面向航空發(fā)動機(jī)的數(shù)字化生產(chǎn)線探索與實踐

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 張森棠 付 龍 賀 芳 趙 恒 馬明陽

當(dāng)前，制造業(yè)再度成為世界發(fā)展的焦點，引發(fā)了新一輪工業(yè)革命的開端。美國的“再制造業(yè)”，德國的“工業(yè)4.0”、中國的“中國制造2025”無一不在眾人的矚目下如火如荼地進(jìn)行中，以期抓住本輪全球智能制造發(fā)展的浪潮。航空制造業(yè)作為數(shù)字化程度最為密集的行業(yè)之一，正經(jīng)歷著一次前所未有的轉(zhuǎn)型變革，新一輪的工業(yè)革命將是歷史給予企業(yè)一次難得的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

新時期制造業(yè)發(fā)展趨勢

1 日美歐高度重視智能制造

隨著工業(yè)機(jī)器人、柔性化制造等技術(shù)的日趨成熟，智能制造已成為日、美、歐等國的航空制造企業(yè)的重點發(fā)展目標(biāo)，日本早在20世紀(jì)90年代初就提出“智能制造系統(tǒng)IMS”國際合作研究計劃，投資超過10億美元開展超過100個項目的前期技術(shù)研究。美國科學(xué)技術(shù)委員會聯(lián)合工作組也在2006年制造研究報告中將“智能集成制造”確定為美國制造研發(fā)的三大重點領(lǐng)域之一，并于2011

年正式啟動“先進(jìn)制造伙伴計劃”，2012年出臺“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，以加強智能制造的技術(shù)創(chuàng)新。同期歐盟在2007年實施了《第七框架計劃》，以機(jī)器人和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，目標(biāo)是利用智能制造實現(xiàn)制造模式的新革命，值得注意的是“歐洲2020智慧可持續(xù)包容增長戰(zhàn)略”中明確提出重點發(fā)展以智能為核心的先進(jìn)制造。

2 德國開啟工業(yè)4.0時代

為了積極應(yīng)對科技產(chǎn)業(yè)革命，保障德國制造業(yè)基礎(chǔ)地位，在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下，德國于2013年正式開啟了“工業(yè)4.0”時代。工業(yè)4.0以智能工廠、智能制造為兩大主題，首次提出了（CPS）賽博物理系統(tǒng)的概念，目標(biāo)是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，縱向打通企業(yè)內(nèi)部實時管理體系，橫向連接各供應(yīng)端商業(yè)交流服務(wù)流程。面對德國工業(yè)4.0，制造業(yè)引發(fā)了新一輪深層次的思考，如圖1所示。深化高效、節(jié)能、節(jié)材產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新、智能化工藝、服務(wù)運維等全生命周期綠色化模式，最終實現(xiàn)制造業(yè)的綠色智能化發(fā)展。 “中國制造2025”發(fā)展重點如圖2所示。

圖1 工業(yè)4.0引發(fā)的思考

圖2 “中國制造2025”發(fā)展重點

3 國家實施“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略

“中國制造2025”是基于中國國情和制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀而提出的，旨在解決制造業(yè)基礎(chǔ)能力薄弱、產(chǎn)品質(zhì)量不高的問題，研發(fā)工藝庫、材料參數(shù)庫和制造過程核心軟件產(chǎn)品；提倡結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，探索、跟蹤新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大裝備、智能機(jī)器人等核心技術(shù)，研制關(guān)鍵裝備；改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，

產(chǎn)業(yè)化智能制造的定位與思考

1 新時期航空制造業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

航空制造業(yè)是應(yīng)用數(shù)字化制造技術(shù)最為密集的行業(yè)之一，集成了大量的機(jī)電軟一體化關(guān)鍵工藝裝備，盡管多年來航空制造業(yè)已經(jīng)有了良好的基礎(chǔ)，但面對高科技和高投入的新型產(chǎn)品，仍顯得儲備不足，快速研制能力、批量生產(chǎn)和變批量生產(chǎn)快速轉(zhuǎn)換能力薄弱，致使航空零件研制周期過長，難以滿足部隊更新武器裝備和發(fā)展民航運輸?shù)钠惹行枨?，無論在單項專業(yè)技術(shù)還是綜合技術(shù)水平上，與世界發(fā)達(dá)國家相比還存在不小的差距，新時期的航空制造業(yè)急需借助本輪工業(yè)化提升的進(jìn)程，通過助推產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的協(xié)同發(fā)展、改善先進(jìn)制造技術(shù)的研發(fā)模式等多個層面技術(shù)水平的共同提升，已應(yīng)對產(chǎn)能倍增、產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)交付所帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2 依托泛產(chǎn)業(yè)化同盟，實現(xiàn)集群效應(yīng)最大化

