制導(dǎo)彈藥智能總裝生產(chǎn)線研制與推廣應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所

制導(dǎo)彈藥智能總裝生產(chǎn)線研制與推廣應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所

本項(xiàng)目針對(duì)彈藥智能制造面臨的高安全性及可重構(gòu)性等共性技術(shù)難題，研制了系列化彈藥智能制造工藝裝備與成套智能生產(chǎn)線，滿足多型號(hào)產(chǎn)品共線生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)了行業(yè)首創(chuàng)應(yīng)用。項(xiàng)目為彈藥總裝行業(yè)由傳統(tǒng)手工為主的制造模式到智能制造模式的轉(zhuǎn)變，提供了技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)與信息化管控深度集成，自動(dòng)化率達(dá)到80%，質(zhì)量參數(shù)在線自動(dòng)檢測(cè)率達(dá)到100%，危險(xiǎn)工位實(shí)現(xiàn)無人化，生產(chǎn)效率較行業(yè)傳統(tǒng)制造模式提高2倍以上，經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著。

1　項(xiàng)目背景

彈藥尤其是先進(jìn)的制導(dǎo)的彈藥為重要國(guó)防裝備，彈藥制造為典型的危險(xiǎn)有害工種。在軍用彈藥行業(yè)，共有生產(chǎn)制造企業(yè)上百家，是維護(hù)國(guó)家安全、鞏固國(guó)防和發(fā)展軍事力量的重要保障。我國(guó)的彈藥生產(chǎn)制造行業(yè)經(jīng)過幾年來的工藝技術(shù)進(jìn)步，突破了部分重點(diǎn)工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了部分工序、單機(jī)和單元的機(jī)械化操作，提高了一定的生產(chǎn)效率，降低了成本，但生產(chǎn)組織方式、工藝流程和制造裝備都沒有根本性的改變，產(chǎn)品工藝技術(shù)和裝備技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比有一定差距，還有諸多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決，急需進(jìn)行智能制造升級(jí)。目前，彈藥總裝仍以傳統(tǒng)人工操作為主，存在生產(chǎn)效率低、質(zhì)量一致性差、不適應(yīng)新型號(hào)產(chǎn)品快速響應(yīng)制造及生產(chǎn)過程本質(zhì)安全度低等問題，無法滿足未來彈藥“高精、高效、高安全”要求。現(xiàn)有裝備尚未突破易爆環(huán)境下的機(jī)器人防爆、超高可靠性操作、多產(chǎn)品混流共線生產(chǎn)及安全感知控制等技術(shù)壁壘。研制彈藥總裝智能生產(chǎn)線，并建設(shè)彈藥總裝數(shù)字化車間，解決行業(yè)效率及安全問題，改善工人生產(chǎn)環(huán)境具有重要社會(huì)及經(jīng)濟(jì)意義。

2　項(xiàng)目目標(biāo)

彈藥智能總裝生產(chǎn)線的目標(biāo)為：將傳統(tǒng)的人工總裝模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯o時(shí)序約束的拉動(dòng)式自動(dòng)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式的精益化及標(biāo)準(zhǔn)化；解決彈藥智能制造所面臨的高安全性及在線可重構(gòu)性等共性技術(shù)挑戰(zhàn)，研制系列化彈藥智能制造成套裝備，滿足防爆性及高可靠性要求，并集成成套智能生產(chǎn)線及數(shù)字化車間，適應(yīng)多型號(hào)產(chǎn)品混流共線生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)其制造過程的自動(dòng)化及智能化；通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物、料、法、環(huán)的互聯(lián)互通及信息感知，提升信息化，并將自動(dòng)化生產(chǎn)與信息化管控深度融合。減少危險(xiǎn)有害生產(chǎn)環(huán)境用工數(shù)量、提高作業(yè)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量，保障安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)制造模式創(chuàng)新及首創(chuàng)應(yīng)用，助推行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。具體目標(biāo)包括：

（1）生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)制造模式提升2倍以上；

（2）自動(dòng)化率達(dá)到80%以上；

（3）資源利用率提升100%以上，減少資源、場(chǎng)地浪費(fèi)，人員由40人減少到9人；

（4）危險(xiǎn)工位無人化；

（5）檢測(cè)、測(cè)量在線化及自動(dòng)化，數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場(chǎng)總線上傳；

（6）物料配送智能化，根據(jù)MES派工計(jì)劃，通過智能物流裝備實(shí)現(xiàn)物料及時(shí)配送；

（7）狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化，裝備、產(chǎn)品及物料聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)裝備狀態(tài)自感知和互感知、產(chǎn)品及物料身份信息及制造過程狀態(tài)信息感知；

（8）生產(chǎn)信息集成化，實(shí)現(xiàn)全制造過程及全制造元素的信息感知、貫通及集成，為大數(shù)據(jù)控掘優(yōu)化做準(zhǔn)備，裝備、產(chǎn)品及物料聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)裝備狀態(tài)自感知與互感知、產(chǎn)品及物料身份信息及制造過程狀態(tài)信息感知；

