航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)探索與推廣應(yīng)用

“工業(yè)4.0”提出通過(guò)建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式，使德國(guó)成為新一代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的供應(yīng)國(guó)和主導(dǎo)市場(chǎng)，提升其全球競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]；《中國(guó)制造2025》旨在實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展，改變我國(guó)制造業(yè)“大而不強(qiáng)”的局面[3-4]。通過(guò)深入實(shí)施《中國(guó)制造2025》，推進(jìn)軍民深度融合，走出一條成功的軍民融合之路。世界各國(guó)在制造業(yè)領(lǐng)域采取的一系列措施均表明以智能制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)是未來(lái)的必然發(fā)展方向，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)軍民融合的重要手段[5-6]。

一、航天器大型構(gòu)件產(chǎn)品智能制造需求

目前，航天器大型構(gòu)件制造中的主要技術(shù)瓶頸可歸納如下[7-8]。

1）大構(gòu)件產(chǎn)品的制造超出現(xiàn)有加工設(shè)備的能力范圍。航天器艙體構(gòu)件尺寸大、重量大、轉(zhuǎn)運(yùn)困難，艙體焊接、組合加工等超過(guò)現(xiàn)有加工技術(shù)能力，制造瓶頸日益突出，迫切需要獨(dú)立的、柔性化高智能加工裝備。

2）航天器產(chǎn)品制造過(guò)程復(fù)雜、工序繁多、任務(wù)繁重，周期性要求緊。航天器大型艙體產(chǎn)品構(gòu)件復(fù)雜、種類(lèi)繁多，且具有較差的繼承性。隨著我國(guó)航天器產(chǎn)品需求量攀升，造成了航天器制造業(yè)研制任務(wù)大幅增加的局面，迫使裝備的研制周期大為縮短。

3）大構(gòu)件產(chǎn)品制造過(guò)程柔性、自動(dòng)化水平需要提升。鑒于艙體大尺寸構(gòu)件特性，其研制過(guò)程多為人工參與，易造成裝備的一致性差、品質(zhì)不穩(wěn)定。同時(shí)，多環(huán)節(jié)裝配過(guò)程對(duì)工人技能依賴(lài)大，人力占用多，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)能不足。因此，需要高度自動(dòng)化、智能化的裝備提升產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及生產(chǎn)效率。

4）生產(chǎn)過(guò)程多變，生產(chǎn)管控難度大，數(shù)據(jù)采集的完整性和及時(shí)性要求高。生產(chǎn)過(guò)程中大量存在設(shè)計(jì)更改、工藝變更、計(jì)劃調(diào)整等現(xiàn)象，且零件種類(lèi)眾多，產(chǎn)品加工工藝路線不同，制造周期長(zhǎng)短不一，管控難度大。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物與數(shù)據(jù)信息缺乏有機(jī)關(guān)聯(lián)，難以及時(shí)形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)包。

5）車(chē)間物料齊套及時(shí)性要求高。單元化生產(chǎn)模式導(dǎo)致工序轉(zhuǎn)運(yùn)距離長(zhǎng)，對(duì)物料及時(shí)齊套要求高，以滿(mǎn)足車(chē)間任務(wù)功能多樣化、多型號(hào)并行、研制周期短等要求。

大型構(gòu)件的民用產(chǎn)品有很多，如高鐵大型構(gòu)件、船舶大型構(gòu)件等，它們的智能制造需求同航天器大型構(gòu)件類(lèi)似，探討航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，促進(jìn)相應(yīng)的技術(shù)方法和軟硬件系統(tǒng)的形成，對(duì)軍用技術(shù)向民用領(lǐng)域推廣具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

