◎北京衛(wèi)星制造廠 徐 磊 劉金山 趙長(zhǎng)喜 張明
◎北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 孫 京
航天器作為高端裝備的代表,其研制過(guò)程具有批量小、種類多、更新?lián)Q代快、高復(fù)雜性、高風(fēng)險(xiǎn)性等特點(diǎn),隨著航天器裝備不斷地更新?lián)Q代以及研制數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng),航天器產(chǎn)品對(duì)性能的要求越來(lái)越高、開(kāi)發(fā)周期要求越來(lái)越短,對(duì)航天器制造技術(shù)和制造管理水平提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為適應(yīng)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的趨勢(shì),針對(duì)單件小批量生產(chǎn)特點(diǎn),開(kāi)展智能制造有關(guān)研究和應(yīng)用,有利于減少設(shè)備、勞動(dòng)力投入,提升航天企業(yè)制造效益,實(shí)現(xiàn)航天制造能力的提升、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型和跨越式發(fā)展。
本文從航天器研制現(xiàn)狀和需求出發(fā),探討了航天器智能制造的內(nèi)涵,結(jié)合當(dāng)前航天器智能制造的探索實(shí)踐,提出了以智能、精益、信息為核心的航天智能制造CAST-I3框架,對(duì)全三維研制、信息物理融合、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、智能裝備等智能制造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述,并對(duì)智能制造的典型實(shí)踐進(jìn)行了闡述,以期為加速航天器智能車(chē)間建設(shè)、提升我國(guó)航天器智能制造技術(shù)水平、強(qiáng)化航天工業(yè)基礎(chǔ)能力提供借鑒。
當(dāng)前,對(duì)智能制造存在很多種不同的認(rèn)識(shí),比如智能制造是實(shí)現(xiàn)黑燈工廠或無(wú)人工廠、智能制造是自動(dòng)化加信息化、智能制造是機(jī)器換人等,但智能制造的核心仍然是“制造”,其本質(zhì)上仍然是以企業(yè)經(jīng)營(yíng)全局及生產(chǎn)全過(guò)程的高效化為目標(biāo),以生產(chǎn)全流程整體智能優(yōu)化為特征的制造模式。智能制造在技術(shù)層面體現(xiàn)出的是面向產(chǎn)品全生命周期,在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)智能化、制造過(guò)程智能化和制造裝備智能化,是信息技術(shù)和智能技術(shù)與制造裝備的深度融合與集成。智能制造在整體制造解決方案的角度上,延續(xù)了信息技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和精益生產(chǎn)等先進(jìn)理念,使得整個(gè)制造模式能夠更適應(yīng)各類產(chǎn)品的特點(diǎn),同時(shí)在整體上表現(xiàn)出人與系統(tǒng)的自然交互,系統(tǒng)自身的自動(dòng)、自治、智能,也可以體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)“感知、分析、決策、執(zhí)行”的一體化。每一類產(chǎn)品的特點(diǎn)最終決定了其實(shí)現(xiàn)智能制造的技術(shù)內(nèi)涵??傮w上,智能制造從制造要素的角度上體現(xiàn)在制造過(guò)程的柔性化、制造裝備的智能化、加工工藝的優(yōu)化、管理的智能化、服務(wù)的敏捷化。智能制造從支撐技術(shù)上體現(xiàn)在信息物理融合技術(shù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、信息技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的綜合。智能制造從產(chǎn)品生命周期的角度體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)智能化、工藝設(shè)計(jì)智能化、生產(chǎn)過(guò)程智能化、檢驗(yàn)過(guò)程智能化、管理決策智能化。
CAST-I3是中國(guó)空間技術(shù)研究院航天器智能制造體系框架的總稱,CAST是指信息物理融合(CPS)、數(shù)據(jù)分析(Analytics)、智能化技術(shù)(Smart)、模式轉(zhuǎn)型(Transformation)四個(gè)主要方面,I3是指以精益化(IE)為目標(biāo)、以智能化(IM)為手段、以信息化(IT)為基礎(chǔ)。CAST-I3是融合航天器制造、數(shù)字化技術(shù)、智能化技術(shù)的特點(diǎn),以模式變革為導(dǎo)向,單元化、拉動(dòng)生產(chǎn)、定制分離、數(shù)字化與自動(dòng)化融合的,面向單件小批量、定制化生產(chǎn),面向航天器制造新模式的智能制造方案框架,是智能制造理念與宇航制造技術(shù)相融合的具體體現(xiàn)。
