智能制造在航空發(fā)動機企業(yè)的探索與實踐

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 孟震威 秦新冰

智能制造在航空發(fā)動機企業(yè)的探索與實踐

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 孟震威 秦新冰

本文通過對航空發(fā)動機產(chǎn)品研制的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展需求的深入分析，闡述了智能制造在航空發(fā)動機產(chǎn)品研制過程中的推進重點，解析了未來智能制造的必要性，對企業(yè)開展智能制造與航空發(fā)動機產(chǎn)品研制深度融合提出了建議。

一、引言

航空發(fā)動機作為飛機的心臟，被譽為“工業(yè)之花”，它直接影響飛機的性能、可靠性及經(jīng)濟性。航空發(fā)動機制造技術難度大、覆蓋面廣且聯(lián)帶效應強，對整個裝備制造業(yè)的發(fā)展起著引領的作用，在國民經(jīng)濟發(fā)展和科學技術進步中發(fā)揮著重要作用。因此，航空發(fā)動機制造是一項戰(zhàn)略性高科技產(chǎn)業(yè)，被公認為綜合國力的體現(xiàn)，代表著一個國家的整體工業(yè)水平，具有重要的戰(zhàn)略意義。

當前，制造業(yè)已成為世界發(fā)展的焦點，德國“工業(yè)4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和中國的“中國制造2025”無一不在眾人的矚目下如火如荼地進行著。在我國，《國務院關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中已明確將“智能制造裝備”列為高端制造裝備中的重點發(fā)展領域。同時，在《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》中，也明確將智能制造技術列為優(yōu)先發(fā)展主體，并于2012年發(fā)布《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》和《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》。中國科學院發(fā)布的《中國先進制造技術到2050年的發(fā)展路線圖》中指出，“基于泛在信息的智能制造”將會是先進制造技術兩大發(fā)展主流之一。智能制造引發(fā)新一輪制造業(yè)革命已初見端倪。

在航空發(fā)動機領域大力開展智能制造技術研究，在傳統(tǒng)制造技術基礎上發(fā)展先進制造技術，打造支撐現(xiàn)代制造業(yè)的骨架和核心，將成為提高設計、制造和管理水平，保障重點型號的研制，促進航空工業(yè)跨越式發(fā)展的必然選擇。以信息化帶動傳統(tǒng)制造業(yè)長足發(fā)展，以網(wǎng)絡化突破空間地域?qū)ζ髽I(yè)生產(chǎn)經(jīng)營范圍和方式的約束，實現(xiàn)企業(yè)間的協(xié)同和各種社會資源的共享與集成，將數(shù)字化制造技術滲透到產(chǎn)品研制的設計、制造、試驗和管理的全過程中，提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預，高效、高質(zhì)量和低成本地為市場提供所需的產(chǎn)品和服務。

二、航空發(fā)動機產(chǎn)品研制的發(fā)展現(xiàn)狀

航空發(fā)動機產(chǎn)品研制集成了大量的機電軟一體化關鍵工藝裝備，盡管多年來航空制造業(yè)已經(jīng)有了良好的基礎，但面對高科技和高投入的新型產(chǎn)品，仍顯得儲備不足?？焖傺兄颇芰Α⑴可a(chǎn)和變批量生產(chǎn)快速轉(zhuǎn)換能力薄弱，致使航空零件研制周期過長，難以滿足部隊更新武器裝備和發(fā)展民航運輸?shù)钠惹行枨蟆o論在單項專業(yè)技術還是綜合技術水平上，與世界發(fā)達國家相比還存在不小的差距。

1.缺失柔性

現(xiàn)有工廠各生產(chǎn)車間以常規(guī)工藝流程為生產(chǎn)綱領，廠房交叉布局，混線生產(chǎn)，無法融合數(shù)字化工藝裝備自動化、柔性化的優(yōu)勢。

2.缺失系統(tǒng)性

工廠長期受制于常規(guī)分階段、分工序的工藝設計理念，配套工藝裝備構(gòu)成以數(shù)控化為指導方針，缺乏系統(tǒng)性和合理性，使得零件計劃排產(chǎn)、生產(chǎn)組織混亂，整體技術水平不高。

