智能制造的基礎、組成及發(fā)展途徑

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 王 焱 王湘念

制造技術的發(fā)展帶來了人類社會的進步，從利用自然動力到蒸汽動力，從機械裝置到電氣應用，從電子技術到計算機快速發(fā)展，都給工業(yè)領域帶來了不同程度的影響和推動。進入21世紀，電子、信息、計算等技術快速發(fā)展并日趨成熟，從而推動了互聯網、物聯網、大數據等技術領域的快速發(fā)展，引發(fā)了工業(yè)界尤其是制造業(yè)模式的變革。德國稱這種變革為第四次工業(yè)革命，即“工業(yè)4.0”；美國則稱其為第三次創(chuàng)新變革浪潮，認為未來工業(yè)的特征是“工業(yè)互聯網”，最終的結果殊途同歸，就是更高的智能化。

以智能制造為核心的新一代工業(yè)變革的基本促進要素是計算機及網絡技術的快速發(fā)展所帶來的計算機應用模式的變化（見圖1）。一方面，計算機技術的發(fā)展促進了復雜數據計算處理能力的提升；另一方面，推動了網絡通信技術向應用領域的滲入和融合，從計算機聯網發(fā)展到物聯網，乃至萬物互聯，為工業(yè)產品設計制造活動進入全數字量貫通的數字化、自動化、網絡化時代，奠定了良好的技術基礎及應用環(huán)境。

圖1 計算機及網絡技術發(fā)展帶來的應用模式變化

航空產品研制過程是一個復雜的系統工程，這一過程將產品設計與制造、分析與計算、計算機控制與輔助技術、網絡技術、自動化技術、微電子技術、材料技術、管理技術等集成為一體。航空制造技術一直是先進制造技術發(fā)展和應用的重點領域之一，數控機床、CAD/CAM技術首先是為了滿足航空產品復雜結構制造需求而出現和不斷發(fā)展，并大量應用于航空產品的研制過程。隨著航空產品設計制造技術和計算機應用技術的發(fā)展，傳統的以設計圖紙為載體的設計數據表達方式已經逐漸被產品數字化模型所取代，計算機三維模型成為航空產品信息的基本載體，其制造過程也伴隨著計算機技術、信息技術、網絡技術的發(fā)展和不斷完善，從早期以數控加工為主體的計算輔助制造擴展到零件加工、生產運行、部件裝配及總體裝配等全過程的數字化制造。伴隨著數字化技術的發(fā)展變化，航空產品研制在經歷了二維圖紙、三維模型、數字樣機等典型階段后，發(fā)展到現在的并行協同工作模式，數字量信息貫穿從產品設計到制造的整個過程，大大提高了產品質量，并縮短了研制周期。航空產品全數字化設計制造模式已經形成，數控車間已經成為各航空企業(yè)的核心能力建設重點，數控設備已經成為航空企業(yè)近年來技術改造配備的主流裝備。總體上，航空產品研制已經進入數字化時代，數字化表達、網絡化連通、協同化研制、數字化執(zhí)行已經成為航空產品研制的基本模式。

現代航空產品要求具有良好的飛行性能、長壽命與高可靠性、合理的制造與使用成本等，使得航空產品的零件結構、材料體系、加工要求等不斷發(fā)展變化（如整體結構、高強度材料、抗疲勞等），提升工件加工精度、提高表面質量、實現零部件制造過程穩(wěn)定控制成為航空產品研制和批量生產所關注的核心；另外，用戶需求的多樣化也導致產品類型的多樣化，多品種、小批量乃至個性化成為新的航空產品研制模式。在處于數字化時代的航空產品研制過程中，加工執(zhí)行、工況處理、生產系統快速響應等方面，都迫切需要提升整個過程的智能處理和協同管控能力，以實現制造系統的穩(wěn)定、準確運行，滿足制造過程穩(wěn)定控制需求，智能制造將為提升航空產品研制過程的智能處理和協同管控能力提供保障，也將帶來航空產品研制模式的變革和轉型升級。