二、航天器大型構(gòu)件智能制造探索與實(shí)踐

智能制造是制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的交叉融合，面向產(chǎn)品全生命周期具有信息動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)優(yōu)化分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行控制的功能，旨在高效、優(yōu)質(zhì)、清潔、安全地制造產(chǎn)品、服務(wù)用戶(hù)的制造模式。利用多種傳感系統(tǒng)獲取制造過(guò)程中實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)；通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的實(shí)時(shí)傳遞、存儲(chǔ)和分析；根據(jù)分析的結(jié)果，按照設(shè)定的規(guī)則或積累的知識(shí)通過(guò)人工智能方法做出判斷和決策；最后，再將結(jié)果反饋到制造過(guò)程，完成精確調(diào)整和處理。圍繞智能制造的感知、決策、控制及執(zhí)行一體化特征，結(jié)合航天器大型構(gòu)件體制造特點(diǎn)及技術(shù)瓶頸，以航天器大型構(gòu)件制造數(shù)據(jù)服務(wù)為中心，重點(diǎn)從制造裝備智能、車(chē)間物流智能、生產(chǎn)管控智能、工藝設(shè)計(jì)智能等方面突破智能制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，建設(shè)一條管控全面信息化、物流配送精準(zhǔn)化、作業(yè)高度自動(dòng)化、決策智能化的制造脈動(dòng)生產(chǎn)線。如圖l所示為航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)體系框架。

1.智能工藝設(shè)計(jì)

基于MBD模型打通全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的信息流，構(gòu)建工藝設(shè)計(jì)智能化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)與工藝仿真應(yīng)用的深入融合，從模型引入、工藝資源匹配、工藝智能決策、工藝資料數(shù)字化傳遞到加工及檢測(cè)結(jié)果反饋的全過(guò)程智能化管控。

如圖2所示為航天器大型構(gòu)件智能工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)。通過(guò)模型智能比對(duì)工具，輔助設(shè)計(jì)與制造雙方的會(huì)簽協(xié)同，提高模型檢查效率。重點(diǎn)服務(wù)于面向車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)智能裝備的構(gòu)件化智能工藝規(guī)劃和管理。既有的模型實(shí)例及與模型相配套的工藝實(shí)例被作為知識(shí)存儲(chǔ)與維護(hù)在工藝規(guī)劃系統(tǒng)內(nèi)。利用航天典型產(chǎn)品的相對(duì)相似性與穩(wěn)定性，通過(guò)檢索參數(shù)、特征或幾何構(gòu)件等信息，關(guān)聯(lián)查詢(xún)到可復(fù)用的工藝文件，在此工藝文件的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整，以滿(mǎn)足新模型的工藝設(shè)計(jì)需求。在編制工藝過(guò)程中，支持關(guān)聯(lián)產(chǎn)品、資源、工廠研制能力等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝數(shù)據(jù)的權(quán)限、版本、配置及流程管理，利用現(xiàn)有典型工藝、工序、工步等標(biāo)準(zhǔn)化模板知識(shí)，提高工藝編制效率。最終，實(shí)現(xiàn)面向智能裝備的工藝信息輸出，為智能裝備的運(yùn)行提供技術(shù)支持。構(gòu)建基于三維環(huán)境構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，為加工仿真、裝配仿真、數(shù)字工裝、工廠布局仿真優(yōu)化提供了技術(shù)保障；實(shí)現(xiàn)工藝的智能化工裝協(xié)同設(shè)計(jì)，提高工裝設(shè)計(jì)效率和重用率。

圖1 航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)體系框架

圖2 航天器大型構(gòu)件智能工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)

2.智能生產(chǎn)管控

以數(shù)字化生產(chǎn)管理體系為支撐，研究數(shù)字化車(chē)間智能管控技術(shù)。通過(guò)考慮航天器大型構(gòu)件智能數(shù)字化車(chē)間設(shè)備能力，以主生產(chǎn)流程模型為驅(qū)動(dòng)，以多源信息感知網(wǎng)絡(luò)采集的過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為輸入，并實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時(shí)監(jiān)控，研究多品種生產(chǎn)作業(yè)，多因素?cái)_動(dòng)背景下的智能排產(chǎn)與優(yōu)化調(diào)度，以高效運(yùn)轉(zhuǎn)等相關(guān)性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，得到航天器大型構(gòu)件智能數(shù)字化車(chē)間完整高效的運(yùn)轉(zhuǎn)方案，并實(shí)現(xiàn)虛擬化仿真驗(yàn)證。如圖3所示為智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)功能構(gòu)件圖。

