飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工智慧工廠之路

中航工業(yè)成飛數(shù)控加工廠 湯立民 牟文平 宋 戈

先進數(shù)控加工技術(shù)是當代航空制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是柔性制造技術(shù)的基礎(chǔ)。我國航空事業(yè)的發(fā)展壯大，給航空制造業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機遇。飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工企業(yè)高端數(shù)控裝備明顯增術(shù)、智能化CAPP技術(shù)、車間級的生產(chǎn)組織管理與調(diào)度技術(shù)、分布式的DNC技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及專家知識庫等有了很大的提高。

但是，與工業(yè)發(fā)達的國家相比，特別是與以德國、美國、日本為代表的制造業(yè)強國相比，在高端數(shù)控機床、智能化工藝技術(shù)、先進物流體系及數(shù)字化管控平臺建設(shè)等方面尚有差距。因此，如何依靠信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的融合，進一步提升我國航空制造企業(yè)的自動化水平，以及人與物、人與生產(chǎn)的有機結(jié)合，實現(xiàn)飛機加，飛機結(jié)構(gòu)件的產(chǎn)量也顯著提升。由于飛機結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計趨于復雜化、幾何尺寸趨于大型化、基體材料趨于多樣化，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。于此同時，傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織管理、資源協(xié)調(diào)調(diào)度的效率和控制方法，已經(jīng)難以滿足產(chǎn)品發(fā)展對生產(chǎn)能力的需求。

在這樣的背景下，經(jīng)過多年信息化與工業(yè)化的融合建設(shè)，我國航空制造數(shù)控加工技術(shù)已取得了長足的進步。例如，以特征技術(shù)為基礎(chǔ)的飛機結(jié)構(gòu)件CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)技結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工技術(shù)質(zhì)的提高，是我國航空制造業(yè)必須思考和經(jīng)歷的智慧工廠之路。

航空制造技術(shù)發(fā)展趨勢

1 以數(shù)字化為核心

數(shù)字化制造是制造技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學的交叉、融合、發(fā)展和應(yīng)用結(jié)果。

對制造企業(yè)而言，各種信息均以數(shù)字形成通過網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)內(nèi)傳遞。在虛擬現(xiàn)實、快速原型、數(shù)據(jù)庫等多種數(shù)字化技術(shù)的支持下，對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃與重組，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品功能的仿真、加工過程和生產(chǎn)組織過程的仿真，或完成原型制造，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的快速重組與對產(chǎn)品需求的快速響應(yīng)。

2 以自動化為基礎(chǔ)

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，“自動化”技術(shù)已從單純的自動控制、自動調(diào)節(jié)、自動補償、自動辨識，發(fā)展到自學習、自組織、自維護、自修復等更高的自動化水平。自動控制的內(nèi)涵與技術(shù)水平也已在控制理論、控制技術(shù)、控制系統(tǒng)、控制元件等方面得到了的全面發(fā)展。通過可靠的自動化技術(shù)，可以實現(xiàn)對數(shù)控裝備、車間物流系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)開展運行模式升級，以適應(yīng)生產(chǎn)過程柔性、高效、智能化的需求。因此，自動化是先進制造技術(shù)發(fā)展的前提條件。

3 以集成化為措施

現(xiàn)代航空制造數(shù)控加工企業(yè)的集成，是融合了機電一體化技術(shù)、先進傳感技術(shù)、智能加工技術(shù)、先進工藝技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)的有機體系。它打破了傳統(tǒng)的生產(chǎn)工段、工藝技術(shù)、信息處理、輔助資源等單獨運轉(zhuǎn)的模式，將加工企業(yè)作為一個有機整體將生產(chǎn)信息、生產(chǎn)功能、生產(chǎn)過程等進行集成，實現(xiàn)運行模式的轉(zhuǎn)變，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率及對產(chǎn)品質(zhì)量的控制。

4 以網(wǎng)絡(luò)化、智能化為道路

制造技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化是航空制造數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的必由之路。依靠成熟的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，新型的虛擬制造組織已經(jīng)完成了諸如A380、Boeing787、F35等先進民用、軍用飛機的制造， 虛擬制造組織內(nèi)部的各企業(yè)致力于各自的核心業(yè)務(wù)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補以及資源優(yōu)化動態(tài)組合與共享。

