航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造生產(chǎn)線構(gòu)建技術(shù)研究

（西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司，西安 710021）

進(jìn)入新世紀(jì)以來，信息技術(shù)快速發(fā)展，與工業(yè)化深度融合，其引發(fā)的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓄勢(shì)待發(fā)，揭開了全球新一輪工業(yè)革命浪潮的序幕。國際上許多國家紛紛推出了利用信息技術(shù)提升制造業(yè)水平的戰(zhàn)略舉措（如德國的工業(yè)4.0、美國的再工業(yè)化等），這些戰(zhàn)略基本都是以“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”為特征，推行智能制造以改造傳統(tǒng)工業(yè)并進(jìn)行再工業(yè)化[1]。

智能制造是《中國制造2025》的主攻方向，也是我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)落實(shí)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越式發(fā)展的關(guān)鍵舉措[2]。生產(chǎn)線作為企業(yè)核心競爭力的基礎(chǔ)要素和生產(chǎn)活動(dòng)執(zhí)行的實(shí)體與效益源泉，同時(shí)也是物流、信息流和資金流的匯聚點(diǎn)，一向是新的信息技術(shù)應(yīng)用研究的重點(diǎn)領(lǐng)域[3]。目前，國內(nèi)外的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，正在數(shù)字化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，探索智能制造生產(chǎn)線建設(shè)，謀求生產(chǎn)技術(shù)和管理創(chuàng)新發(fā)展，期望在激烈的國際競爭環(huán)境下，鞏固企業(yè)優(yōu)勢(shì)，搶占新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點(diǎn)。

在此背景下，開展面向工業(yè)4.0的航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造生產(chǎn)線構(gòu)建技術(shù)研究，追趕世界先進(jìn)制造業(yè)，趕上數(shù)字化這班時(shí)代快車，對(duì)于積極、穩(wěn)妥推進(jìn)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)數(shù)字化具有現(xiàn)實(shí)意義和歷史意義。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造生產(chǎn)線構(gòu)建需求分析

多年來，我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)將數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)作為企業(yè)信息化重點(diǎn)，并初見成效，改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式，有力保障了科研/批產(chǎn)型號(hào)任務(wù)的交付。但根據(jù)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線多品種、小批量，科研、批產(chǎn)混線生產(chǎn)的特點(diǎn)以及生產(chǎn)線總體水平的現(xiàn)狀，建設(shè)具有“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”特征（見表1）的智能制造生產(chǎn)線，還需進(jìn)行3個(gè)方面的改進(jìn)：

（1）制造工藝的進(jìn)步：面向工序的工藝到面向過程的復(fù)合工藝管理。

傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)較多關(guān)注了面向工序的關(guān)鍵制造工藝研究，開展智能制造需要建立產(chǎn)品、工藝、制造緊密關(guān)聯(lián)的工藝模型；同時(shí)精細(xì)工藝，實(shí)現(xiàn)工藝過程關(guān)鍵因素可監(jiān)測(cè)、可控制、可優(yōu)化；減少對(duì)人的經(jīng)驗(yàn)的依賴，消除人為影響，知識(shí)顯性化、結(jié)構(gòu)化、自學(xué)習(xí)、自進(jìn)化，從而促進(jìn)生產(chǎn)線整體能力增效。

（2）信息化發(fā)展：由傳統(tǒng)信息化應(yīng)用向信息物理融合的一體化軟硬集成體系發(fā)展。

通用工具（CAD/CAM/CAE）向以產(chǎn)品對(duì)象為專業(yè)化應(yīng)用核心的專用工具集發(fā)展；系統(tǒng)集成不僅僅要解決IT工具的集成，更關(guān)鍵的是解決設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、軟硬集成和相互嵌入；開展信息物理一體化建模、標(biāo)準(zhǔn)化、支撐大數(shù)據(jù)/云計(jì)算環(huán)境的建立等。

（3）裝備配備的轉(zhuǎn)變：由傳統(tǒng)工藝流水配置裝備向與智能制造匹配配備。

推行智能制造，引進(jìn)機(jī)器人，不僅降低人工成本，高度的自動(dòng)化和柔性化更符合智能制造需要，通過設(shè)備聯(lián)網(wǎng)組建智能化裝備集群，逐步推進(jìn)自適應(yīng)加工，人和機(jī)器的融合，探索3D打印等新技術(shù)，簡化制造過程。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造生產(chǎn)線架構(gòu)研究