隨著產(chǎn)品復(fù)雜性和個性化程度的加深，產(chǎn)品的自動化程度隨著開發(fā)周期的縮短和成本的壓力明顯增加，而且這一趨勢還將繼續(xù)下去，傳統(tǒng)的單打獨斗式的生產(chǎn)模式逐漸被技術(shù)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)盟所取代。聯(lián)合學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界建立技術(shù)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)盟，通過實施長達(dá)10～30年的滾動式智能制造合作計劃，聯(lián)合開展智能制造產(chǎn)業(yè)化發(fā)展研究，實施集群化發(fā)展戰(zhàn)略和國際化協(xié)作發(fā)展戰(zhàn)略，凸顯整合效應(yīng)、集群效應(yīng)、熵變效應(yīng)，目標(biāo)直指克服柔性制造系統(tǒng)、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的局限性?，F(xiàn)階段國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展需要將自身融入泛產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟內(nèi)部，充分借鑒和利用日本的專業(yè)工廠精益技術(shù)、歐盟的精密工程技術(shù)、美國的系統(tǒng)工程技術(shù)，彼此合作，相輔相成，構(gòu)建屬于自己的高技術(shù)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)。

3 面向產(chǎn)業(yè)化的智能制造發(fā)展戰(zhàn)略

智能制造是現(xiàn)階段制造工業(yè)發(fā)展的核心主題，是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應(yīng)用體現(xiàn)，智能制造至少包括3方面的能力，一是理解、分析、解決問題的能力；二是歸納推理和演繹推理的能力；三是自適應(yīng)環(huán)境而生存發(fā)展的能力，知識是一切智能行為的基石。

智能制造的產(chǎn)業(yè)化特征突出表現(xiàn)在技術(shù)轉(zhuǎn)型、自適應(yīng)控制和系統(tǒng)保障3個方面。智能制造要求生產(chǎn)制造階段工作流高度的智能化，目的是提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)、及時正確地收集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)、更加合理地編排生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)進(jìn)度。智能制造與數(shù)字化制造的交叉滲透，可以在本質(zhì)上破除由于工藝過程、工藝裝備和生產(chǎn)節(jié)拍間邏輯關(guān)聯(lián)性的缺失，而造成的整體加工效率偏低，能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)資源效能的最大化，智能制造的發(fā)展如圖3所示。產(chǎn)業(yè)化升級的必然產(chǎn)物。發(fā)展以數(shù)字化工廠技術(shù)、工業(yè)軟件和工藝裝備“三位一體”的數(shù)字化制造新模式（見圖4），需要結(jié)合自身的生產(chǎn)研制特點，打造以3D工藝規(guī)劃設(shè)計為主線的技術(shù)實施鏈、以自優(yōu)化、自學(xué)習(xí)為主線的工藝優(yōu)化鏈、以自適應(yīng)控制為主線的生產(chǎn)作業(yè)鏈、以自監(jiān)測、自診斷為主線的生產(chǎn)管控鏈等4條關(guān)鍵技術(shù)鏈。通過整合企業(yè)已有研發(fā)、

圖3 面向產(chǎn)業(yè)化的智能制造發(fā)展戰(zhàn)略

圖4 “三位一體”數(shù)字化制造模式

4 打造“三位一體”數(shù)字化制造新模式

生產(chǎn)線是智能工廠生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分，是智能制造產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的重要載體，以整體智能制造產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為主導(dǎo)的數(shù)字化生產(chǎn)線是制造、應(yīng)用、保障等資源，貫通離散式生產(chǎn)模式的各個關(guān)鍵節(jié)點，構(gòu)建智能制造技術(shù)研發(fā)平臺。進(jìn)而形成整體優(yōu)勢能力，支撐核心技術(shù)的滾動式發(fā)展，進(jìn)一步推動企業(yè)智能化制造技術(shù)轉(zhuǎn)型的步伐。

航空制造業(yè)專業(yè)化生產(chǎn)線建設(shè)探索與實踐

1 總體方案

專業(yè)化的生產(chǎn)線建設(shè)是一項系統(tǒng)工程，宏觀上可以分為兩條主線，一是以工藝為主線的工藝技術(shù)鏈；二是以運行為主線的加工技術(shù)鏈。