智能化制造模式的基礎(chǔ)是智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)既是智能和技術(shù)的集成而形成的應(yīng)用環(huán)境，也是智能制造模式的載體。以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機模擬的人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策，同時完成信息和數(shù)據(jù)的收集、存儲、處理、完善、共享、繼承和發(fā)展，支撐龐大的制造工廠的智慧化運行。

航空制造技術(shù)發(fā)展趨勢圖如圖1所示。

行業(yè)現(xiàn)狀

作為國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱工業(yè)，航空制造業(yè)已經(jīng)成為決定國家發(fā)展水平的最基本因素之一。以美國、德國為代表的世界領(lǐng)先工業(yè)國家紛紛制定了相應(yīng)的制造業(yè)發(fā)展計劃，來支持其工業(yè)的進一步發(fā)展。

國際金融危機后，美國提出經(jīng)濟增長必須回歸實體經(jīng)濟，因此，將“再工業(yè)化”作為重塑競爭優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略，使美國制造商致力于制造業(yè)里最高端、最高附加值的領(lǐng)域，全力強化技術(shù)優(yōu)勢。德國設(shè)計的“工業(yè)4.0”概念，提出了以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，認為智能工廠是構(gòu)成未來工業(yè)體系的一個關(guān)鍵特征，這一戰(zhàn)略將推動德國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型以及整個德國工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

我國也制定了《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃，在重視轉(zhuǎn)型升級之外，還有工業(yè)化、信息化“兩化深度融合”，大力支持對國民經(jīng)濟、國防建設(shè)和人民生活休戚相關(guān)的數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備、航空裝備、海洋工程裝備與船舶、汽車、節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略必爭產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展。

近年來，在航空制造數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，開展了有效的先進數(shù)控加工技術(shù)和數(shù)值模擬與仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對真實生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)過程幾何特征的精確仿真。在航空難加工材料大型結(jié)構(gòu)件的加工中，已經(jīng)綜合應(yīng)用專用高速刀具、高速切削技術(shù)、切削過程物理仿真優(yōu)化技術(shù)、機床運行監(jiān)測技術(shù)等，實現(xiàn)了飛機結(jié)構(gòu)件加工過程的高速、高效、平穩(wěn)和無人工干預。

圖1 航空制造技術(shù)發(fā)展趨勢

在高端數(shù)控機床的智能化應(yīng)用和維護領(lǐng)域，通過對數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)、機床運動部件和結(jié)構(gòu)部件傳感器優(yōu)化布置、機床運行專家知識庫的構(gòu)建，已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)控機床自動化運行、狀態(tài)實時監(jiān)控、誤差自動補償、機床故障預警及狀態(tài)維護等技術(shù)的工程化應(yīng)用，顯著提升了機床運行效率。

特別是在車間級數(shù)字化管控等方面取得了階段性成果，建立了車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution Systems，MES）、分布式數(shù)字控制系統(tǒng)（Distribution Numerical Control，DNC），并通過管理駕駛艙技術(shù)實現(xiàn)了對工廠運行狀態(tài)的顯性化實施監(jiān)控，具備了良好的工廠數(shù)字化基礎(chǔ)。

目前，所開展的數(shù)字化工作基本實現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)工作環(huán)節(jié)中的應(yīng)用。但是，沒有深入到系統(tǒng)內(nèi)部去改變傳統(tǒng)的設(shè)計、制造、試驗和管理的模式、方法、手段、流程和生產(chǎn)組織，距離智慧化的現(xiàn)代數(shù)控加工工廠尚有很大距離。

發(fā)展思路

“智慧工廠”的提出、發(fā)展和實現(xiàn)，為傳統(tǒng)的制造型廠商提出了新的發(fā)展方向。通過清楚掌握資源運轉(zhuǎn)流程，提高生產(chǎn)過程的可控性，減少人工堆生產(chǎn)線運行的干預、即時準確地采集工廠運行數(shù)據(jù)，以及合理的生產(chǎn)編排等，達到提升航空制造企業(yè)核心競爭力及提高生產(chǎn)效率的目的。智慧工廠的實現(xiàn)，離不開技術(shù)創(chuàng)新的支持和信息技術(shù)的應(yīng)用。

1 先進感測器廣泛應(yīng)用

先進傳感器是使工業(yè)系統(tǒng)及裝備具備智能化特征的基本構(gòu)成要素。先進傳感器的發(fā)展得益于微處理器的進步和人工智慧技術(shù)的發(fā)展，包括運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、混沌控制等智能控制技術(shù)，能夠使加工裝備、控制系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)收集、分析、狀態(tài)感知、動作判斷等智慧化的功能。而借助專家控制系統(tǒng)（Expert Control System，ECS）強大的專家知識庫，對先進傳感器獲得的數(shù)字信號進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，解決那些需要人類專家才能解決好的復雜問題，實現(xiàn)工業(yè)裝備運行的“智慧化”。

