航空結(jié)構(gòu)件智能化加工設備的發(fā)展方向

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092）

制造業(yè)是工業(yè)體系的基石，更是國民經(jīng)濟的命脈。工業(yè)4.0[1-7]和中國制造2025都給制造業(yè)的發(fā)展指出了明確的發(fā)展方向——智能制造。制造裝備則是衡量制造業(yè)水平高低的直接體現(xiàn)，航空制造技術被譽為制造業(yè)的“皇冠”，因此其制造裝備的發(fā)展代表著未來制造裝備的發(fā)展趨勢。經(jīng)過多年的發(fā)展，航空制造裝備已全面進入數(shù)字化時代，主要表現(xiàn)為數(shù)控加工全過程的無人工干預、機床狀態(tài)實時監(jiān)控與反饋、零件在線檢測、機床精度補償、加工刀具異常預警等。

數(shù)字化技術的發(fā)展及應用顯著地提高了產(chǎn)品的加工效率和加工質(zhì)量。然而，這些技術雖然大量應用于航空工業(yè)，但目前都是作為孤立的技術點存在，彼此間尚未建立通信聯(lián)系，更未進行集成應用。隨著制造業(yè)逐步進入智能化時代，航空制造業(yè)必將率先由當前的數(shù)字化加工模式進入智能化加工模式。

智能化加工設備基本結(jié)構(gòu)

智能化加工設備是制造技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術及管理科學等學科交叉、融合和應用的必然結(jié)果[8]。從工業(yè)4.0以及中國制造2025的相關定義來看，智能化加工設備應該包含3個系統(tǒng)：數(shù)據(jù)系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)，如圖1所示。其中數(shù)據(jù)系統(tǒng)是實現(xiàn)智能化制造的前提和基礎；智能化決策系統(tǒng)是實現(xiàn)智能化的核心環(huán)節(jié)；執(zhí)行系統(tǒng)則是智能化制造的最終表現(xiàn)形式。

數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)表達3個部分，智能化加工系統(tǒng)的數(shù)據(jù)定義主要是指對智能加工系統(tǒng)中一些基礎的數(shù)據(jù)和加工過程中的數(shù)據(jù)進行定義，包括智能系統(tǒng)的設備幾何參數(shù)、性能參數(shù)，加工零部件的外形結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)、加工過程中的工藝參數(shù)、伴隨的功率、載荷、變形等物理數(shù)據(jù)，以及工藝知識數(shù)據(jù)等。

此外，還包括操作過程記錄、檢驗記錄、臨時處理等過程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)定義的目的主要是使加工系統(tǒng)的數(shù)據(jù)按數(shù)控加工的要求進行結(jié)構(gòu)化，使其能被有效的存儲、識別和表達。數(shù)據(jù)存儲和表達是通過計算機和網(wǎng)絡技術對定義的數(shù)據(jù)進行有序管理和顯示。

決策系統(tǒng)包括智能感知（數(shù)據(jù)識別）、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、智能決策4個部分組成。其中智能感知需要借助多種傳感器及數(shù)控設備、數(shù)控系統(tǒng)等軟硬件設備對當前加工系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)進行識別；數(shù)據(jù)采集是指按照數(shù)據(jù)定義的要求對系統(tǒng)當前的數(shù)據(jù)進行采集和儲存；數(shù)據(jù)分析則是借助計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)對當前采集的大量數(shù)據(jù)，根據(jù)一定的規(guī)則進行處理，獲取相關的需求信息；智能決策是根據(jù)當前數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，結(jié)合工藝知識數(shù)據(jù)，對當前的需求做出合理選擇。

執(zhí)行系統(tǒng)主要由數(shù)控加工設備主體、輔助裝置、機器人、數(shù)據(jù)接收器等相關的硬件組成，通過接收決策系統(tǒng)發(fā)出的各類指令來完成最終的加工、檢測等物理動作。

圖1 智能化加工的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic architecture of intelligent processing

圖2 多智能體系統(tǒng)設備的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic architecture of multi-agent system equipment

智能化加工設備發(fā)展方向

綜上所述，當前航空結(jié)構(gòu)件的加工雖然已全面進入數(shù)字化時代，正在向智能化方向發(fā)展。智能化加工設備的主要特點是機床軟、硬件設備等多智能體系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）的集成及應用。

1 多智能體系統(tǒng)