智能制造的基礎及內涵

制造是從概念到實物的過程，通過制造活動把原材料加工成適用的產品。制造可分為狹義的制造和廣義的制造2類，表1給出其基本涵義和表現形式。

表1 制造的涵義及表現形式

傳統的制造活動模型如圖2[1]所示，其過程是，輸入原材料或毛坯，利用加工設備和工具在能源驅動作用下，使原材料或毛坯的幾何形狀或物理化學性能發(fā)生變化，最終形成各種用途的產品，人（勞動力）是活動的主體。所有的制造活動需要通過制造系統來實現，制造系統是指以生產產品為目的，由制造過程的物料、能源、軟硬件設備、人員以及相關設計方法、加工工藝、生產調度、系統維護、管理規(guī)范等組成的具有特定制造功能的有機整體。

圖2 傳統制造活動模型

在數字化環(huán)境下，數字量信息伴隨著原材料流動、設備運轉和制造活動成為產品制造過程中產生、處理、存儲和使用的關鍵資源之一，這使得生產方式由傳統的以物流為核心向以信息為核心的模式轉變，信息驅動下的制造活動（見圖3）模式下把產品看做是在傳統的原始資源上賦予新信息的產物，而從用戶的角度只是使用產品的功能滿足需求（即產品提供服務），這樣，制造過程就是一個對制造系統注入生產信息（原始資源、能源和信息），從而使產品信息獲得增值的過程[2]。

圖3 信息驅動下的制造活動模型

從抽象的角度看，制造活動就是對“資源+信息”的處理過程，現代制造系統中由于數字模型、自動控制、數字量驅動的存在而使得制造過程的信息量激增，制造活動是對市場、開發(fā)、制造、服務和管理等各階段信息的獲取、加工、處理的過程，要求制造系統具有更強的信息加工（智能處理）能力，減小復雜處理過程對人類智慧的依賴。20世紀90年代，人工智能開始在制造領域逐步得到應用，專家系統、模式識別、神經網絡等成為當時學術領域探討的重點，出現了“智能制造”的概念，并形成了智能制造技術、智能制造系統的基本概念（見表 2[3]）。

心理學認為，從感覺到記憶到思維的過程成為“智慧”，其結果產生了行為和語言，行為和語言表達過程表現出“能力”；將感覺、記憶、回憶、思維、語言、行為的整個過程稱為智能過程。人類智能涉及記憶力、計算及判斷力、理解力、預測能力、情感、直覺等，而機器智能（或稱人工智能）主要體現存儲、計算、邏輯、推理能力，機器智能依據的方法、規(guī)則只是人類部分智能的抽象和固化。智能制造是一種生產模式，涵蓋了從獨立設備的機器智能到制造過程的系統智能的進步和發(fā)展，從控制論原理看，控制系統的作用就是以某種智能的方式從外界提取必要的信息（稱為輸入），按一定的規(guī)則由中央處理器進行處理，產生新的信息（稱為輸出）反作用于外界，以達到一定的目的[4]。由此，我們給出智能制造的典型特征：“動態(tài)感知——實時分析——自主決策——精準執(zhí)行”（見圖4），即利用傳感系統獲取制造系統的實時運行狀態(tài)信息和數據，通過高速網絡實現數據和信息的實時傳輸、存儲和分析，根據分析的結果，按照設定的規(guī)則或積累的知識通過人工智能方法做出判斷和決策，再將處理結果反饋到現場完成精確調整和處理，這一過程是在數字量、網絡通信和自動化技術支持下實現的。

對于航空產品研制，智能制造的前提是產品和制造過程的數字化模型、數字化控制的工藝裝備、網絡化集成的制造系統、基于規(guī)則或知識庫的智能化處理。智能制造系統是人—機一體化的混合系統，在智能制造系統中，機器智能和人的智能將緊密地集成在一起。實現智能制造的工廠首先是數字化工廠，制造活動及對象是數字定義的，執(zhí)行過程是由數字量驅動的；其次是虛擬工廠，所有的制造活動可以在計算機支持的虛擬空間中進行仿真執(zhí)行；最后是智能工廠，獨立的智能設備或單元（系統）體現出 “自動化”和“自主性”，由設備或單元（系統）構成的制造系統具有 “自組織能力”和“合作性”，面向供應鏈或外部市場體現出“協作化”。

表2 智能制造技術及智能制造系統的基本概念

圖4 智能制造特征

從智能制造的基礎和內涵中可以看出，數字化、網絡化、自動化、智能化是智能制造系統的基本前提要素。數字化是全制造和產品定量表達的手段；網絡化是數據和信息的實時傳輸、存儲和分析的基本支持環(huán)境；自動化是制造系統運行、智能化處理的基本保障；智能化是制造系統中數據和信息處理的基本方法，智能制造系統是一個“感知—分析—決策—執(zhí)行”的全閉環(huán)系統。