為提高制造周期，研究以計(jì)劃驅(qū)動(dòng)的物資配送技術(shù)、精細(xì)化管控技術(shù)、數(shù)字化標(biāo)識(shí)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)物料快速定位及追蹤，縮短物料準(zhǔn)備周期，降低運(yùn)輸和管理成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)從宏觀到微觀、從整體到細(xì)節(jié)、宏觀微觀結(jié)合的型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)度監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，大幅度縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，還能夠基于條碼或無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品、物料、托盤(pán)和包裝箱等車(chē)間生產(chǎn)要素的數(shù)字化標(biāo)識(shí)、快速定位和信息查詢(xún)。

圖3 智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)功能構(gòu)件圖

3.智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)

如圖4所示為航天器大型構(gòu)件智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)。物流管理信息系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)物料信息的實(shí)時(shí)同步與自動(dòng)配送實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)物料需求的及時(shí)響應(yīng)，通過(guò)生產(chǎn)物流運(yùn)行與生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度的協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)物流的智能管理；物料數(shù)據(jù)智能感知是采用條碼/RFID等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在庫(kù)數(shù)據(jù)的快速采集，在途位置的動(dòng)態(tài)跟蹤，在用信息的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)物料在庫(kù)、在途、在用各環(huán)節(jié)信息的及時(shí)采集和精細(xì)化管理；物流信息智能處理是根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃與物料消耗自主生成物料需求，對(duì)物料需求的到達(dá)時(shí)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度形成配送指令，對(duì)到達(dá)工位的物料種類(lèi)、狀態(tài)、數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)核對(duì)，對(duì)工位物料消耗進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)控，對(duì)缺料、故障等情況進(jìn)行及時(shí)提示和預(yù)警；物流過(guò)程智能執(zhí)行是采用堆垛機(jī)高層貨架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)盤(pán)庫(kù)，根據(jù)物料上嵌入的條碼或者RFID芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)物料出入庫(kù)信息的快速處理，采用智能平臺(tái)車(chē)作為搬運(yùn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)運(yùn)送過(guò)程的自動(dòng)導(dǎo)航和隨時(shí)追蹤等。

4.智能制造裝備

智能制造裝備是工業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)“兩化深度融合”的載體，依據(jù)航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)需求，研發(fā)具有感知、決策、控制、執(zhí)行一體化功能的制造裝備，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)與智能技術(shù)的集成與深度融合。

為提高航天器大型構(gòu)件裝配調(diào)試工作效率和裝配精度，通過(guò)研究多軸伺服電機(jī)控制技術(shù)、雙車(chē)拼接聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)、基于視覺(jué)的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)、超聲避障技術(shù)、獨(dú)立懸掛減振技術(shù)和大承載全向輪設(shè)計(jì)技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)高端智能載荷平臺(tái)車(chē)（如圖5a所示）。并設(shè)計(jì)多樣式的升降模塊、多自由度姿態(tài)調(diào)整模塊、高精度導(dǎo)航定位模塊，以支持多樣化產(chǎn)品制造需求。結(jié)合串并聯(lián)式機(jī)器人，構(gòu)建全向智能移動(dòng)機(jī)器人（如圖5b所示），融合數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、智能控制技術(shù)及數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航天器大型構(gòu)件的支架安裝面和安裝孔組合加工及輻射器焊接等操作。通過(guò)對(duì)機(jī)床切削力、振動(dòng)、溫度等信號(hào)進(jìn)行分析，建立信號(hào)特征量變化與航天器大型構(gòu)件損耗之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床故障的預(yù)警與診斷，并提供智能化的維修方案與維修計(jì)劃。

圖4 航天器大型構(gòu)件智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)

三、大型構(gòu)件智能制造技術(shù)推廣應(yīng)用

以航天器大型構(gòu)件為研究對(duì)象所形成的智能制造技術(shù)成果，可進(jìn)行一系列的功能擴(kuò)展，應(yīng)用于不同的民用產(chǎn)品。