專業(yè)化的生產(chǎn)線需要解決底層理論基礎(chǔ)到頂層加工單元之間各個環(huán)節(jié)存在的技術(shù)問題，構(gòu)建產(chǎn)品全生命周期、企業(yè)全業(yè)務(wù)流程、產(chǎn)業(yè)全價值鏈的“三全”技術(shù)能力框架，打通虛擬與現(xiàn)實技術(shù)融合的技術(shù)壁壘，如圖5所示。

2 建設(shè)思路

遵循“改善已知+發(fā)明未知+需求驅(qū)動”的總體發(fā)展思路，著眼于智能制造工藝裝備，立足于智能制造總成配套能力、系統(tǒng)集成能力、技術(shù)研發(fā)能力和運行保障能力建設(shè)，發(fā)展集數(shù)字化工廠技術(shù)、工業(yè)軟件和工藝裝備為一體的數(shù)字化制造技術(shù)體系。

（1）用好已有工業(yè)軟件工具、關(guān)鍵工藝裝備，充分利用企業(yè)現(xiàn)有制造資源，實現(xiàn)軟件工具使用效能最大化、工藝裝備利用效能最大化、型號研制技術(shù)風(fēng)險最小化、企業(yè)綜合制造能力最大化。

（2）變革研發(fā)模式，開發(fā)研發(fā)系統(tǒng)環(huán)境；預(yù)判研制過程，構(gòu)建虛擬加工平臺，研發(fā)實用化技術(shù)及工具；管控制造過程，建設(shè)智能化工廠、數(shù)字化車間、柔性制造單元生產(chǎn)模式。

（3）構(gòu)建綜合“工藝研發(fā)平臺+虛擬加工平臺+數(shù)字化工廠”于一體的數(shù)字化制造技術(shù)研發(fā)平臺，如圖6所示。

3 建設(shè)內(nèi)容

數(shù)字化制造技術(shù)研發(fā)平臺作為企業(yè)實體研發(fā)機(jī)構(gòu)，遵循“前沿技術(shù)研究-關(guān)鍵技術(shù)突破-技術(shù)集成驗證-型號轉(zhuǎn)化應(yīng)用”的總體研究思路，在頂層設(shè)計和統(tǒng)一規(guī)劃的基礎(chǔ)上，構(gòu)建工藝研發(fā)中心、虛擬加工仿真和智能工廠研發(fā)三大主體平臺，形成智能制造綜合維護(hù)保障條件。

圖5 智能生產(chǎn)線制造方式

圖6 數(shù)字化制造技術(shù)研發(fā)平臺

（1）圍繞航空發(fā)動機(jī)制造體系發(fā)展規(guī)劃和型號研制需求，通過開展新材料、新技術(shù)、新工藝的預(yù)先研究和應(yīng)用研究，開發(fā)多專業(yè)融合的工藝技術(shù)研發(fā)平臺，探索工藝研發(fā)中重點關(guān)注的技術(shù)研發(fā)能力和前沿制造技術(shù)能力。

（2）針對不同功能的需求，構(gòu)建以技術(shù)預(yù)先驗證理念為導(dǎo)向的虛擬加工平臺，在虛擬加工環(huán)境再現(xiàn)實際加工狀態(tài)和加工瓶頸問題，在實際加工之前進(jìn)行工藝過程仿真、分析和優(yōu)化，預(yù)先發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，并解決問題。

（3）結(jié)合批產(chǎn)任務(wù)和研制能力綜合保障需求，從綜合提升企業(yè)核心能力入手，建設(shè)智能專業(yè)化生產(chǎn)線研發(fā)平臺，重點解決生產(chǎn)制造需解決的問題，產(chǎn)品研制需突破的瓶頸問題和未來發(fā)展需解決的技術(shù)儲備問題3個方面的問題。

（4）建立企業(yè)級綜合管控模式，大力推進(jìn)信息化與管理模式的融合互動，以管理信息化平臺固化、追蹤和顯性化管理模式的變革路徑，以管理模式的發(fā)展訴求促進(jìn)信息化能力的不斷優(yōu)化與提升。實現(xiàn)資源和能力的整合協(xié)同、業(yè)務(wù)的快速發(fā)展、商業(yè)模式的不斷優(yōu)化，最終帶動管理效能提升。