航空產品智能制造的技術結構及基本組成

制造控制過程通常分為批量生產型、連續(xù)生產型、離散生產型3種形式，制造活動體現在企業(yè)的不同層級中，企業(yè)、工作場所、工作區(qū)域、生產線/生產單元、加工設備構成了支持制造活動的主體[4-6]，綜合起來，這里給出智能制造系統的信息層級結構模型（見圖5），一方面是制造活動的從語義/圖形（Semantics/Graphics）到Pattern（模式）到Model(模型)到字節(jié)（Byte）的數字化，另一方面是制造運行過程中現場狀態(tài)信息從字節(jié)（Byte）到字/像素 （Words/Pixels） 到語句/圖像（Sentence/Image）到語義/圖形（Semantics/Graphics）的理解，在這樣的過程中，智能處理將在各個環(huán)節(jié)以“感知—分析—決策—執(zhí)行”的全閉環(huán)控制發(fā)揮作用。

制造系統中信息的智能處理是智能制造的核心，也是航空產品狹義制造過程首先要關注的重點，主要涉及生產規(guī)劃、工廠/生產線設計、產品工藝設計、生產運行、現場加工等過程。

航空產品研制已經進入數字化時代，數字化的裝備成為各個工藝環(huán)節(jié)不可或缺的基礎資源，復雜形狀零部件制造的工藝活動已經由傳統的手工操作變成程序控制執(zhí)行，這種數字化執(zhí)行手段為實現航空產品智能制造奠定了基礎。航空產品制造過程的智能化主要由4個方面組成。

（1）智能加工工藝。

傳統的數控和數字化加工過程是根據零部件的設計模型和工藝要求確定加工工藝及程序，基于空間和時間的確定性關系來完成產品制造工作，加工狀態(tài)是依靠現場工作人員監(jiān)控、事后檢測來確認的，難以實時掌握加工過程中工況的時變規(guī)律，并即時做出決策，導致航空產品零部件質量一致性不穩(wěn)定，表面質量狀態(tài)波動大，零部件的裝配互換性差，服役性能不穩(wěn)定，從而引起返修或安全事故。智能加工工藝是在零部件制造過程中，增加對加工過程、時變工況的在線監(jiān)測，采用智能技術對獲取的加工過程狀態(tài)信息進行實時分析、評估和決策，實現對加工過程的自主學習和決策控制，擴展了加工過程智能處理能力。更進一步，可以通過自主學習形成工藝知識庫，支持工藝設計與程序設計過程，實現工件加工工藝的自主決策設計和優(yōu)化。

圖5 智能制造系統的信息層級結構模型

智能化加工工藝的航空制造領域的應用主要方向是：工件加工過程的力—熱—變形場的實時監(jiān)控與工況優(yōu)化控制、加工軌跡跟蹤與實時修正、加工區(qū)域狀態(tài)的實時監(jiān)控與評估、非確定定位狀態(tài)下的工藝基準協調、復雜零件加工余量優(yōu)化調整及其表面光順性控制、加工工藝與程序的智能化設計等，典型實例如葉片和整體葉盤的自適應加工、焊接軌跡跟蹤及實時修正、焊縫質量監(jiān)測評估與工藝參數即時優(yōu)化、部件自動化制孔與連接裝配工藝等。

（2）智能裝備及智能制造單元?，F代數控裝備是按確定的空間關系和程序邏輯來運轉的。隨著數控系統計算處理能力的不斷提升和功能部件不斷發(fā)展完善，數控裝備的加工效率、穩(wěn)定性、靈活性、信息處理能力都有了極大的提高，已經成為支持航空產品制造的關鍵基礎，航空產品構件的整體化、大型化、結構復雜化以及高性能材料的廣泛應用，推動了航空產品制造工藝向集成化和復合化方向發(fā)展。智能裝備及智能制造單元是支撐航空產品智能加工工藝實現的基礎，也是航空智能制造實施的關鍵條件。

