面向智能制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)研究

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 亢亞敏 秦新冰 汪九佳

面向智能制造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)研究

中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司 亢亞敏 秦新冰 汪九佳

借鑒國(guó)內(nèi)外制造企業(yè)智能制造實(shí)施的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)搭建數(shù)字化生產(chǎn)線，研究利用數(shù)字化、智能化技術(shù)提升生產(chǎn)管理能力。數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)實(shí)現(xiàn)全方位、高效率和穿透式管理的重要信息化手段，涵蓋了數(shù)字化工廠總體框架、數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)，以及面向智能化的關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)研究等。通過(guò)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化深度融合，使工程信息化技術(shù)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程和產(chǎn)業(yè)模式變革。本文將重點(diǎn)闡述該面向智能制造的數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)總體架構(gòu)及建設(shè)內(nèi)容。

一、引言

隨著中國(guó)制造2025的提出以及智能制造專(zhuān)項(xiàng)的推進(jìn)，航空制造企業(yè)必須認(rèn)清數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的發(fā)展方向。

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，是具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。加快發(fā)展智能制造，是培育我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)新動(dòng)能的必由之路，是搶占未來(lái)經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)的戰(zhàn)略選擇，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，打造我國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)具有重要戰(zhàn)略意義。智能化是指延展人類(lèi)認(rèn)知過(guò)程和機(jī)器動(dòng)力控制系統(tǒng)的自主化能力，基于賽博物理系統(tǒng)（CPS）實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的感知、處理、決策和反饋，提升設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)和管理等業(yè)務(wù)過(guò)程的自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自?xún)?yōu)化能力。

作為數(shù)字化與智能化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字化生產(chǎn)線是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應(yīng)用體現(xiàn)，也是實(shí)現(xiàn)智能制造的必經(jīng)之路。數(shù)字化生產(chǎn)線借助于信息化和數(shù)字化技術(shù)，通過(guò)集成、仿真、分析和控制等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造工廠的生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行全面管控。面向智能制造的數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)從信息化建設(shè)向數(shù)字化工廠邁進(jìn)的重大措施。建立基于智能制造技術(shù)的數(shù)字化制造平臺(tái)，支持型號(hào)的研制與生產(chǎn)，為企業(yè)智能制造進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，最終全面提升企業(yè)的制造能力與科學(xué)管理水平。

二、數(shù)字化工廠框架

數(shù)字化工廠是指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品全生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。數(shù)字化工廠是現(xiàn)代數(shù)字化制造技術(shù)與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)具有鮮明的特征，主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的橋梁。數(shù)字化生產(chǎn)線的建設(shè)需要采用先進(jìn)的生產(chǎn)管理模式，并結(jié)合公司自身的生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行突破和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的敏捷制造、準(zhǔn)時(shí)交貨、精益高效和質(zhì)量至上目標(biāo)?；跀?shù)字化工廠的遠(yuǎn)景，數(shù)字化工廠的總體框架參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISA-95對(duì)企業(yè)架構(gòu)層級(jí)定義，全面構(gòu)建各個(gè)層級(jí)的能力，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化工廠的ISA-95層級(jí)

現(xiàn)場(chǎng)層主要是生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備、工裝、工具、測(cè)量?jī)x器和物流設(shè)施等各方面的內(nèi)容。控制層主要是接收操作層的指令，來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)層的各種硬件的自動(dòng)化控制和驅(qū)動(dòng)，確保其準(zhǔn)確執(zhí)行。操作層主要是執(zhí)行和發(fā)布各種生產(chǎn)指令，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、設(shè)備和測(cè)量?jī)x器等各種數(shù)據(jù)的傳遞和采集。管理層主要是車(chē)間層面的監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)訂單、在制品、質(zhì)量、設(shè)備利用率、工裝、刀具和物料等全方位管控。企業(yè)層主要是產(chǎn)品研發(fā)PLM和企業(yè)管理ERP層面。尤其是應(yīng)用PLM中的數(shù)字化制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工廠的數(shù)字化建模和仿真分析，并基于虛擬工廠展現(xiàn)和操控生產(chǎn)，為數(shù)字化工廠奠定基礎(chǔ)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和操作層這三個(gè)層級(jí)需要全面采用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)其統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)，并最終與管理層和企業(yè)層的局域網(wǎng)貫通，為網(wǎng)絡(luò)化工廠奠定基礎(chǔ)。

三、數(shù)字化生產(chǎn)線信息系統(tǒng)框架

數(shù)字化工廠是全部產(chǎn)品制造人員的日常工作平臺(tái)，是開(kāi)展智能制造工作的基礎(chǔ)。該平臺(tái)連接虛擬工廠與實(shí)物自動(dòng)化工廠（虛擬的產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)、生產(chǎn)指令數(shù)據(jù)和實(shí)物的產(chǎn)品全面貫通），制造工程師在虛擬工廠中開(kāi)展工藝/工廠的設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化，同時(shí)監(jiān)控和操控著由眾多賽博物理系統(tǒng)（CPS）構(gòu)成的實(shí)物工廠/生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的綠色制造。