1 智能制造生產(chǎn)線的內(nèi)涵

航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造生產(chǎn)線是在繼承傳統(tǒng)數(shù)字化生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，基于企業(yè)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化制造裝備，引入智能傳感技術(shù)[4-5]，建設(shè)生產(chǎn)線賽博物理系統(tǒng)，旨在提高生產(chǎn)線柔性、快速響應(yīng)能力及制造能力，適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)多品種、小批量生產(chǎn)模式帶來的定制需求挑戰(zhàn)，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制質(zhì)量和效率，其架構(gòu)如圖1所示。

2 智能制造生產(chǎn)線主要組成

2.1 生產(chǎn)線智能管控

建立涵蓋技術(shù)、質(zhì)量、生產(chǎn)等業(yè)務(wù)綜合管理的生產(chǎn)線指揮調(diào)度中心，基于生產(chǎn)線智能決策系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)掌握，對(duì)生產(chǎn)過程中常見的延期交貨、物料短缺、設(shè)備故障、人員缺勤等各種異常情形進(jìn)行快速處理，如圖2所示。

生產(chǎn)線智能決策系統(tǒng)是基于商務(wù)智能決策技術(shù)建立生產(chǎn)線技術(shù)管理、計(jì)劃管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)績效等智能管理業(yè)務(wù)模型，利用現(xiàn)場服務(wù)總線、分布式存儲(chǔ)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)線人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)6個(gè)要素的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入地挖掘與分析，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場管控和智能化決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的高效生產(chǎn)模式。

圖1 智能生產(chǎn)線架構(gòu)Fig.1 Structure chart of intelligent production line

通過生產(chǎn)線智能管理，可依據(jù)人員角色約束為領(lǐng)導(dǎo)、工藝人員、生產(chǎn)計(jì)劃人員、設(shè)備維護(hù)人員等提供定制化的信息共享和交互途徑，從而為生產(chǎn)過程的精確化和透明化提供決策支持。

2.2 智能制造技術(shù)準(zhǔn)備

智能化的工藝設(shè)計(jì)：采用基于全數(shù)字量表達(dá)、MBD模型的智能識(shí)別以及信息獲取和處理能力的工藝設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)的決策、優(yōu)化的綜合工藝設(shè)計(jì)，可對(duì)工藝知識(shí)、技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)、積累和演進(jìn)，這是推行智能制造的基礎(chǔ)。

基于幾何特征的智能編程：基于零件特征、工藝知識(shí)庫，自動(dòng)選取相適應(yīng)的加工設(shè)備、刀具、工裝等制造資源，自動(dòng)生成零件加工方法、加工軌跡、加工策略，并依據(jù)加工設(shè)備、刀具自動(dòng)生成基于規(guī)則知識(shí)庫的優(yōu)化的切削參數(shù)，這是生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)加工的關(guān)鍵。

檢測(cè)路徑自動(dòng)規(guī)劃：利用零件數(shù)模實(shí)現(xiàn)基于零件檢測(cè)特征的自動(dòng)檢測(cè)路徑規(guī)劃，對(duì)于復(fù)雜零件可實(shí)現(xiàn)高精、高速在機(jī)測(cè)量，準(zhǔn)確獲取零件加工表面尺寸、形位公差等，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋與智能分析。

圖2 生產(chǎn)線智能決策Fig.2 Intelligent decisions of production line

圖3 智能化制造執(zhí)行Fig.3 Intelligent manufacturing execution

工藝仿真驗(yàn)證及優(yōu)化：借助加工仿真分析工具，通過仿真驗(yàn)證與優(yōu)化，獲取最優(yōu)的加工工藝方案，基于決策知識(shí)庫中的智能決策推送，快速推理預(yù)測(cè)零件制造工藝缺陷，實(shí)現(xiàn)制造過程的精準(zhǔn)執(zhí)行。

工藝決策知識(shí)庫：建立包括工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控加工過程決策規(guī)則等的工藝決策知識(shí)庫，結(jié)合工藝設(shè)計(jì)知識(shí)、數(shù)控加工策略、刀具切削參數(shù)、刀具/工裝/設(shè)備/機(jī)床等制造資源，為工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、工藝仿真、檢測(cè)、裝配等智能化工藝設(shè)計(jì)提供有力支撐。