航空制造領域的智能裝備及智能制造單元主要包括智能機床、智能機器人、智能控制裝置及系統、復合加工單元、智能物流系統、傳感識別及信息采集裝置等，能夠對設備、工藝系統及加工狀態(tài)實時監(jiān)測，并通過人機交互實現智能決策與自適應控制。這些智能裝備及單元應針對航空產品整體化、大型化、結構復雜化零件及高性能材料加工進行適應性設計和開發(fā)，滿足航空產品制造過程中運動、功率、扭矩、能量、信息等的智能化控制要求。目前已經應用的智能裝備和單元包括智能化加工中心、機器人智能焊接系統、部件及總裝自動化噴漆系統、飛機大部件對接與裝配系統等。

（3） 智能制造系統。

從狹義的制造看，航空產品制造包含一系列工藝過程和工序過程，原材料及信息進入由工藝裝備、物流系統、工作人員、能源動力等組成的制造系統，經過不同的工序或工藝處理，形成符合設計要求的產品；而從廣義的制造看，制造包含了產品設計、制造、服務的全過程。傳統制造過程是以人為核心實現制造系統的運轉，制造過程信息化也主要是在信息收集、存儲、傳遞方面減輕了人工工作量，航空產品數字模型、復雜結構、數字量協調、工藝裝備高度自動化控制等帶來的大量數據、復雜的工作狀態(tài)、準實時和實時數據處理等，使得工作人員在制造狀態(tài)跟蹤、決策處理方面面臨巨大壓力。智能制造系統以數字化技術為基礎，引入智能處理決策功能，構建出基于智能化裝備、智能化工藝、傳感識別網絡、智能決策處理系統、人機互聯的智能化制造系統，使制造智能由個體智能跨越到整體智能，實現對航空產品設計、制造、服務的全過程支持。

由于航空產品結構和制造過程的復雜性，智能制造系統依據產品類型和主體制造工藝不同而有所差異，可分為切削加工、鈑金成形與加工、復合材料構件制造、部件裝配、整機裝配、檢測測試等不同類型，但他們均具備智能化工藝設計與優(yōu)化、智能化運行管控、傳感識別網絡及實時處理、制造數據采集與知識庫、網絡化開放控制、在線學習和工藝優(yōu)化等基本能力，典型的智能制造系統包括飛機結構件智能切削加工系統、發(fā)動機盤環(huán)件智能生產線、復合材料構件智能制造系統、飛機智能裝配生產線等。

（4） 航空產品智能維護與服務。

波音787飛機采用數字化技術和網絡化協同形成了全球協作研制模式，通過網絡技術，波音公司也在全球范圍內初步實現了對服役飛機的飛行起降點、維修狀態(tài)等的實時監(jiān)測。隨著計算機和網絡化技術的發(fā)展、信息化與工業(yè)化的深度融合，移動互聯、知識工作自動化、云計算、先進機器人等成為影響人類未來生存模式發(fā)展的顛覆性技術，產品的制造模式也將從傳統的專業(yè)化分工、流水化作業(yè)、協同化研制跨入以網絡互聯為基礎的全新模式，多品種研制、批量化生產將逐步由個性化定制所取代，設計、制造、服務將形成一種“眾包”模式，用戶需求、產品制造、使用服務將成為網絡世界的主要活動，用戶獲得的是需求服務而不是通過擁有產品滿足需求。

航空產品智能維護與服務具有以下特征：對產品使用過程的主動監(jiān)測、關鍵結構或組件的連續(xù)跟蹤、產品工作狀態(tài)即時分析、基于工作狀態(tài)的維護更換等。典型的支持系統包括：傳感與狀態(tài)檢測系統、基于高速網絡的數據傳輸系統、大數據分析系統、云服務平臺及系統、維護支持系統、電子手冊等。

航空智能制造技術發(fā)展途徑

盡管航空產品研制模式已經開始進入數字化時代，但由于相關基礎環(huán)境和平臺條件還不能準確、及時、有效支持產品研制、數據協同、運行監(jiān)控、全生命周期管理等關鍵過程，導致產品研制過程中，存在數據傳遞及時性差、數控設備運行效率低下、產品質量跟蹤控制難等一系列制約產品及時交付的問題，數字化系統集成、網絡化連通、智能化制造將成為提升航空產品研制和生產核心能力的基本手段。發(fā)展航空智能制造技術，應從支撐技術入手，實現從智能制造單元、智能制造系統到智能工廠的演進，最終打造智能航空產品。