3.缺失關聯(lián)性

工廠關鍵工藝裝備以保證關重件、關鍵工序技術指標要求和滿足保守交付能力為主導，缺失工藝過程、工藝裝備、生產(chǎn)節(jié)拍間的邏輯關聯(lián)性，造成零件精加工能力嚴重不足。

4.缺失共享性

工廠現(xiàn)有生產(chǎn)線組織管理環(huán)節(jié)冗長，部門之間缺少必要的信息共享、溝通與協(xié)同手段，各部門間重疊工作較多，工作效率低。

5.缺失統(tǒng)一性

由于個性化需求和習慣性思維的長期掣肘，工業(yè)軟件、工藝裝備以單一功能簡單應用或零散使用為主，工業(yè)軟件、工藝裝備均各自為政，難以實現(xiàn)從工藝路線規(guī)劃、工藝設計到加工生產(chǎn)、質(zhì)量檢測的系統(tǒng)集成。

6.缺失前瞻性前瞻性

技術發(fā)展相對滯后，技術儲備薄弱，無法支撐工廠智能制造的發(fā)展需求。

航空發(fā)動機行業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)體系大多處于三維設計、數(shù)字樣機、PLM和三維數(shù)字性能樣機綜合的工具層面的低階段應用，各應用間獨立開展工作，缺乏關聯(lián)和流程、過程與系統(tǒng)的整合不足，無法形成系統(tǒng)化、體系化的綜合能力。現(xiàn)有的研發(fā)生產(chǎn)體系構(gòu)架如維持現(xiàn)狀或在原有基礎上進行改造延續(xù)，將無法達到兩化融合和國家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，無法實現(xiàn)追趕制造業(yè)強國的目標。

三、航空發(fā)動機產(chǎn)品智能制造定位思考

近年來，在國家重點型號工程的支持下，企業(yè)在3D制造技術、虛擬加工技術和數(shù)字化工廠技術等方面開展了深入的研究，研制了技術產(chǎn)品、開發(fā)了應用平臺、研發(fā)了智能制造解決方案。一大批新產(chǎn)品、新工藝和新技術得到了應用，成效顯著。

產(chǎn)品復雜性和個性化程度在不斷加深，同時產(chǎn)品的自動化程度隨著開發(fā)周期的縮短和成本的壓力明顯增加，而且這一趨勢還將繼續(xù)下去，傳統(tǒng)單打獨斗式的生產(chǎn)模式逐漸被技術產(chǎn)業(yè)化聯(lián)盟所取代。為了在新一輪工業(yè)革命中占領先機，航空發(fā)動機的產(chǎn)品研制應以技術轉(zhuǎn)型升級為契機，在全面認知智能制造領域價值創(chuàng)造內(nèi)涵的基礎上，全新定位智能制造價值鏈和戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，目的是增強企業(yè)長期的產(chǎn)業(yè)化預測、評估和控制能力。

通過整合企業(yè)已有研發(fā)、制造、應用和保障等資源，全面進行戰(zhàn)略思維和全盤規(guī)劃，實現(xiàn)智能工廠技術和智能制造技術的高度融合、智能制造技術和數(shù)字化制造技術的高度融合，全面打通智能制造的技術瓶頸，形成整體優(yōu)勢能力，支撐核心技術的滾動式發(fā)展。

以智能制造在生產(chǎn)過程中的工程化應用為目標，重點關注智能化的生產(chǎn)技術和工業(yè)自動化控制技術，開發(fā)相應的生產(chǎn)管理系統(tǒng)和硬件設施，通過計算機網(wǎng)絡和智能生產(chǎn)中心對整個生產(chǎn)過程實行智能管理和控制，促進工業(yè)自動化控制的集群效應和良性發(fā)展。