CAST-I3框架中,信息物理融合是連接物理世界和信息世界的關(guān)鍵技術(shù),是面向智能制造實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理的基礎(chǔ);工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)制造資源互聯(lián)互通的基礎(chǔ),將為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控智能化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐;工業(yè)大數(shù)據(jù)分析是智能化的核心技術(shù),是進(jìn)行產(chǎn)品制造過(guò)程精準(zhǔn)分析與決策的基礎(chǔ);智能化制造技術(shù)是智能制造的關(guān)鍵執(zhí)行技術(shù),包括各類智能化制造裝備,是智能制造模式中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)執(zhí)行的基礎(chǔ)。上述CAST-I3框架中的關(guān)鍵技術(shù),將共同支撐制造模式向智能化方向轉(zhuǎn)變,其主要目標(biāo)是推進(jìn)制造過(guò)程的智能化,推動(dòng)航天器智能生產(chǎn)、智能工廠的落地實(shí)現(xiàn),加快信息物理融合、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能裝備等相關(guān)軟硬件技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用,促進(jìn)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)控制,加快各類信息系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)航天器制造過(guò)程的智能管控。
CAST-I3框架的核心包括智能化、精益化、流程自動(dòng)化三個(gè)主要方面,在智能化方面,以數(shù)據(jù)為核心,基于智能感知、大數(shù)據(jù)分析、智能決策、智能機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)感知、決策、控制、執(zhí)行的閉環(huán);在精益化方面,基于人員、物料、設(shè)備、生產(chǎn)線的精益化管理,實(shí)現(xiàn)計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、行動(dòng)的閉環(huán);在流程自動(dòng)化方面,基于PDM、ERP、MES等信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、流程、組織、技術(shù)的閉環(huán)?;谏鲜龊诵?,促進(jìn)設(shè)計(jì)制造全過(guò)程的縱向協(xié)同優(yōu)化以及設(shè)計(jì)制造之間的橫向協(xié)同優(yōu)化,支撐造精品衛(wèi)星的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。
智能制造CAST-I3內(nèi)涵
智能制造CAST-I3框架
基于模型的全三維研制是打通智能制造全過(guò)程數(shù)據(jù)流的關(guān)鍵技術(shù),基于三維模型的設(shè)計(jì)和工藝作為驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)的依據(jù),被傳輸給各個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)、自動(dòng)化設(shè)備、操作者等角色,可以解決傳統(tǒng)二維研制不能直觀、有效地總結(jié)和表達(dá)研制經(jīng)驗(yàn)和方法的弊端。面向全三維研制的技術(shù)狀態(tài)管控、統(tǒng)一數(shù)據(jù)源、制造信息集成等是全三維研制過(guò)程中需要突破的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)?;谀P偷娜S制造帶來(lái)的是研制模式和研制流程的變革,基于三維模型,通過(guò)產(chǎn)品描述的數(shù)字化、過(guò)程管控的數(shù)字化、加工裝備的數(shù)字化,以“產(chǎn)品研制過(guò)程的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源與信息閉環(huán)”為核心,以“虛擬世界與物理世界的融合與統(tǒng)一”為目標(biāo),打通產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)、裝配、檢驗(yàn)、交付的全過(guò)程信息流,實(shí)現(xiàn)研制過(guò)程“所見(jiàn)即所得”,提升產(chǎn)品制造數(shù)字化、智能化程度,加速信息傳遞和閉環(huán)追溯,保證產(chǎn)品一次成功,提升產(chǎn)品研制效率。
基于模型的全三維研制特點(diǎn)
面向物理和虛擬工廠的信息物理融合