把基于數(shù)字化工廠的五個(gè)層級(jí)的全面建設(shè)分解到數(shù)字化和信息化的視角，主要模塊有數(shù)字化工廠體系建設(shè)、數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)管理和數(shù)字化制造執(zhí)行及系統(tǒng)集成等。實(shí)施數(shù)字化系統(tǒng)的目的在于利用先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)，打造具有工廠自身特色的數(shù)字化制造平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工廠的生產(chǎn)、技術(shù)、質(zhì)量和經(jīng)營(yíng)等業(yè)務(wù)的全面信息化管理，并給管理人員及領(lǐng)導(dǎo)提供決策支持。

四、數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)內(nèi)容

1.數(shù)字化工廠體系建設(shè)

數(shù)字化工廠生產(chǎn)管理模式的建設(shè)目標(biāo)是快速響應(yīng)、準(zhǔn)時(shí)交貨、精益高效和質(zhì)量至上。其中，快速響應(yīng)要求智能工廠能夠敏捷響應(yīng)市場(chǎng)需求的多樣性變化，具有支持多品種、小批量生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整能力。準(zhǔn)時(shí)交貨則要求智能工廠能夠有效縮短產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)周期，做到按照用戶(hù)要求的交貨期保質(zhì)保量完成任務(wù)。精益高效代表智能工廠追求精益的生產(chǎn)效率和管理能力，通過(guò)精細(xì)化管理以最小的投入達(dá)到最大的產(chǎn)出。質(zhì)量至上則要求智能工廠通過(guò)全過(guò)程在線質(zhì)量監(jiān)控及“六西格瑪”質(zhì)量管理，實(shí)現(xiàn)一次性成功投產(chǎn)并滿(mǎn)足用戶(hù)的質(zhì)量要求。智能工廠的建設(shè)需要采用先進(jìn)的生產(chǎn)管理模式，并結(jié)合公司自身的生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行突破和創(chuàng)新。

2.數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)管理

（1）設(shè)計(jì)制造協(xié)同。設(shè)計(jì)制造協(xié)同以型號(hào)任務(wù)需求為牽引，以型號(hào)研制體制創(chuàng)新、機(jī)制創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)型號(hào)設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)保障過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位與制造單位的緊密協(xié)同和數(shù)據(jù)共享，打造貫通設(shè)計(jì)制造全過(guò)程的信息鏈，在各個(gè)階段的各種信息能夠被準(zhǔn)確地定義到以模型為核心的技術(shù)數(shù)據(jù)包中，并始終保持上游的技術(shù)數(shù)據(jù)包能夠被下游直接重用，一直拓展到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或維修現(xiàn)場(chǎng)，從而提高型號(hào)質(zhì)量管理體系的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制全過(guò)程技術(shù)狀態(tài)的有效管理與控制，不斷提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)和協(xié)同能力，增強(qiáng)型號(hào)自主創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展能力。

（2）基于MBD可視化工藝設(shè)計(jì)?；贛BD的工藝設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)的工藝規(guī)程設(shè)計(jì)方式方法。傳統(tǒng)的工藝規(guī)程設(shè)計(jì)，直接在工藝卡片中完成，工藝員手工填寫(xiě)所需的設(shè)備、工裝和工具，手工填寫(xiě)工藝內(nèi)容，手工添加工藝簡(jiǎn)圖?；贛BD的工藝設(shè)計(jì)，要求各種資源的填寫(xiě)、工藝內(nèi)容的編制及工藝簡(jiǎn)圖的設(shè)計(jì)完全基于三維模型，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化和可視化的工藝輸出，其中工序模型基于PMI的智能數(shù)控編程和檢測(cè)編程，以及模板化工裝設(shè)計(jì)和管理。甚至實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)卡基于MBD模型PMI的自動(dòng)生成能力。完全滿(mǎn)足了工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的需要。在數(shù)字化工藝平臺(tái)中的工藝、工序?qū)ο笊蟿?chuàng)建NX數(shù)據(jù)集。進(jìn)入NX中通過(guò)WAVE Link功能關(guān)聯(lián)引用設(shè)計(jì)模型或其他工序模型，通過(guò)NX同步建模功能對(duì)模型直接修改，比如增加加工余量、刪除加工孔或槽等，方便快捷地建立工序模型。在NX中通過(guò)PMI功能進(jìn)行3D制造信息標(biāo)注，比如尺寸公差要求、加工區(qū)域標(biāo)識(shí)、操作說(shuō)明和檢驗(yàn)要求等。需要展示內(nèi)部細(xì)節(jié)時(shí)，可通過(guò)PMI剖視圖展示。復(fù)雜工序可根據(jù)表達(dá)需要增加標(biāo)注視圖。對(duì)于熱工藝，表現(xiàn)形式可根據(jù)加工特點(diǎn)作相應(yīng)調(diào)整，一般情況下形狀變化不多，尺寸公差信息較少，工藝參數(shù)較多。

