系統(tǒng)為導(dǎo)彈導(dǎo)引頭識(shí)別正確的鏡頭，然后，機(jī)器人使用真空吸盤(pán)將鏡頭撿起來(lái)，并以正確的方向安裝。手臂移動(dòng)到工具包，分離真空附件，并連接一個(gè)薄的粘合劑注射器。手臂可以360°自由旋轉(zhuǎn)。如果人類(lèi)在做這項(xiàng)工作，估計(jì)只有柔術(shù)演員才能實(shí)現(xiàn)它的角度。

雷神公司的這些機(jī)器人以流暢、近乎怪異的效率工作，不僅僅是在無(wú)聊、重復(fù)的裝配線上工作。在一個(gè)場(chǎng)景中，一個(gè)巨大的機(jī)器人手臂將六枚“魔爪”激光制導(dǎo)火箭彈的零件架運(yùn)送到一個(gè)爐箱，以測(cè)試它們對(duì)酷熱的耐力。爐箱的門(mén)在手臂接觸到它時(shí)自動(dòng)打開(kāi)，當(dāng)零件在里面時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。

在“小直徑炸彈Ⅱ”的裝配、檢測(cè)流程中，雷神公司將AGV和工業(yè)機(jī)器人引入裝配生產(chǎn)線。各種零部件由AGV運(yùn)送到各個(gè)制造單元和測(cè)試單元，工業(yè)機(jī)器人則在超凈間實(shí)現(xiàn)各類(lèi)產(chǎn)品的準(zhǔn)確移動(dòng)、裝配。在機(jī)器人工作區(qū)，沒(méi)有或是僅有極少人員介入。

從制造效果看，機(jī)器人參與的自動(dòng)化裝配能夠完成人類(lèi)難以完成的動(dòng)作，能夠勝任許多人力所不及的場(chǎng)景，大幅縮短了裝配周期，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器活動(dòng)分離，避免了人在特殊空間內(nèi)以及危險(xiǎn)測(cè)試環(huán)境作業(yè)時(shí)的安全隱患，減少了人對(duì)危險(xiǎn)爆炸品的接觸。同時(shí)，機(jī)器人裝配具有更高的精確度，利于實(shí)現(xiàn)裝配標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化，能夠更好地控制制造過(guò)程。此外，機(jī)器人結(jié)合制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和制造創(chuàng)新智能系統(tǒng)（MII）還可滿足生產(chǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)化要求，實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)追蹤記錄。

Part.12：生產(chǎn)管理軟件記錄導(dǎo)彈大數(shù)據(jù)，以嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)打造絕對(duì)的質(zhì)量

雷神公司（Raytheon）位于美國(guó)阿拉巴馬州亨茨維爾的新導(dǎo)彈工廠就使用到了“大數(shù)據(jù)”。雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)部的高管蘭迪·史蒂芬森（Randy Stevenson）舉例說(shuō)，如果一顆螺絲釘需要擰13次才能夠上緊，但事實(shí)上只上了12次，錯(cuò)誤的信息便會(huì)發(fā)出，導(dǎo)彈或配件的制造就將被終止。

市面上能夠提供這套制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）軟件提供商包括美國(guó)的Apriso公司、通用電氣公司、羅克韋爾自動(dòng)化公司以及德國(guó)的Simens公司和SAP公司等，這類(lèi)軟件在上世紀(jì)80年代便已出現(xiàn)，最初的采用者是半導(dǎo)體制造商和其他高科技公司，但目前正在被越來(lái)越多的航空航天制造商所采用。

同時(shí)，雷神公司還運(yùn)用了制造創(chuàng)新智能系統(tǒng)（Manufacturing Innovation and Intelligence，MII），以提升機(jī)器人在生產(chǎn)過(guò)程中的智能化水平，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)對(duì)人員干預(yù)的需求降至最低。

零部件裝配流程和方法被寫(xiě)入了機(jī)器人程序，一旦出現(xiàn)任何失誤，哪怕一個(gè)螺絲擰松，MII系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出警告，并立刻暫停生產(chǎn)線，不讓零件移動(dòng)到下一工作站，直到問(wèn)題解決。通過(guò)應(yīng)用自動(dòng)裝配機(jī)器人生產(chǎn)線，導(dǎo)引頭光學(xué)部件裝配過(guò)程的精確性、靈活性以及效率得到了較大提升。

史蒂芬森表示，新能力意味著雷神能夠捕捉到更多存在的瑕疵。過(guò)去，一些瑕疵只有在隨后的安全檢測(cè)中才能被發(fā)現(xiàn);其它一些可能永遠(yuǎn)也無(wú)法知曉。史蒂芬森說(shuō)，螺絲釘在國(guó)防工業(yè)中不只是一個(gè)小細(xì)節(jié)。如果導(dǎo)彈制造商未能使用正確的緊固件或是安裝方式不正確，都可能導(dǎo)致武器的失敗。每年整個(gè)導(dǎo)彈產(chǎn)業(yè)花費(fèi)了數(shù)百萬(wàn)美元用于返工、維修和更換安裝不正確，或是不符合要求的螺絲、螺栓和其它緊固件。存有缺陷或錯(cuò)誤規(guī)格的螺絲釘是不能用的。這不是錯(cuò)與對(duì)的問(wèn)題。