多智能體系統(tǒng)是由多個智能體組成的集合，智能體之間及智能體與環(huán)境之間通過通信、協(xié)商與協(xié)作來共同作業(yè)。使用航空結(jié)構(gòu)件多智能體系統(tǒng)的最終目的是實現(xiàn)高性能加工。根據(jù)其加工特點建立自動化單元及業(yè)務邏輯單元的多智能體層次模型，如所圖2所示，并規(guī)范它們之間的通信機制與服務協(xié)議。最底層的智能體是基于單個的自動化單元，如數(shù)控機床、測量機等這些智能體管理內(nèi)部業(yè)務，并向外提供標準服務，這些服務包括設備實時狀態(tài)、故障預警、所服務的產(chǎn)品狀態(tài)、歷史情況等；基于這些基礎智能體之上，建立業(yè)務邏輯單元的智能分析系統(tǒng)，如狀態(tài)分析、故障預警等；在智能感知系統(tǒng)以及智能分析系統(tǒng)之上，建立最頂層基于管控及決策的綜合智能體。圖2為多智能體系統(tǒng)設備的基本結(jié)構(gòu)。

2 加工程序的智能化識別

加工程序的智能化識別是實現(xiàn)智能化制造的核心技術，其他關鍵技術大多需要在此基礎上才能實現(xiàn)。

目前航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)控機床執(zhí)行的數(shù)控程序是當前加工坐標系下的點位坐標，完全不包含零件的結(jié)構(gòu)特征信息，程序在執(zhí)行過程中，通過系統(tǒng)直線或圓弧插補運算，最終將機床的運動軌跡轉(zhuǎn)換成多個折線段來逼近零件的結(jié)構(gòu)特征，這種方式無論對程序的執(zhí)行效率還是零件的表面質(zhì)量都不理想。

智能化識別是指機床在加工前，在加工坐標下先讀取零件的理論數(shù)模和加工程序，并將加工程序的點位坐標與零件的特征進行智能化匹配，系統(tǒng)則根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征將點位程序擬合成與零件結(jié)構(gòu)特征一致或無限接近的直線、曲線、圓弧、多項式等具體的函數(shù)表達式，如圖3所示，從而使機床執(zhí)行的是具體的數(shù)學解析式，機床的運動軌跡理論上與零件的結(jié)構(gòu)特征基本吻合，而無需用折線去逼近，可以顯著提高程序的執(zhí)行效率和零件加工的表面質(zhì)量。

3 智能裝夾及加工基準自動調(diào)整

設備利用率是衡量數(shù)控加工水平最重要的指標之一。隨著數(shù)控系統(tǒng)、機床硬件、刀具等相關技術的發(fā)展，制約設備利用率的主要因素已不再是機床本身的加工效率，而是零件裝夾和找正環(huán)節(jié)。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前加工航空結(jié)構(gòu)件的設備約有1/3的時間在停工等待裝夾、找正等非加工環(huán)節(jié)。國內(nèi)大部分設備目前主要依靠人工裝夾和找正，尤其是找正工作，需要依靠人工反復不斷檢測和調(diào)整，造成了機床等待時間增長，降低了設備利用率。

針對飛機結(jié)構(gòu)件的幾何特征和裝夾特點，基于模塊化、柔性裝夾的思想，首先設計基礎的柔性裝夾模塊單元[9]，同時開發(fā)出柔性裝夾智能設計系統(tǒng)，在獲取零件理論模型數(shù)據(jù)和加工程序數(shù)據(jù)的基礎上，可智能生成零件的裝夾方案和裝夾模塊單元的組合方案，實現(xiàn)對當前加工零件的自動裝夾。

其次，將該模塊單元的控制系統(tǒng)融入到智能加工設備的控制系統(tǒng)，使其成為智能化加工設備的基本組成部分。然后根據(jù)當前零件的裝夾狀態(tài)及位置數(shù)據(jù)，通過對加工坐標系的平移、旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)零件加工的基準自動調(diào)整，而無需專門找正，可顯著提高設備的利用率。該技術在設計通用、模塊化的工裝智能單元基礎上融合了自動控制和信息化技術，可智能實現(xiàn)個體零件的差異化工裝設計與快速制造，能大幅減少工裝設計與制造成本，靈活性與智能化是其顯著特點和優(yōu)勢。