4 實施方案

基于行業(yè)已有的最佳實踐，參考國內(nèi)外的先進(jìn)理念和經(jīng)驗，結(jié)合自身的生產(chǎn)研制特點，建設(shè)面向航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品專業(yè)化生產(chǎn)線，實現(xiàn)企業(yè)資源效能的最大化。

（1）先進(jìn)的生產(chǎn)管理理念。引入生產(chǎn)管理咨詢，將工業(yè)4.0的核心思想以及生產(chǎn)管理理念，結(jié)合企業(yè)的當(dāng)前生產(chǎn)模式，建立適應(yīng)智能制造要求的精益生產(chǎn)管理模式，建成具有精益管理水平的生產(chǎn)系統(tǒng)。

（2）高效的組織和業(yè)務(wù)流程。生產(chǎn)流程優(yōu)化以精益價值流、并行工程和精細(xì)化管理為建設(shè)原則，實現(xiàn)生產(chǎn)流程和生產(chǎn)組織的重組、優(yōu)化及管理制度的建設(shè)，達(dá)到提高流程效率、增加管理柔性、提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力的建設(shè)目標(biāo)。

（3）虛擬的布局仿真和優(yōu)化。建立專業(yè)的生產(chǎn)線模擬布局和物流優(yōu)化，涵蓋車間布局優(yōu)化、車間物流優(yōu)化、工位布局優(yōu)化。通過局域網(wǎng)或工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及自動化控制手段實現(xiàn)先進(jìn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化連接。

（4）數(shù)字化的工藝和制造系統(tǒng)支撐。通過虛擬制造技術(shù)和并行協(xié)同工作模式，實現(xiàn)工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、裝配仿真的全三維數(shù)字化研發(fā)。

（5）專業(yè)化的生產(chǎn)線管理體系。建立適合企業(yè)生產(chǎn)方式下的專業(yè)化生產(chǎn)線管理體系架構(gòu)，以此為依據(jù)支撐專業(yè)化生產(chǎn)線在企業(yè)的實施和具體應(yīng)用，形成一套的專業(yè)化生產(chǎn)線應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范以及作業(yè)指導(dǎo)性文件。

5 數(shù)字化工廠實踐

典型零件智能制造從虛擬和現(xiàn)實兩個緯度入手，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)關(guān)聯(lián)和集成，統(tǒng)籌安排協(xié)同設(shè)計制造、3D工藝準(zhǔn)備、虛擬研發(fā)、數(shù)字化生產(chǎn)線、工業(yè)自動化控制、生產(chǎn)線運行維護(hù)與保障等6大關(guān)鍵領(lǐng)域，如圖7所示。

第一個層次是智能制造的技術(shù)研發(fā)、先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用和預(yù)先技術(shù)驗證，并作為智能制造的技術(shù)和資源支撐平臺，涉及協(xié)同設(shè)計制造、3D工藝準(zhǔn)備和數(shù)字化仿真等3個關(guān)鍵領(lǐng)域，關(guān)注航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品智能制造研發(fā)自身技術(shù)的研究和積累，目的是夯實智能制造技術(shù)基礎(chǔ)；

圖7 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

圖8 數(shù)字化工廠實踐

第二個層次是智能制造在航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品中的具體實際應(yīng)用，以數(shù)字化工廠建設(shè)（見圖8）作為突破口，并將數(shù)字化生產(chǎn)線作為智能制造的應(yīng)用環(huán)境，涉及數(shù)字化工廠、工業(yè)自動化控制和生產(chǎn)線運行與保障等3個關(guān)鍵領(lǐng)域，關(guān)注大數(shù)據(jù)處理、知識工程，以及生產(chǎn)線運行維護(hù)及保障等智能制造核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，目的是夯實工業(yè)基礎(chǔ)，提高航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品整體制造能力。

結(jié)束語

新一輪工業(yè)革命的導(dǎo)火索源自于歐美日的利益驅(qū)使，作為技術(shù)/工業(yè)軟件/工藝裝備的領(lǐng)先者、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則的制定者、泛產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的核心成員，新一輪工業(yè)革命勢必成為發(fā)達(dá)國家的重要發(fā)展戰(zhàn)略。歷次工業(yè)革命的警示告訴我們，在這種機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的背景下，航空制造業(yè)只有順應(yīng)時代發(fā)展新趨勢，大力發(fā)展并推進(jìn)智能制造的產(chǎn)業(yè)化，才能幫助企業(yè)完成轉(zhuǎn)型進(jìn)化，最終實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)中國制造向中國智造的躍升。