雷神同時(shí)還自動(dòng)保留了每個(gè)導(dǎo)彈的數(shù)據(jù)，其中包括每個(gè)配件及其操作員的姓名，以及制造過(guò)程中每一步的濕度和溫度。當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，有助于雷神找出究竟是哪里存在問(wèn)題。過(guò)去，這些數(shù)據(jù)必須人工輸入，這也增加了錯(cuò)誤出現(xiàn)的可能。

這套系統(tǒng)不只可以快速組裝導(dǎo)彈，還能夠快速拆解導(dǎo)彈。由于導(dǎo)彈生產(chǎn)后，到美國(guó)軍方往往需要好幾年的測(cè)試才能真正投入使用。一旦零部件出現(xiàn)問(wèn)題，又要返廠拆解檢測(cè)。

Part.13：自動(dòng)化生產(chǎn)線短評(píng)——機(jī)器人幫助實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)

這些AGV和六軸的發(fā)那科機(jī)器人構(gòu)成的裝配生產(chǎn)線在現(xiàn)在看來(lái)依然十分先進(jìn)。雷神紅石導(dǎo)彈工廠還在繼續(xù)改造，讓AGV滑橇與用于零件存儲(chǔ)的自動(dòng)垂直轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)直接對(duì)接。這將消除另一個(gè)人類(lèi)的接觸點(diǎn)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、無(wú)縫的產(chǎn)品移動(dòng)，提高勞動(dòng)效率。

大部分時(shí)間，雷神公司的技術(shù)人員都在和機(jī)器人協(xié)同工作。當(dāng)一個(gè)機(jī)器人需要學(xué)習(xí)新任務(wù)時(shí)，技術(shù)人員會(huì)先在軟件平臺(tái)上進(jìn)行一次模擬，然后再傳輸至機(jī)器人。這樣一個(gè)過(guò)程通常只需幾個(gè)小時(shí)或者一天時(shí)間，而一旦機(jī)器人完成實(shí)際測(cè)試，整個(gè)工廠的其他機(jī)器人就可以快速地完成新任務(wù)部署。

機(jī)器人和其他的自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)諸多好處，產(chǎn)品的質(zhì)量指數(shù)反映出雷神在非自動(dòng)化操作方面的每一項(xiàng)改進(jìn)。同時(shí)機(jī)器人幫助實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化經(jīng)濟(jì)，投資回報(bào)率非常可觀。

在2012年11月的剪彩儀式后，紅石導(dǎo)彈工廠于2013年第一季度末生產(chǎn)了第一枚導(dǎo)彈。作為雷神公司最現(xiàn)代化的導(dǎo)彈集成設(shè)施，紅石導(dǎo)彈工廠被視為自動(dòng)化產(chǎn)品生產(chǎn)流程的模版屢獲殊榮。2014年初，紅石導(dǎo)彈工廠應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行了擴(kuò)建（見(jiàn)前文Part.03），并增加了一個(gè)新的測(cè)試單元，以提高產(chǎn)量，容納不斷增長(zhǎng)的導(dǎo)彈需求。

未來(lái)，雷神以現(xiàn)有自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，還可能通過(guò)改變控制程序，進(jìn)一步拓展到為其他導(dǎo)彈或航天產(chǎn)品制造領(lǐng)域，進(jìn)而達(dá)到軍品生產(chǎn)中多品種、快響應(yīng)、易排故的需求目的。目前，雷神的圖森工廠已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的小衛(wèi)星。用于導(dǎo)彈產(chǎn)品的測(cè)試線也適用于小型衛(wèi)星，因?yàn)樗鼈兣c導(dǎo)彈制造過(guò)程中的小型電子組件、小型制導(dǎo)部件和小型導(dǎo)引頭形狀相似，非常適合導(dǎo)彈生產(chǎn)線。

小結(jié)

近年來(lái)，雷神公司利用虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)、運(yùn)動(dòng)追蹤技術(shù)、激光制導(dǎo)技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等在仿真設(shè)計(jì)、自動(dòng)化裝配、物流運(yùn)輸和產(chǎn)品全生命周期管控等環(huán)節(jié)應(yīng)用了大量先進(jìn)制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化，大大提升了設(shè)計(jì)能力和生產(chǎn)效率。這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)和方法和技術(shù)裝備吸納了科技發(fā)展的最新成果，也代表了航天軍工制造行業(yè)的頂級(jí)水平。我國(guó)也有航天企業(yè)正在發(fā)展其中一些類(lèi)似的技術(shù)，具體發(fā)展情況未知。期待我國(guó)有更多的企業(yè)參與進(jìn)來(lái)，促進(jìn)航天軍工智能制造體系的構(gòu)建。