信息物理融合是連接物理世界和信息世界的關(guān)鍵技術(shù),其需要重點(diǎn)突破的問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全實(shí)物要素在虛擬層面的數(shù)字化、實(shí)時(shí)化、同步化,從而實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的全面同步映射。信息物理融合的主要對(duì)象是基于智能裝備的物理工廠和基于智能系統(tǒng)的虛擬工廠,面向智能制造的智能化裝備、智能化生產(chǎn)線、智能化車(chē)間、智能化企業(yè)四個(gè)層面,實(shí)現(xiàn)智能化硬件裝備與智能化軟件系統(tǒng)之間的信息動(dòng)態(tài)映射和有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程信息的多層次展示和監(jiān)控、異常數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)警、生產(chǎn)狀態(tài)評(píng)估和預(yù)測(cè)等,支撐航天器智能制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策以及精準(zhǔn)執(zhí)行,可進(jìn)一步提升航天器制造在過(guò)程管控、設(shè)備使用、物流配送等方面的效率,從而優(yōu)化制造資源配置,提升制造過(guò)程管控能力和制造效率,支撐航天器智能制造框架的落地實(shí)現(xiàn)。
面向航天器制造的工業(yè)大數(shù)據(jù)融合分析
基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能感知技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)航天器制造生產(chǎn)管控智能化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù),是實(shí)現(xiàn)智能化制造的基礎(chǔ)和前提。航天器具有單件小批量、種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),并且對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有著極高的要求,因此,為實(shí)現(xiàn)航天器制造過(guò)程管控的精準(zhǔn)化,需借助基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能感知技術(shù),對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量、過(guò)程質(zhì)量的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等狀態(tài)信息進(jìn)行有效的感知與監(jiān)控,并在此基礎(chǔ)上建立起面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的多源異構(gòu)制造數(shù)據(jù)的感知網(wǎng)絡(luò)。
實(shí)現(xiàn)面向智能制造的智能感知需要突破三類關(guān)鍵技術(shù),包括面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物狀態(tài)信息和位置信息采集的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員及零部件狀態(tài)信息采集的視頻網(wǎng)技術(shù)、面向智能裝備加工過(guò)程數(shù)據(jù)采集的工控網(wǎng)技術(shù),三種網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)調(diào),相互輔助,形成面向制造過(guò)程的智能感知網(wǎng)絡(luò),為企業(yè)上層管理決策提供原始的數(shù)據(jù)支持。
工業(yè)大數(shù)據(jù)融合分析是實(shí)現(xiàn)智能決策的關(guān)鍵支撐技術(shù),其中包括面向制造過(guò)程數(shù)據(jù)的時(shí)空建模、數(shù)據(jù)壓縮分類、模式識(shí)別和知識(shí)推理等需要重點(diǎn)突破的核心技術(shù)。在航天器制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),來(lái)源于設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、產(chǎn)品狀態(tài)、計(jì)劃執(zhí)行情況、生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)、人員狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等,這些既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)隨著制造系統(tǒng)的運(yùn)行形成了制造過(guò)程的大數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)面向航天器制造過(guò)程的工藝、裝備、質(zhì)量、管理等方面的持續(xù)優(yōu)化,需要對(duì)上述多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析,將數(shù)據(jù)按時(shí)間