促進航空發(fā)動機制造過程技術轉(zhuǎn)型。在核心工藝發(fā)展方面，從智能制造和智能應用兩個角度分析面向產(chǎn)業(yè)化的智能制造技術需求、發(fā)展現(xiàn)狀和現(xiàn)實挑戰(zhàn)，探討智能制造技術轉(zhuǎn)型的重點突破口。在支撐技術方面，開發(fā)加速產(chǎn)品制造過程、減少內(nèi)耗和資源浪費的技術及工具，開發(fā)面向制造的信息技術及面向制造的高效、可控的系統(tǒng)，研究可提高對新技術、新工藝及新材料應用響應速度的開放的、具有學習能力的生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)等。

啟動智能工廠建設項目。針對批產(chǎn)型號零件作為實施對象，在技術方面，全新規(guī)劃高可靠性的典型主導工藝，建立核心工藝、工業(yè)軟件和配套工藝裝備與零件加工過程之間的邏輯關系；在生產(chǎn)單元方面，分別針對不同類型零件特點，建設對應的對開、環(huán)形和焊接智能加工單元。通過融合信息化工程建設取得的成果，實現(xiàn)信息化和產(chǎn)業(yè)化的高度融合，重點解決零件生產(chǎn)準備周期長、加工過程失控的問題。

發(fā)展以智能工廠技術、工業(yè)軟件和工藝裝備三位一體的智能制造技術體系，著眼于智能制造工藝裝備，立足于智能制造總成配套能力、系統(tǒng)集成能力、技術研發(fā)能力和運行保障能力建設，構(gòu)建智能制造技術研發(fā)平臺，進一步推動企業(yè)智能化制造技術轉(zhuǎn)型的步伐。

提升智能制造保障能力。以數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化為驅(qū)動，帶動產(chǎn)品設計、制造工藝、工藝裝備及試驗保障等技術的全面協(xié)調(diào)發(fā)展，將航空產(chǎn)品的設計、制造、試驗和保障等全生命周期有機結(jié)合為一個整體。在制造階段，通過對制造過程的模擬和仿真，實現(xiàn)數(shù)字化全維度建模設計。根據(jù)設計模型和生產(chǎn)批量，協(xié)同安排制造規(guī)劃和工藝，形成全生產(chǎn)過程的數(shù)字化制造。采用模擬試驗與實物試驗結(jié)合的方法，提高航空產(chǎn)品的試驗效率，充分驗證航空產(chǎn)品的性能。在具備自主研發(fā)智能設備能力的基礎上，推動航空制造業(yè)數(shù)字化車間、工廠的建立，并構(gòu)建基于網(wǎng)絡的一體化制造和服務。

四、企業(yè)對智能制造探索與實踐

1.建設原則

在企業(yè)現(xiàn)行信息技術應用的基礎上，以業(yè)務發(fā)展需求為導向，遵循“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一組織、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一管理”，簡稱“五統(tǒng)一原則”。同時，在具體信息化建設上，重點強調(diào)如下原則。

（1）業(yè)務牽引，需求驅(qū)動。智能工廠建設將以工廠業(yè)務需求為發(fā)啟，通過工程化的推進管理模式，分階段推進智能工廠建設。在推進過程中，特別要重視需求調(diào)研和需求分析，只有完整準確的需求調(diào)研才能做好智能工廠建設。

（2）統(tǒng)籌規(guī)劃，突出重點。智能工廠建設涉及的業(yè)務面廣而復雜，而資源是有限的。在推進智能工廠建設過程中，需要在一定時期內(nèi)以有限的資源，根據(jù)統(tǒng)籌規(guī)劃和智能工廠規(guī)劃，確保以科研生產(chǎn)管理平臺為重點的管理信息化建設落實。

（3）注重協(xié)同，加強集成。在建設智能工廠前應該充分考慮各系統(tǒng)之間的集成，統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。同時在數(shù)據(jù)共享的情況下注重各部門各業(yè)務的協(xié)同以及與合作兄弟單位的協(xié)同。