4 智能化加工過程實時監(jiān)控

智能化加工過程監(jiān)控以零件理論數(shù)模數(shù)據(jù)和加工程序數(shù)據(jù)為基礎，進行自動匹配后，以數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡化為基礎，實現(xiàn)設備層面對機床運行、加工及操作過程數(shù)據(jù)的采集和積累，進而利用采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)零件加工質(zhì)量回溯、加工過程優(yōu)化，并實現(xiàn)對操作過程的監(jiān)控[10-11]，如圖4所示。主要包括工藝系統(tǒng)虛擬環(huán)境自動構(gòu)建、加工干涉自動檢查與調(diào)整、加工負載監(jiān)測與自適應控制、零件變形監(jiān)測與自動補償、零件加工精度監(jiān)測與自動補償、加工過程異常情況自動處理等。

工藝系統(tǒng)虛擬環(huán)境自動構(gòu)建和加工干涉自動檢查與調(diào)整是在工件裝夾完成后，通過對實物進行掃描，自動建立精確的虛擬仿真模型，并在此基礎上進行加工干涉檢查，若存在干涉碰撞則自動進行優(yōu)化調(diào)整。

圖3 程序智能識別流程Fig.3 Program intelligent identification process

圖4 加工過程實時監(jiān)控系統(tǒng)Fig.4 Real-time monitoring system of CNC machining process

加工負載監(jiān)測、零件變形、零件加工精度監(jiān)測與自適應控制是在加工過程中實時監(jiān)測機床的加工負載、零件的變形量及加工精度，并進行實時的自適應控制或補償，保證零件加工質(zhì)量。

加工過程異常情況處理針對加工過程中常見的異常情況，研究相應的處理辦法，在加工過程中檢測到異常后自動進行處理，避免加工過程的中斷。

5 加工參數(shù)智能化匹配

加工參數(shù)是影響加工質(zhì)量和加工效率最重要的因素。多年來，行業(yè)內(nèi)對航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工參數(shù)基于設備、刀具、零件結(jié)構(gòu)特征等因素做了大量研究與試驗工作，取得了明顯成效，加工效率得到了明顯提升，由加工參數(shù)引起的質(zhì)量故障也得到了很好的控制。但目前的加工參數(shù)并未對這些因素進行綜合考慮，加工參數(shù)基本在程序編制時就已經(jīng)確定，而并未考慮加工過程中設備、加工刀具、加工特征的狀態(tài)變化，從而影響了加工質(zhì)量和加工效率。

加工參數(shù)智能化匹配系統(tǒng)在讀取零件理論數(shù)模數(shù)據(jù)和加工程序數(shù)據(jù)的基礎上，根據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)檢測的機床能耗、載荷、精度等數(shù)據(jù)，以及刀具型號、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，結(jié)合當前的加工參數(shù)和工藝知識庫進行優(yōu)化計算，從而實現(xiàn)零件加工全過程的參數(shù)自動化匹配，有效提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和加工效率。

6 機床狀態(tài)智能預警系統(tǒng)

智能預警系統(tǒng)主要是通過對比機床的當前狀態(tài)信息與歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)，擬合出機床的精度、動態(tài)性能等參數(shù)的變化趨勢，判斷是否能滿足加工任務對機床的需求，基于可靠性分析策略，預測機床機械部件的壽命期限，并對臨近壽命期限的部件進行提前預警。智能診斷則是當感知環(huán)節(jié)監(jiān)測到機床運行出現(xiàn)異常狀態(tài)時，如狀態(tài)突變、故障報警等情況，迅速對產(chǎn)生的異常狀態(tài)進行分析，確定異常部位、故障原因、故障程度、是否影響加工。

根據(jù)機床狀態(tài)的預測和診斷情況，智能決策環(huán)節(jié)自動生成維修和保養(yǎng)方案，其核心是建立專家系統(tǒng)和知識庫，根據(jù)故障的狀況和歷史維修經(jīng)驗，確定維修規(guī)模、處理方法，如機床能否自行調(diào)整、是否停機、是否更換零件等，并且對停機維修時間、參與維修人員數(shù)目、維修所需的備件工裝等資源需求進行預估，并將方案結(jié)果反饋給智能管控平臺，從而協(xié)助管控平臺對生產(chǎn)計劃、人員調(diào)度和資源物流進行協(xié)調(diào)。

結(jié)束語

經(jīng)過幾代航空人的努力，航空結(jié)構(gòu)件加工目前已全面進入數(shù)字化時代，并且正在或即將進入智能化時代，其主要特點是機床軟、硬件等多智能體系統(tǒng)的集成及應用。到目前為止，我國航空工業(yè)已基本具備實現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件智能化制造的基礎，但距智能化加工工程應用仍有一定差距，尤其是智能識別、智能決策等技術目前尚未成熟，有待全行業(yè)相關專家和工程技術人員的進一步努力。

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