2 軟件系統(tǒng)智能化

隨著模塊化、開放式軟件平臺的逐漸成熟，傳統(tǒng)的依賴單一的計算機輔助軟件開展工藝設(shè)計的工作模式，將逐漸被基于知識的、高度集成的軟件工程輔助系統(tǒng)所代替，即具備智能特征的軟件系統(tǒng)。數(shù)字量表達、信息獲取和處理知識的能力是智能軟件與傳統(tǒng)軟件的主要區(qū)別之一，它能通過這種能力，對在軟件環(huán)境中運行的相應(yīng)操作進行感知、學習、推理、判斷并做出相應(yīng)的反應(yīng)，具備智能化的自組織性和自適應(yīng)性。

3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化

在制造型工廠運行控制領(lǐng)域，數(shù)字化的應(yīng)用和服務(wù)逐漸向云端運算模式轉(zhuǎn)移，資料保存和運算位置的主要模式都已經(jīng)改變。隨著制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）以及生產(chǎn)計劃系統(tǒng)（Production Planning Systems，PPS）的智能化，以及生產(chǎn)設(shè)備之間通信、數(shù)據(jù)交換程度的提高，生產(chǎn)設(shè)備不再是單一獨立的個體，而是在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)下運行的生產(chǎn)體系的終端，其生產(chǎn)狀態(tài)將被網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)實時感知，使工廠內(nèi)部所有裝備形成有機整體。

智慧工廠需突破的關(guān)鍵技術(shù)

為迎接智慧工廠的挑戰(zhàn)，需重點突破與飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工密切相關(guān)的機床、工藝、物流、生產(chǎn)管控等關(guān)鍵技術(shù)，如圖2所示。

1 智慧機床

數(shù)控機床可以看作未來智慧工廠的“肢體”，強有力的肢體是保證智慧工廠良好運行的關(guān)鍵要素和基本條件。

作為智慧工廠最基本的組成部分，數(shù)控機床的可靠性是其最主要的考核指標。同時，智慧工廠對機床的適應(yīng)性也提出了更高的要求，比如能夠通過自身分布配備的傳感器收集機床和其他設(shè)備復雜的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對自身狀態(tài)的實時感知，從而與遠程診斷系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交流并開展分析，提供富有洞察力的、可指出原因的分析結(jié)論，使無故障平均時間最長且用于修理維護的周期最短。

圖2 智慧工廠建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

在這個過程中，機床能夠與人、管控系統(tǒng)進行實時的數(shù)據(jù)共享，及時與數(shù)控設(shè)備專家知識庫進行“溝通”，通過數(shù)控系統(tǒng)控制模塊對運動部件出現(xiàn)的不平衡及誤差進行補償；并對產(chǎn)品的在機加工狀態(tài)進行實時監(jiān)控，通過數(shù)控系統(tǒng)自適應(yīng)模塊優(yōu)化切削過程，保證產(chǎn)品質(zhì)量和加工安全性。

同時，智慧化數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)架是開放式的，具有結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)、子系統(tǒng)、功能模塊，能夠根據(jù)機床傳感器采集數(shù)據(jù)分析、判斷機床狀態(tài)，并做出相應(yīng)的“反應(yīng)”。智能數(shù)控系統(tǒng)通過對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、特征提取、自動感知加工系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速做出實現(xiàn)最佳目標的智能決策，對主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、切削深度等工藝參數(shù)進行實時控制，使機床運行過程處于最佳狀態(tài)。

2 智能工藝設(shè)計

智能工藝設(shè)計是智慧工廠的“神經(jīng)系統(tǒng)”，是控制智慧工廠制造裝備按指令進行生產(chǎn)的神經(jīng)信號。

智能工藝設(shè)計不再局限于傳統(tǒng)的工藝編程，而是以工藝知識及影響工藝設(shè)計因素為基礎(chǔ)的綜合的智能化工藝流程系統(tǒng)，容納了零件設(shè)計、工藝決策、工藝編程、工藝實施、工藝優(yōu)化等功能，從而實現(xiàn)整個工藝準備過程的無人工干預，及高效、高質(zhì)量運行。