1） 參照航天器大型構(gòu)件智能工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，提煉基于特征的快速編程、大型五軸數(shù)據(jù)加工工藝與仿真、高硬度材料精密特種加工等方法，將其推廣應(yīng)用于機(jī)電產(chǎn)品中的陀螺、渦旋壓縮機(jī)、諧波減速器等產(chǎn)品核心部件的制造加工，以實(shí)現(xiàn)加工工藝改進(jìn)?；谏a(chǎn)線規(guī)劃與仿真方法，完成軌道交通大型構(gòu)件工藝規(guī)劃與仿真，實(shí)現(xiàn)以物理生產(chǎn)裝備和數(shù)字化系統(tǒng)深入融合，從整體上縮短工藝準(zhǔn)備周期，提高工藝質(zhì)量。

2）依托航天器大型構(gòu)件智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)技術(shù)，推廣應(yīng)用于通信行業(yè)的大型鐵塔制造過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同地域、不同塔型、不同管型的管理，完成生產(chǎn)節(jié)拍的快速響應(yīng)，進(jìn)而以支持決策者能夠掌握自身的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)資源以及所生產(chǎn)的產(chǎn)品，能夠調(diào)整產(chǎn)品的生產(chǎn)流程與工藝方法，并能夠根據(jù)市場(chǎng)、客戶(hù)需求等動(dòng)態(tài)信息做出快速、智能的決策。

3）采用航天器大型構(gòu)件智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)電商、快消等行業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)物流線解決方案，構(gòu)建通過(guò)計(jì)劃自動(dòng)分解與下達(dá)、調(diào)度派工管理、裝配現(xiàn)場(chǎng)管理、物料管理、工具管理、設(shè)備管理、人員管理和質(zhì)量管理等一系列功能，實(shí)現(xiàn)物料配送的精準(zhǔn)化、高效化和柔性化。完成軌道交通大型核心部件物流與倉(cāng)儲(chǔ)功能，采用RFID等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物料的精細(xì)化標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)物料的在庫(kù)存儲(chǔ)、在途運(yùn)輸、在線使用等狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和及時(shí)處理，滿(mǎn)足了生產(chǎn)制造的高時(shí)效性要求。

4）開(kāi)展智能專(zhuān)用裝備、智能傳感器、智能控制系統(tǒng)研究，完成先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)與智能技術(shù)的集成與深度融合。提煉多智能裝備集成協(xié)同、閉環(huán)反饋控制、軌跡跟蹤等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于可移動(dòng)式制孔串聯(lián)機(jī)器人的大型飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆孔加工，實(shí)現(xiàn)基于可移動(dòng)式焊接串聯(lián)機(jī)器人的海洋大型鉆井平臺(tái)鋼構(gòu)件焊接，實(shí)現(xiàn)基于可移動(dòng)式并聯(lián)調(diào)姿裝備的大型飛機(jī)艙段調(diào)姿對(duì)接/裝備。通過(guò)集成雙車(chē)級(jí)聯(lián)及激光同步測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高鐵車(chē)輛等超大型產(chǎn)品的廠房?jī)?nèi)外轉(zhuǎn)運(yùn)。雙車(chē)組合承載能力50t，雙車(chē)同步精度±1mm，運(yùn)行速度0.6m/s，通過(guò)采用24軸協(xié)同控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)26m長(zhǎng)超大產(chǎn)品的廠房外靈活轉(zhuǎn)運(yùn)，包括橫向平移、斜向行駛及原地零回轉(zhuǎn)半徑運(yùn)動(dòng)等。

圖5 典型高端智能制造裝備

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)的探索，實(shí)現(xiàn)了制造模式轉(zhuǎn)型、提升了高端裝備制造能力，完成了信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)同先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合。通過(guò)提出航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)體系框架，提煉關(guān)鍵技術(shù)，推廣研究技術(shù)到其他民用制造領(lǐng)域，完成了軌道交通大型核心部件物流與倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、通信行業(yè)的大型鐵塔制造管控系統(tǒng)及高鐵車(chē)輛等超大型產(chǎn)品智能移動(dòng)裝備系統(tǒng)等軟硬件研制，取得了可觀的應(yīng)用結(jié)果，為我國(guó)軍民融合的發(fā)展積累了成功案例。

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