（3）數(shù)字化快速工裝設(shè)計(jì)。基于智能工廠實(shí)現(xiàn)三維工裝設(shè)計(jì)與管理，將模塊化設(shè)計(jì)的理念應(yīng)用到工裝設(shè)計(jì)中。通過(guò)對(duì)工裝的模塊化分類(lèi)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累和重用，促進(jìn)工裝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)?；谌S工序模型/零件模型設(shè)計(jì)工裝，相比二維設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)結(jié)果更容易被重用到數(shù)控仿真、檢測(cè)仿真和生產(chǎn)線仿真等環(huán)節(jié)。通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)重用及設(shè)計(jì)的智能和自動(dòng)化，形成工裝設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累與重用的機(jī)制，不斷豐富和完善工裝設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，促進(jìn)技術(shù)人員設(shè)計(jì)水平的提高。同時(shí)，將部分工裝設(shè)計(jì)知識(shí)通過(guò)NX軟件二次開(kāi)發(fā)的形式置入NX軟件應(yīng)用系統(tǒng)，提高工裝創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

3.數(shù)字化制造系統(tǒng)管理

智能化的生產(chǎn)計(jì)劃管理，包括訂單的創(chuàng)建和維護(hù)、生產(chǎn)批次管理、生產(chǎn)派工、工程變更管理、生產(chǎn)插單和訂單進(jìn)度跟蹤等業(yè)務(wù)活動(dòng)。實(shí)時(shí)分析生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)進(jìn)度的匹配情況，并在異常情況發(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。

智能化的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理，包括物料控制，電子看板功能和產(chǎn)品追溯的管理。通過(guò)物料控制將投料環(huán)節(jié)、零件加工環(huán)節(jié)和產(chǎn)品交付環(huán)節(jié)綜合管控，并對(duì)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)和分析。

智能化的在制品管理。通過(guò)條碼技術(shù)在毛坯進(jìn)入工段到產(chǎn)品交付的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)在制品的流轉(zhuǎn)行為進(jìn)行智能化監(jiān)控和記錄。實(shí)時(shí)查看在制品的位置、數(shù)量和狀態(tài)信息，提供統(tǒng)計(jì)分析功能，對(duì)在制品的種類(lèi)、數(shù)量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方便在制品的隨時(shí)清點(diǎn)和臺(tái)帳的查看，并根據(jù)在制品實(shí)時(shí)情況提供智能決策建議，提高產(chǎn)品的可控能力。

智能化的制造資源管理。通過(guò)建立統(tǒng)一的資源庫(kù)，對(duì)工裝、刀具等資源信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括資源的維護(hù)保養(yǎng)、借用和維修等信息。采用條碼技術(shù)對(duì)制造資源進(jìn)行標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)刀具、工裝等制造資源的出入庫(kù)管理，并實(shí)時(shí)記錄刀具工裝的報(bào)損信息和盤(pán)點(diǎn)記錄。制造資源出現(xiàn)短缺或非正常損耗時(shí)能夠做出自動(dòng)提醒和建議。

4.PDM/ERP/MES與生產(chǎn)線系統(tǒng)集成

通過(guò)生產(chǎn)線集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線控制單元、加工單元、輔助加工單元、質(zhì)量檢測(cè)單元和中央刀庫(kù)等設(shè)備之間的物理連接，構(gòu)建可支撐整條生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)資料物流系統(tǒng)和信息傳輸系統(tǒng)，同時(shí)與公司級(jí)的PDM系統(tǒng)、ERP等系統(tǒng)進(jìn)行集成。

五、結(jié)語(yǔ)

以智能制造為核心的“工業(yè)4.0”，強(qiáng)調(diào)賽博物理融合（CPS），認(rèn)為虛擬與物理是一對(duì)“雙胞胎”，以數(shù)字驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化系統(tǒng)理念與“工業(yè)4.0”一致。所有的管理要素必須被數(shù)字化準(zhǔn)確定義，通過(guò)數(shù)字化系統(tǒng)有效地控制實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，為后續(xù)企業(yè)智能制造提供了支撐。數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)完成后，可有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)和生產(chǎn)能力，提高產(chǎn)品的制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，縮短產(chǎn)品制造周期，促進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)在型號(hào)研制各環(huán)節(jié)中的推廣應(yīng)用，從而帶動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新、制造方法與制造工具的創(chuàng)新、型號(hào)管理模式的創(chuàng)新以及單位間協(xié)作關(guān)系的創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)研制模式向先進(jìn)的數(shù)字化研制模式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制基于智能工廠的協(xié)同數(shù)字化、工藝數(shù)字化、制造數(shù)字化以及經(jīng)營(yíng)管理數(shù)字化。為全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造和管理的信息化、生產(chǎn)過(guò)程控制的智能化以及協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)化奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力的提升。