維度和空間維度,映射到制造過(guò)程數(shù)據(jù)時(shí)空模型上,以時(shí)間和空間為索引實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程數(shù)據(jù)的融合,在此基礎(chǔ)之上,對(duì)制造過(guò)程工業(yè)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲取單一數(shù)據(jù)源無(wú)法感知和反映的制造全過(guò)程狀態(tài),挖掘出加工過(guò)程中的多特征與多參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)面向航天器制造過(guò)程的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)融合分析,為加工工藝優(yōu)化、裝備利用率提升、生產(chǎn)計(jì)劃管理效率提升、生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題預(yù)警預(yù)報(bào)等提供大數(shù)據(jù)支撐。
智能可移動(dòng)加工機(jī)器人是智能制造技術(shù)的最終執(zhí)行主體,相關(guān)技術(shù)的突破需要重點(diǎn)開(kāi)展以下主要方向的研究工作:(1)構(gòu)建面向智能可移動(dòng)機(jī)器人的智能化工藝設(shè)計(jì)與仿真環(huán)境,實(shí)現(xiàn)以三維模型為輸入的快速高效結(jié)構(gòu)化智能工藝規(guī)劃和管理;(2)突破面向可移動(dòng)加工機(jī)器人的精確定位與補(bǔ)償技術(shù),解決由于機(jī)器人開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的定位精度較低的問(wèn)題;(3)突破人與機(jī)器人、機(jī)器人與機(jī)器人、其它設(shè)備與機(jī)器人之間的協(xié)同管控技術(shù),減少干涉和沖突,提升生產(chǎn)效率。
可移動(dòng)加工機(jī)器人智能加工技術(shù)主要根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)時(shí)間要求、機(jī)器人能力和加工工時(shí)等約束條件,結(jié)合精測(cè)得到的結(jié)果數(shù)據(jù),通過(guò)判斷工藝類型,提取和自動(dòng)校正工藝參數(shù),將任務(wù)分配給機(jī)器人。同時(shí),通過(guò)讀取路徑和節(jié)點(diǎn)信息、工藝加工參數(shù)、機(jī)器人種類和數(shù)量,生成機(jī)器人行駛的最優(yōu)路徑,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)路徑的智能規(guī)劃。
面向精益的生產(chǎn)線規(guī)劃優(yōu)化總體架構(gòu)
針對(duì)航天器研制面臨的多型號(hào)、多任務(wù)、多模式并存的情況,以精益生產(chǎn)為目標(biāo),持續(xù)深化單元模式的應(yīng)用,整合自動(dòng)化裝備,實(shí)現(xiàn)單元化與數(shù)字化的結(jié)合,形成了五項(xiàng)核心技術(shù):布局與物流規(guī)劃、系統(tǒng)建模與仿真、流程分析與優(yōu)化、績(jī)效度量與測(cè)評(píng)、現(xiàn)場(chǎng)管理與改善。生產(chǎn)線規(guī)劃和優(yōu)化全面采用了先進(jìn)制造建模仿真技術(shù),通過(guò)產(chǎn)品系列劃分、仿真框架設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、模型程序?qū)崿F(xiàn)、運(yùn)行規(guī)律分析等主要步驟,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品制造過(guò)程的仿真與驗(yàn)證,完成了對(duì)結(jié)構(gòu)板、精密機(jī)加、電裝、管路等一批生產(chǎn)線的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了在沒(méi)有大幅度增加制造資源投入的前提下,顯著提升了生產(chǎn)效率,典型產(chǎn)品的制造能力不斷提高,有效緩解了生產(chǎn)瓶頸,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量水平。
針對(duì)我國(guó)空間站結(jié)構(gòu)制造特點(diǎn)以及發(fā)展需求,結(jié)合智能制造的內(nèi)涵,進(jìn)行了智能制造系統(tǒng)的探索和研究,提出了空間站智能制造系統(tǒng)的基本構(gòu)成與建設(shè)思路。該智能制造系統(tǒng)主要由移動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人、移動(dòng)加工機(jī)器人及激光跟蹤儀等組成生產(chǎn)操作的執(zhí)行主體,在智能工藝的驅(qū)動(dòng)下,基于制造信息融合與分析系統(tǒng)、智能移動(dòng)裝備協(xié)同控制系統(tǒng)、智能倉(cāng)儲(chǔ)與物流系統(tǒng)、以及檢測(cè)和加工配套的編程、仿真和分析專業(yè)軟件,形成“檢測(cè)—判斷—執(zhí)行”的閉環(huán),并驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)車(chē)實(shí)現(xiàn)智能配送。