（1）針對航空產品研制和發(fā)展需求，建立關鍵智能工藝裝備研制和應用能力，形成典型產品智能化生產線，開發(fā)一批支持產品穩(wěn)定加工的智能化系統或裝置，形成全數字化驅動、網絡化協同、全生命周期管理的研制與批生產模式。

（2）針對典型零部件制造過程，研究狀態(tài)監(jiān)控與信息采集、基于工況的決策處理、制造過程建模仿真等智能制造關鍵技術，建立航空產品智能化設計與執(zhí)行的支持工具，滿足機械加工、鈑金成形、復合材料構件制造、零部件裝配等需求，為航空產品制造提供高精度、高效率、智能化的工藝手段；建立包括智能化測控一體加工、復材自動鋪放、鈑金數字化成形、數字化光整加工、智能物流傳輸、數字化柔性裝配線等智能化裝備及系統，形成航空產品數字化智能化支持產品；研制以數字化、智能化控制為特征的關鍵工藝設備及系統，通過設備聯網、物流集成、數據協調、生產線運行控制等技術方法集成應用，建立關鍵零件的集成化生產線，采用智能化的管理、調整與控制技術方法，實現生產線物流、信息流的協調運行，滿足航空關鍵零件加工精度穩(wěn)定性、表面質量一致性控制的迫切需求。

（3）應從現在起，圍繞支撐技術、單元技術、系統技術等層面逐步開展智能制造的推進和實施工作。

智能支撐技術重點要突破的技術包括：適用于航空制造工況及其產品的智能傳感技術，基于大數據的各種工況感知信息的采集、融合和分析處理技術，分布式實時網絡的構建及賽博物理融合系統（CPS）技術，制造過程的虛擬建模、半物理和物理仿真技術等。

智能制造單元技術重點要突破的內容包括：專用嵌入式控制單元、減速機等智能核心器件，實時狀態(tài)監(jiān)控、健康檢測、故障診斷等實時運行監(jiān)控方法，視覺監(jiān)控的機器人焊接、智能化鉆鉚、測控一體的五坐標加工，基于力感知的打磨、柔性化工裝定位等智能化執(zhí)行單元，知識建模、智能決策支持系統等。

智能制造系統重點要突破的技術包括：制造系統的分布式網絡化管控、多機器人的協同控制、工藝與裝備的信息交互與過程優(yōu)化、系統狀態(tài)監(jiān)控與智能化加工決策、制造過程數值仿真與工藝優(yōu)化等。

智能工廠要解決的關鍵技術包括：工藝布局規(guī)劃與虛擬工廠、智能倉儲與物流、智能化生產調度、生產過程實時監(jiān)控、質量狀態(tài)跟蹤與智能化檢測等。

智能制造是工業(yè)化與信息化深度融合的產物，當前，我國政府正在推進《中國制造2025》這一戰(zhàn)略規(guī)劃和行動計劃，我們應該抓住這一有利時機，在中航工業(yè)已有的數字化網絡化設計/制造基礎上，打造航空智能制造，提升我國航空制造業(yè)的整體能力和水平。

結束語

智能制造從宏觀上將推動傳統的標準化、大批量、剛性緩慢的生產模式向個性化、高度柔性化、快速響應市場需求方向轉變；微觀上，將通過數字化、網絡化、自動化和智能化的系統集成，實現產品研制過程的全閉環(huán)控制。

作為數字化、網絡化、自動化延伸發(fā)展的智能制造，將為制造業(yè)帶來從大規(guī)模生產到定制化柔性生產的變革，將建立一個高度靈活的個性化和網絡化的產品研制和服務模式，實現從最初設計創(chuàng)意到最終產品制造乃至使用服務的全流程控制和管理。

[1]James A R， Henry W K. 計算機集成制造. 夏蓮，韓江，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]王焱.未來工廠：數字量貫通的集成運行 . 航空制造技術，2015(8)：40-45.

[3]王潤孝.先進制造技術導論.北京：科學出版社，2004.

[4]萬百五，韓崇昭，蔡遠利.控制論—概念、方法及應用.北京：清華大學出版社，2014.

[5]GB/T 20720.1—2006.企業(yè)控制系統集成 第1部分：模型和術語.

[6]BS EN62264-1∶2013.Enterprisecontrol system integration Part 1∶ Models and terminology.