2.3 智能化生產(chǎn)管理及執(zhí)行管控

智能化計(jì)劃管理：承接ERP生產(chǎn)計(jì)劃，應(yīng)用高級(jí)排程技術(shù)，滿足生產(chǎn)線多品種、小批量、計(jì)劃變化頻繁的需要，并通過實(shí)時(shí)分析生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)進(jìn)度的匹配情況，在異常情況發(fā)生時(shí)（如設(shè)備宕機(jī)、物料短缺等）進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)算模式，對(duì)當(dāng)前的任務(wù)隊(duì)列進(jìn)行動(dòng)態(tài)排產(chǎn)，最大程度地降低生產(chǎn)變化對(duì)計(jì)劃的影響和沖擊。

智能化制造執(zhí)行：通過生產(chǎn)現(xiàn)場信息終端，生產(chǎn)工人能夠知道做什么、怎么做、用什么做、做的怎么樣的一體化管理；一些典型數(shù)控加工零件基于工況的工藝快速?zèng)Q策和在機(jī)過程檢測(cè)可進(jìn)行自適應(yīng)加工；生產(chǎn)管理人員通過智能管控平臺(tái)可及時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場運(yùn)行情況[6]，如圖3所示。

在生產(chǎn)現(xiàn)場終端上，工人通過掃描身份識(shí)別條碼，能夠自動(dòng)獲取班產(chǎn)派工任務(wù)，同時(shí)也可以瀏覽工藝規(guī)程相關(guān)信息，接受派工任務(wù)后，數(shù)控加工代碼自動(dòng)傳輸?shù)綑C(jī)床上。

準(zhǔn)時(shí)化物料配送：通過對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃與物料的關(guān)聯(lián)管理，自動(dòng)化送料設(shè)備在需要的時(shí)間將物料送達(dá)需要的地點(diǎn)。

物料自動(dòng)裝夾：通過PLC控制搬運(yùn)機(jī)器人將上線工位上的零件搬運(yùn)至加工工位，智能工裝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、裝夾，零件加工完畢后進(jìn)行智能檢測(cè)，并由搬運(yùn)機(jī)器人完成零件的下料操作。

智能檢測(cè)：通過獲取識(shí)別后的零件待檢特征自動(dòng)生成測(cè)量主程序，確定測(cè)量軌跡、測(cè)點(diǎn)數(shù)目、測(cè)點(diǎn)布局，對(duì)測(cè)量過程產(chǎn)生的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，完成測(cè)量主程序與被調(diào)用宏程序的發(fā)送及測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息的接收；基于數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)仿真，分析測(cè)頭與待測(cè)部位接觸點(diǎn)位置信息，并通過仿真對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行檢查，修正程序錯(cuò)誤后繼續(xù)加工。其中加工過程是基于數(shù)控機(jī)床上的零件機(jī)內(nèi)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)加工過程中，自感知加工余量，自適應(yīng)調(diào)整下一步加工余量，保證加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。智能檢測(cè)流程如圖4所示。

2.4 硬件及基礎(chǔ)條件

（1）智能制造裝備。智能生產(chǎn)線中的智能裝備主要包括智能機(jī)床、智能機(jī)器人、智能控制裝置及系統(tǒng)、智能物流系統(tǒng)、傳感識(shí)別及信息采集裝置和智能加工單元等，對(duì)制造過程中運(yùn)動(dòng)、功率、扭矩、能量、信息等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并基于預(yù)制規(guī)則進(jìn)行自主決策與自適應(yīng)控制。主要包括專用嵌入式控制單元等智能核心部件，實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、健康檢測(cè)、故障診斷等實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控方法，基于測(cè)量反饋的多軸加工、基于力感知的加工和定位智能化執(zhí)行單元，知識(shí)建模、智能決策支持系統(tǒng)等。