空間站結(jié)構(gòu)智能制造系統(tǒng)示意圖
面向科研生產(chǎn)的信息化建設(shè)體系
按照企業(yè)發(fā)展規(guī)劃及型號(hào)任務(wù)與綜合管理等方面的需求,持續(xù)開(kāi)展了面向科研生產(chǎn)的信息化建設(shè)工作,為數(shù)字化、智能化制造技術(shù)建立了良好基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)制造一體化方面,建立了適合機(jī)械加工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造PDM跨域集成環(huán)境。在應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)方面,建成了以AVIDM企業(yè)版為核心的信息化綜合支撐平臺(tái),并配置了MES系統(tǒng),建成了三維工藝設(shè)計(jì)制造的數(shù)字化環(huán)境,在數(shù)控加工技術(shù)方面,數(shù)控加工仿真等CAD/CAM先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用已具有較高水平,建成了制造資源管理系統(tǒng)。在綜合管控方面,建成了科研生產(chǎn)管控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了科研生產(chǎn)全過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匯總和分析。
面向航天器智能制造的發(fā)展需求,結(jié)合先進(jìn)的信息技術(shù),在信息物理融合、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、智能裝備協(xié)同等方面進(jìn)行了探索和應(yīng)用,建成了基于移動(dòng)終端的車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的制造資源監(jiān)控系統(tǒng)、基于圖像識(shí)別的人員狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、面向AGV的智能裝備協(xié)同系統(tǒng)等智能化信息系統(tǒng),為智能制造技術(shù)在航天器制造領(lǐng)域的落地奠定了良好的基礎(chǔ)。
為提升我國(guó)航天器制造領(lǐng)域整體競(jìng)爭(zhēng)力,保持可持續(xù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí),應(yīng)借鑒歐美制造強(qiáng)國(guó)提出的先進(jìn)制造發(fā)展戰(zhàn)略理念、目標(biāo)和制定的路線圖,緊密?chē)@中國(guó)航天發(fā)展戰(zhàn)略以及中國(guó)制造2025戰(zhàn)略,結(jié)合當(dāng)前我國(guó)航天器制造領(lǐng)域數(shù)字化、信息化、智能化工作基礎(chǔ),全面推進(jìn)航天領(lǐng)域信息技術(shù)與制造技術(shù)的融合發(fā)展,加強(qiáng)以航天器制造智能化為中心的關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)能力。
先進(jìn)傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)與制造技術(shù)相融合發(fā)展,是未來(lái)制造模式變革的基礎(chǔ)支撐,是智能制造實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。未來(lái)航天制造也必將向著智能化方向發(fā)展,借鑒互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù),構(gòu)建航天智能制造的云、管、端?!霸啤敝饕峭ㄟ^(guò)加強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè),完善基于互聯(lián)網(wǎng)的供應(yīng)鏈;“端”是指用戶的需求端,航天智能制造就是面向用戶,解決產(chǎn)品不斷采用新原理、新技術(shù)、新戰(zhàn)略、新集成的需求;“管”主要是面向航天產(chǎn)品研制過(guò)程,對(duì)于產(chǎn)品研制過(guò)程中不斷引進(jìn)的新設(shè)計(jì)、新工藝,采用工業(yè)工程專業(yè)方法和工具,優(yōu)化、完善研制流程,提升產(chǎn)品制造的數(shù)字化研制、精細(xì)化管理、自動(dòng)化裝備、單元化生產(chǎn)四項(xiàng)核心能力,推進(jìn)研制模式向拉式生產(chǎn)、精益化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變,向下支撐宇航制造產(chǎn)業(yè)鏈的完善與發(fā)展,向上滿足新原理、新技術(shù)、新戰(zhàn)略、新集成的需求。最終,支撐航天制造技術(shù)創(chuàng)新能力的進(jìn)一步提升,強(qiáng)化航天工業(yè)基礎(chǔ)能力建設(shè)。