（9）決策數(shù)據(jù)化，通過產(chǎn)品信息、裝備狀態(tài)、物料信息等的集成化上傳，實(shí)現(xiàn)及時(shí)決策，減少等待時(shí)間；

（10）生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)虛擬化，虛擬現(xiàn)實(shí)與物理工廠融合，實(shí)現(xiàn)工藝仿真優(yōu)化，提高生產(chǎn)線實(shí)施的可行性及合理性；

（11）人、機(jī)、產(chǎn)品互動(dòng)化，對(duì)所有操作過程進(jìn)行人機(jī)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升操作過程方便性，減少操作人員疲勞，各工位實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)功能切換；

（12）產(chǎn)品多樣化，可適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同型號(hào)產(chǎn)品的混流共線生產(chǎn)，可快速?gòu)?fù)制擴(kuò)展。

3　項(xiàng)目實(shí)施與應(yīng)用

彈藥智能總裝生產(chǎn)線集產(chǎn)品裝配、在線檢測(cè)、多機(jī)協(xié)調(diào)控制及智能化管控于一體，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配、檢測(cè)、噴碼、包裝和成品智能垛放等全總裝過程智能生產(chǎn)。同時(shí)具有產(chǎn)品配套管理、生產(chǎn)信息管理、不合格品信息記錄、性能參數(shù)記錄分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)自動(dòng)維護(hù)的數(shù)字化生產(chǎn)管理功能，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控顯示。項(xiàng)目構(gòu)建了滿足彈藥總裝生產(chǎn)數(shù)字車間多層模塊化體系，包括：現(xiàn)場(chǎng)智能裝備與物流裝備的工序控制層、在線測(cè)量與監(jiān)測(cè)的過程控制層及制造執(zhí)行系統(tǒng)管控層。現(xiàn)場(chǎng)裝備控制層：由專用智能工藝裝備、智能檢測(cè)設(shè)備、物流傳輸線等專用設(shè)備組成，各裝備通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)工序級(jí)的內(nèi)部控制及信息的采集及雙向傳輸。過程監(jiān)控及綜合控制層：由過程監(jiān)控軟件平臺(tái)及綜合控制平臺(tái)等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和縱向信息集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)空狀態(tài)的監(jiān)視，通過在線分析診斷技術(shù)，提供質(zhì)量缺陷、設(shè)備故障、工藝參數(shù)修正等方面的預(yù)警和控制。制造執(zhí)行控制平臺(tái)層：由制造執(zhí)行基礎(chǔ)服務(wù)及生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)的上層組織與調(diào)度。

生產(chǎn)線經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試、考機(jī)試運(yùn)行及批量生產(chǎn)等過程，滿足某彈藥的批量化生產(chǎn)要求，生產(chǎn)線無故障運(yùn)行率達(dá)到了99%以上。與傳統(tǒng)彈藥總裝模式相比，在廠房等資源利用率、生產(chǎn)效率、質(zhì)量一致性、現(xiàn)場(chǎng)人員數(shù)量、自動(dòng)化率及生產(chǎn)本質(zhì)安全度等水平具有質(zhì)的提升，其中危險(xiǎn)工位實(shí)現(xiàn)無人化，總體人員減少75%，同產(chǎn)能節(jié)省廠房面積50%，生產(chǎn)效率提高2倍以上，一次性總裝成品率達(dá)99%以上。

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)在于：

（1）率先攻克了彈藥自動(dòng)化裝配檢測(cè)安全工藝技術(shù)，建立了彈藥智能裝配檢測(cè)工藝庫(kù)，并進(jìn)行了全制造流程工藝優(yōu)化與集成。由于彈藥生產(chǎn)的危險(xiǎn)性及特殊性，目前彈藥生產(chǎn)所有的技改和安改均在原有裝配工藝上用機(jī)械代替人工，不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程的優(yōu)化。雖然部分工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，但生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量不能得到本質(zhì)的提高。分析彈藥裝配檢測(cè)工藝對(duì)彈藥生產(chǎn)的作用及性能影響，突破原有裝配工藝限制，研究了適用于自動(dòng)化生產(chǎn)的彈藥裝配檢測(cè)工藝，并在此基礎(chǔ)上對(duì)彈藥全制造過程進(jìn)行了工藝優(yōu)化與集成，形成了彈藥總裝工藝庫(kù)。

（2）提出了多種機(jī)構(gòu)安全及防爆安全技術(shù)，研制成功了裝藥裝配、檢測(cè)及物流3類18種系列化彈藥專用智能工藝裝備，替代了人工生產(chǎn)，提升了生產(chǎn)效率及本質(zhì)安全度。彈藥由于其具有易爆危險(xiǎn)性的特征，其生產(chǎn)制造所用的裝備首要滿足安全性要求，裝備的安全包含3方面內(nèi)容：即設(shè)備自身滿足機(jī)械及電氣防爆要求及設(shè)備操作具有超高可靠性。項(xiàng)目依據(jù)國(guó)內(nèi)國(guó)際安全防爆標(biāo)準(zhǔn)，提出多種智能設(shè)備機(jī)械及電氣防爆解決方案，設(shè)計(jì)了多種基于機(jī)械互鎖的本質(zhì)可靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并采用力、視覺、溫度傳感實(shí)現(xiàn)操作參數(shù)實(shí)時(shí)感知及安全閉環(huán)控制，確保了設(shè)備的安全性。