（4）完善基礎，深化應用。在完善網(wǎng)絡與硬件基礎的同時，通過數(shù)據(jù)規(guī)范、標準配合、制度約束的方式構(gòu)建扎實的智能工廠數(shù)據(jù)基礎，并在此基礎上開展深化應用工作，分析評估基于智能工廠的科研生產(chǎn)管理，從而解決瓶頸問題、優(yōu)化流程。

2.技術方案

智能制造宏觀上可以分為兩條主線，一是以工藝為主線的工藝技術鏈；二是以運行為主線的加工技術鏈。需要解決底層理論基礎到頂層加工單元之間各個環(huán)節(jié)存在的技術問題，構(gòu)建產(chǎn)品全生命周期、企業(yè)全業(yè)務流程和產(chǎn)業(yè)全價值鏈的“三全”技術能力貨架，打通虛擬與現(xiàn)實技術融合的技術壁壘，圖1為智能制造方式定義示意圖，圖2為智能工廠體系架構(gòu)示意圖。

（1）智能工廠體系，包含智能工廠管理理念、組織模式、業(yè)務流程、標準及規(guī)范、技術與工具。

（2）虛擬工廠，涵蓋車間模擬，包含生產(chǎn)車間/生產(chǎn)線三維布局設計與優(yōu)化仿真、物流設計與優(yōu)化仿真。數(shù)字化制造，數(shù)字化工藝設計系統(tǒng)包含設計制造協(xié)同、結(jié)構(gòu)化三維零件工藝設計、結(jié)構(gòu)化裝配工藝。數(shù)字化工裝設計管理，包含工裝申請、設計、工藝與制造。數(shù)字化工藝仿真系統(tǒng)包含工廠布局及物流仿真、數(shù)控加工仿真驗證、產(chǎn)品運動仿真和機器人仿真。

圖2 智能工廠體系架構(gòu)

（3）虛實結(jié)合，包含虛擬試運行、生產(chǎn)系統(tǒng)遠程監(jiān)控、數(shù)字化車間制造執(zhí)行管理（機加車間MES、裝配車間MES和其他車間MES，其內(nèi)容包含制造數(shù)據(jù)管理、車間計劃排程、生產(chǎn)調(diào)度管理、物料跟蹤管理、工位管理、看板管理、制造資源管理、設備維護管理、車間質(zhì)量管理和數(shù)據(jù)采集）以及生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。

（4）實體工廠，構(gòu)建涵蓋自適應加工中心、運輸裝置、傳送帶、機器人（手）、料倉、刀庫、清洗烘干機和測量機及標印識別裝置等設備的數(shù)字化加工車間，實現(xiàn)航空發(fā)動機葉片類、機匣類零件，由毛坯狀態(tài)自動入線，進而智能加工制造為合格產(chǎn)品并自動出線。

3.工作重點

（1）遵循“改善已知+發(fā)明未知+需求驅(qū)動”的總體發(fā)展思路。著眼于智能制造工藝裝備，立足于智能制造總成配套能力、系統(tǒng)集成能力、技術研發(fā)能力和運行保障能力建設，發(fā)展集智能工廠技術、工業(yè)軟件和工藝裝備為一體的數(shù)字化制造技術體系。

（2）用好已有工業(yè)軟件工具、關鍵工藝裝備。充分利用企業(yè)現(xiàn)有制造資源，實現(xiàn)軟件工具使用效能最大化、工藝裝備利用效能最大化、型號研制技術風險最小化以及企業(yè)綜合制造能力最大化。

（3）變革研發(fā)模式，開發(fā)研發(fā)系統(tǒng)環(huán)境。預判研制過程，構(gòu)建虛擬加工平臺，研發(fā)實用化技術及工具；管控制造過程，建設智能化工廠、數(shù)字化車間、柔性制造單元生產(chǎn)模式。

（4）構(gòu)建綜合“工藝研發(fā)平臺+虛擬加工平臺+智能工廠”三位一體的數(shù)字化制造技術研發(fā)平臺。

4.建設內(nèi)容

數(shù)字化制造技術研發(fā)平臺作為企業(yè)實體研發(fā)機構(gòu)，遵循“前沿技術研究-關鍵技術突破-技術集成驗證-型號轉(zhuǎn)化應用”的總體研究思路，在頂層設計和統(tǒng)一規(guī)劃的基礎上，構(gòu)建工藝研發(fā)中心、虛擬加工仿真和智能工廠研發(fā)三大主體平臺，形成智能制造綜合維護保障條件。