（2）智能加工單元。智能設(shè)備的運(yùn)行邏輯包括狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行4個(gè)環(huán)節(jié)。其中，狀態(tài)感知環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、I/O狀態(tài)、力/熱狀態(tài)和工件狀態(tài)等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)分析環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)感知到的狀態(tài)信息進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置偏差、I/O異常、異常工況和工件誤差等的分析計(jì)算；自主決策環(huán)節(jié)根據(jù)分析結(jié)果做出處理決策，實(shí)現(xiàn)位置補(bǔ)償、工況分析、參數(shù)調(diào)整、加工指令調(diào)整等自主的處理決策；在精準(zhǔn)執(zhí)行環(huán)節(jié)基于決策結(jié)果實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制。智能設(shè)備的運(yùn)行過程是4個(gè)環(huán)節(jié)的循環(huán)過程作用的結(jié)果。以智能設(shè)備為基礎(chǔ)，建立以智能設(shè)備為核心的包含智能輸送線、搬運(yùn)機(jī)器人、智能加工設(shè)備、智能工裝、智能檢測(cè)設(shè)備等的自動(dòng)化加工柔性單元，采用二維碼、RFID、嵌入式終端系統(tǒng)等技術(shù)，將生產(chǎn)線上的物料、設(shè)備、工裝、人員、數(shù)據(jù)等進(jìn)行唯一身份標(biāo)識(shí)，在物料裝夾、儲(chǔ)運(yùn)等過程中，對(duì)身份自動(dòng)識(shí)別、匹配、運(yùn)行。

（3）智能倉儲(chǔ)與物流系統(tǒng)?；贏GV/RGV系統(tǒng)、碼垛機(jī)、物流機(jī)器人以及立體倉庫等建立智能倉儲(chǔ)與物流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)優(yōu)化調(diào)度、物料出入庫管理、庫存管理等，實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)在智能工廠內(nèi)部的安全、高效、精確運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）企業(yè)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。在符合安全保密要求的前提下，搭建企業(yè)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備及系統(tǒng)互聯(lián)互通，支撐產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、測(cè)量儀器等各種指令及數(shù)據(jù)的傳遞和采集。

目前需攻克的關(guān)鍵技術(shù)

我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用取得了長足發(fā)展，但是與國際先進(jìn)航空制造業(yè)相比仍有差距，打造智能制造生產(chǎn)線還有一些關(guān)鍵技術(shù)有待突破，主要表現(xiàn)在：

（1）具備工程化應(yīng)用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)智能制造生產(chǎn)線模型的規(guī)劃。根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線多品種、小批量、科研批產(chǎn)混線的特點(diǎn)，需要突破融合多信息采集與分析、基于模型的分析與處理、智能監(jiān)測(cè)和控制、基于規(guī)則和知識(shí)的智能決策等智能制造生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線業(yè)務(wù)智能模型，為企業(yè)提供整體解決方案。

圖4 智能檢測(cè)流程Fig.4 Flow chart of intelligent detection

圖5 賽博物理系統(tǒng)Fig.5 Cyber physical system

（2）生產(chǎn)線賽博物理系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)。目前，智能制造技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線應(yīng)用處于嘗試階段，現(xiàn)有的PDM、MES等系統(tǒng)不能滿足智能生產(chǎn)線建設(shè)需要，必須構(gòu)建與生產(chǎn)線特點(diǎn)相適應(yīng)的賽博物理系統(tǒng)[7-9]，以實(shí)現(xiàn)物理空間和賽博空間的互聯(lián)互通，為智能生產(chǎn)線提供基礎(chǔ)平臺(tái)，如圖5所示。

（3） 智能工藝裝備。在生產(chǎn)制造裝備方面，需要進(jìn)一步突破具有感知、分析、決策和控制功能的加工及裝配設(shè)備及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)幾何量和物理量的測(cè)量、狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析決策、裝備工況狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制、數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)、人機(jī)協(xié)同、機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)以及機(jī)電一體化綜合集成等。

（4）智能機(jī)器人集成應(yīng)用。針對(duì)航空產(chǎn)品制造中特有的制孔、鉚接、焊接、去毛刺、涂裝、噴涂打磨以及搬運(yùn)等工序，重點(diǎn)突破面向工序操作的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)制造、精度協(xié)調(diào)與誤差補(bǔ)償、工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制、機(jī)器視覺、多機(jī)協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在制孔、激光焊接、去毛刺、打磨、幾何量檢測(cè)等工序的應(yīng)用，形成完整的工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用技術(shù)體系。

結(jié)束語

智能制造是我國落實(shí)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)研制模式轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵戰(zhàn)略舉措。國外先進(jìn)企業(yè)已經(jīng)在新一輪工業(yè)革命的道路上，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)是推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的共性使能技術(shù)，貫穿在產(chǎn)品創(chuàng)新、制造技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新的各個(gè)方面，對(duì)于我國航空行業(yè)，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，既是極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，更是一個(gè)技術(shù)上趕超發(fā)展、結(jié)構(gòu)上加快升級(jí)的重大機(jī)遇。對(duì)此，我們必須高度重視、密切跟蹤、迎頭趕上。

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