在數(shù)控程序編制階段，基于飛機結(jié)構(gòu)件快速編程系統(tǒng)的應(yīng)用，增強零件特征識別模塊、工藝設(shè)計及判斷模塊、程序優(yōu)化模塊功能，使編程系統(tǒng)能夠根據(jù)零件幾何特征，自動完成加工原點、工序/工步、刀具選擇、參數(shù)優(yōu)化等編程工作。同時，基于當前成熟的VeriCut幾何仿真平臺進行二次開發(fā)，融合切削力、切削溫度、動態(tài)響應(yīng)、機床加工精度、表面粗糙度等物理仿真模塊，實現(xiàn)仿真過程參數(shù)的自動化設(shè)置，并全面評價加工過程中可能出現(xiàn)的切削力/溫度突變、切削顫振、加工誤差、表面加工質(zhì)量等問題，將可能出現(xiàn)問題的程序段反饋回智能編程系統(tǒng)，對程序開展優(yōu)化的同時，學習出現(xiàn)問題的程序段，以防止類似問題的再次發(fā)生。

在數(shù)控程序運行階段，加工過程仿真系統(tǒng)與機床數(shù)控系統(tǒng)進行NC程序的“微提前量”同步運行。通過仿真系統(tǒng)對加工環(huán)境的精確仿真，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下對真實生產(chǎn)過程的復現(xiàn)，仿真環(huán)境內(nèi)部程序運行略提前于機床加工，實現(xiàn)對真實加工過程中可能出現(xiàn)質(zhì)量隱患等問題的預判。

3 智能物流

智能物流作為智慧工廠的“循環(huán)系統(tǒng)”，需要將生產(chǎn)相關(guān)的資源不斷送達工廠各部位。

典型智能物流系統(tǒng)的構(gòu)建基礎(chǔ)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物流系統(tǒng)的有效集成，同時物聯(lián)網(wǎng)也是企業(yè)實現(xiàn)信息化建設(shè)的重要內(nèi)容之一。建立智能物流系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是建立車間內(nèi)部全面、準確、實時共享的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫。這就需要物流系統(tǒng)具備對物流運行數(shù)據(jù)進行采集、跟蹤和分析的能力，并建立相應(yīng)的物流感知系統(tǒng)。目前，物流系統(tǒng)信息采集技術(shù)主要包含RFID射頻識別技術(shù)和Savant(傳感器數(shù)據(jù)處理中心)系統(tǒng)組成，RFID會將收集到的整個物流系統(tǒng)的實時運行數(shù)據(jù)及時傳遞到Savant系統(tǒng)，同時Savant系統(tǒng)會將收到的數(shù)據(jù)與工廠管控中心進行數(shù)據(jù)共享和實時互動，實現(xiàn)物流系統(tǒng)在智慧工廠內(nèi)部的安全、高效、精確運轉(zhuǎn)，如圖3所示。

4 智能管控中心

智能管控中心無疑是智慧工廠的“大腦”，工廠內(nèi)部所有資源、數(shù)據(jù)的運行和使用均需要依賴智慧的大腦進行分析、判斷、管理和控制。

智能管控中心構(gòu)建的基礎(chǔ)是制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、生產(chǎn)計劃系統(tǒng)（PPS）、分布式數(shù)控（DNC）的建立，對工廠內(nèi)部設(shè)備運行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)資料狀態(tài)數(shù)據(jù)、物流系統(tǒng)運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以顯性化的模式在管控中心進行集成化顯示。智能管控中心不是簡單的數(shù)據(jù)堆砌，而是融合了生產(chǎn)基礎(chǔ)知識庫的智能化控制體系，對工廠內(nèi)部系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中面臨的生產(chǎn)資源調(diào)配、設(shè)備故障預警、設(shè)備運轉(zhuǎn)效率、工廠經(jīng)營指標等開展統(tǒng)計、分析、優(yōu)化、決策。

結(jié)束語

智慧工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，我國航空制造企業(yè)已經(jīng)取得了長足的進步，但是，與德、美、日等制造強國相比，仍存在技術(shù)上的巨大差距。只有打牢信息化基礎(chǔ)、依托先進制造裝備、發(fā)展智能化軟件系統(tǒng)，堅持基礎(chǔ)技術(shù)與信息技術(shù)的有效融合，才能走出具有我國特色的飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工智慧工廠之路。

圖3 智能物流管控系統(tǒng)