（3）研制了基于多機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的彈藥高可靠性安全控制技術(shù)體系模型，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜彈藥生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及全制造過程安全協(xié)調(diào)控制。彈藥等危險(xiǎn)品生產(chǎn)行業(yè)對(duì)多機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制的可靠性、協(xié)調(diào)性及安全控制的策略及方法都提出了很高的要求。本項(xiàng)目組成彈藥裝配生產(chǎn)線的專機(jī)較多，裝配和檢測(cè)工藝流程較為復(fù)雜，設(shè)備與外界的接口形式不盡相同，實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線各專機(jī)及設(shè)備高效、安全的網(wǎng)絡(luò)化管理與控制，提高生產(chǎn)過程控制的可靠性及安全性是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線高效安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。項(xiàng)目通過如下關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)了彈藥生產(chǎn)線的安全協(xié)調(diào)控制，生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 制導(dǎo)彈藥智能總裝生產(chǎn)線控制系統(tǒng)模型

（4）形成了彈藥總裝智能制造生產(chǎn)線及數(shù)字化車間集成技術(shù)體系，研制成功了集動(dòng)態(tài)管控與自動(dòng)化生產(chǎn)于一體的彈藥智能總裝生產(chǎn)線及數(shù)字化車間，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。將彈藥工藝技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)、智能機(jī)器人技術(shù)、多種傳感測(cè)量技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及生產(chǎn)過程智能管控技術(shù)集成應(yīng)用于彈藥總裝制造，通過將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊接口標(biāo)準(zhǔn)化及各單元通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)傳輸格式標(biāo)準(zhǔn)化，將制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)視與控制系統(tǒng)深度集成，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與信息化的深度融合。為彈藥行業(yè)智能制造模式轉(zhuǎn)型提供技術(shù)積累及成功經(jīng)驗(yàn)。

4　效益分析

項(xiàng)目在人員減少75%及場(chǎng)地面積減少50%基礎(chǔ)上，可提高生產(chǎn)效率兩倍，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。生產(chǎn)線研制及實(shí)施形成了彈藥總裝智能制造技術(shù)體系及整體解決方案，相關(guān)技術(shù)在2015年度申請(qǐng)發(fā)明專利6項(xiàng)。生產(chǎn)線的相關(guān)技術(shù)獲得了多項(xiàng)國(guó)家獎(jiǎng)勵(lì)，其中，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)1項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院科技促進(jìn)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。項(xiàng)目相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)獲得了2014年度國(guó)家863計(jì)劃先進(jìn)制造領(lǐng)域機(jī)器人主題項(xiàng)目支持。

易爆危險(xiǎn)品數(shù)字化、智能化成套裝填及檢測(cè)生產(chǎn)線的研究和示范應(yīng)用是促進(jìn)我國(guó)易爆危險(xiǎn)品生產(chǎn)制造行業(yè)技術(shù)升級(jí)的重要手段，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，提高產(chǎn)品的附加值起到重要的技術(shù)支撐作用。自動(dòng)化工藝裝備及生產(chǎn)線的建立，將產(chǎn)生如下社會(huì)效益：

（1）提升彈藥總裝行業(yè)智能制造水平

本項(xiàng)目緊密結(jié)合國(guó)家走新型工業(yè)信息化道路的發(fā)展戰(zhàn)略，充分利用機(jī)器人技術(shù)、在線檢測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)來提升易爆危險(xiǎn)品行業(yè)生產(chǎn)制造水平，符合我國(guó)有關(guān)產(chǎn)業(yè)政策中關(guān)于支持信息化、數(shù)字化重大裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的精神。

（2）促進(jìn)易爆彈藥安全生產(chǎn)及職業(yè)健康

本項(xiàng)目具有完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有很高的成果轉(zhuǎn)化顯示度。自動(dòng)化工藝裝備及生產(chǎn)線的建立，將極大地減少危險(xiǎn)生產(chǎn)工序的人工數(shù)量，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)過程的本質(zhì)安全度、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。促進(jìn)易爆危險(xiǎn)品生產(chǎn)企業(yè)在職業(yè)健康、安全生產(chǎn)、管理水平等方面的全面提升。

（3）提升綠色制造及環(huán)境保護(hù)水平

本項(xiàng)目主要應(yīng)用對(duì)象是易爆危險(xiǎn)品行業(yè)，研究開發(fā)的技術(shù)與裝備目標(biāo)是提高本質(zhì)安全度和生產(chǎn)效率，降低原材料等資源消耗，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。通過數(shù)字化智能化自動(dòng)生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)線，改善企業(yè)的環(huán)保條件，降低工作噪音和粉塵排放，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高職業(yè)健康水平，實(shí)現(xiàn)易爆危險(xiǎn)品的綠色安全生產(chǎn)。