（1）圍繞航空發(fā)動機制造體系發(fā)展規(guī)劃和型號研制需求，通過開展新材料、新技術、新工藝的預先研究和應用研究，開發(fā)多專業(yè)融合的工藝技術研發(fā)平臺，探索工藝研發(fā)中重點關注的技術研發(fā)能力和前沿制造技術能力。

（2）針對不同功能的需求，構(gòu)建以技術預先驗證理念為導向的虛擬加工平臺，在虛擬加工環(huán)境再現(xiàn)實際加工狀態(tài)和加工瓶頸問題，在實際加工之前進行工藝過程仿真、分析和優(yōu)化，預先發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，并解決問題。

（3）結(jié)合批產(chǎn)任務和研制能力綜合保障需求，從綜合提升企業(yè)核心能力入手，建設專業(yè)化的研發(fā)平臺，重點解決生產(chǎn)制造需解決的問題，產(chǎn)品研制需突破的瓶頸問題和未來發(fā)展需解決的技術儲備問題。

（4）建立企業(yè)級綜合管控模式，大力推進信息化與管理模式的融合互動，以管理信息化平臺固化、追蹤和顯性化管理模式的變革路徑，以管理模式的發(fā)展訴求促進信息化能力的不斷優(yōu)化與提升。實現(xiàn)資源和能力的整合協(xié)同、業(yè)務的快速發(fā)展以及商業(yè)模式的不斷優(yōu)化，最終帶動管理效能提升。

5.探索實踐

為實現(xiàn)智能制造探索實踐的目標，必須具備數(shù)字化車間、3D制造探索、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和高端數(shù)控設備應用。只有在具備上述應用基礎的前提下，才能更有效地開展智能制造探索工作，并有可能取得預期的建設效果。智能制造的探索涵蓋以下幾個方面內(nèi)容。

（1）在生產(chǎn)工藝準備階段，采用協(xié)同設計制造、三維工藝設計、3D制造和虛擬仿真技術，實現(xiàn)虛擬驗證與現(xiàn)實制造的相互驗證和迭代優(yōu)化。

（2）采用高端數(shù)控機床、工業(yè)機器人結(jié)合工業(yè)自動化手段等發(fā)展新的數(shù)字化生產(chǎn)線，提高制造過程的自動化和數(shù)字化水平。

（3）把傳感器、處理器和通訊模塊通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集成到加工單元中，實現(xiàn)產(chǎn)品制造過程和工廠運行管控過程的可追溯、可識別和可定位。

（4）構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的IT協(xié)同和自動化管控系統(tǒng)集成模式，實現(xiàn)航空發(fā)動機產(chǎn)品研制功能化自主設計，擺脫企業(yè)IT技術長期受制于人的尷尬局面。

典型零件智能制造從虛擬和現(xiàn)實兩個維度入手，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)關聯(lián)和集成，統(tǒng)籌安排協(xié)同設計制造、3D工藝準備、虛擬研發(fā)、數(shù)字化生產(chǎn)線、工業(yè)自動化控制、生產(chǎn)線運行維護與保障等六大關鍵領域。

第一個層次是智能制造的技術研發(fā)、先進制造技術應用和預先技術驗證，并作為智能制造的技術和資源支撐平臺，涉及協(xié)同設計制造、3D工藝準備和數(shù)字化仿真等三個關鍵領域，關注航空發(fā)動機產(chǎn)品智能制造研發(fā)自身技術的研究和積累，目的是夯實智能制造技術基礎。

第二個層次是智能制造在航空發(fā)動機產(chǎn)品中的具體實際應用，將數(shù)字化生產(chǎn)線作為智能制造的應用環(huán)境，涉及智能工廠、工業(yè)自動化控制和生產(chǎn)線運行與保障等三個關鍵領域，關注大數(shù)據(jù)處理、知識工程，以及生產(chǎn)線運行維護及保障等智能制造核心技術的產(chǎn)業(yè)化應用，目的是夯實工業(yè)基礎，提高航空發(fā)動機產(chǎn)品整體制造能力。

五、經(jīng)驗與啟示

企業(yè)智能制造的推進并不僅僅是獨立的信息技術工作，更重要的是涉及到策略、組織、流程和人員等諸多方面。為保證系統(tǒng)的順利實施和上線后的成功應用，在推進實施工作中著重關注如下方面。

（1）無論工業(yè)技術基礎多么雄厚、研制經(jīng)驗多豐富或管理水平多先進，融合工業(yè)4.0理念的航空發(fā)動機產(chǎn)品研制過程難免會出現(xiàn)這樣或那樣的問題，企業(yè)應該做好打一場攻堅戰(zhàn)的準備。既要多快好省，選擇經(jīng)過驗證的成熟的工業(yè)軟件、工藝裝備來建設數(shù)字化生產(chǎn)線，又要精準穩(wěn)狠，發(fā)展適合企業(yè)智能制造的生產(chǎn)方式和管控模式，為深度融合工業(yè)4.0理念提供和創(chuàng)造一個寬松而有利的條件。

（2）堅持“整體規(guī)劃、分步實施”。從企業(yè)整體層面通盤考慮，對智能工廠進行整體規(guī)劃，理清各子系統(tǒng)所支持的業(yè)務范圍和彼此間的邊界，定義子系統(tǒng)建設的范圍，依據(jù)需求的緊迫程度和資金預算的要求，分步建設實施。

（3）著重考慮“先試點，后推廣”。對涉及企業(yè)全局或多個業(yè)務單元、部門的系統(tǒng)，從控制風險的角度考慮先選擇少量業(yè)務單元進行試點，取得成功或積累相關經(jīng)驗后再推廣到其它業(yè)務單元或部門。

（4）充分調(diào)動各方積極參與系統(tǒng)建設。系統(tǒng)的成功實施和運行需要得到領導、業(yè)務單元和部門負責人、業(yè)務人員、IT人員等多方的指導、參與、支持和配合，積極調(diào)動各方，通過采用恰當?shù)慕M織分析、定義溝通流程、計劃和工具，加大組織中的變更推動力。充分發(fā)揮公司員工熟悉本公司實際業(yè)務的優(yōu)勢，并逐步培養(yǎng)其在數(shù)字化環(huán)境下開展各業(yè)務活動的能力，并在項目實施過程中，充分吸收公司員工參與。

（5）作為產(chǎn)品技術依托企業(yè)，應充分發(fā)揮自身擁有的產(chǎn)品配套、技術總成及共享資源等本源優(yōu)勢，發(fā)展新的合作方式勢在必行。因此，以企業(yè)為主體打造新的泛產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟應運而生，目的是發(fā)揮聯(lián)合研發(fā)優(yōu)勢，互通有無、利益共享、資源共享和成果共享，服務于軍工、服務于社會。

（6）項目保證穩(wěn)定投資，?？顚Ｓ?。智能工廠的建設周期長投資較為密集，因此需要資金投入的保障，實現(xiàn)?？顚Ｓ?，才能確保達成建設目標。

六、結(jié)語

新一輪工業(yè)革命的導火索源自于西方發(fā)達國家的利益驅(qū)使，作為技術、工業(yè)軟件、工藝裝備的領先者，標準和規(guī)則的制定者，新一輪工業(yè)革命勢必成為發(fā)達國家的重要發(fā)展戰(zhàn)略。歷次工業(yè)革命的警示告訴我們，在這種機遇與挑戰(zhàn)并存的背景下，航空制造業(yè)只有順應時代發(fā)展新趨勢，大力發(fā)展并推進智能制造的產(chǎn)業(yè)化，才能幫助企業(yè)完成轉(zhuǎn)型進化，最終實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)“中國制造”向“中國智造”的躍升。