航空發(fā)動機智能生產(chǎn)線架構與集成應用技術

作為企業(yè)核心競爭力的基礎要素和生產(chǎn)活動執(zhí)行的實體，生產(chǎn)線承載了物流、信息流和價值流的流通與匯聚。經(jīng)過有效的組織和集成，將傳統(tǒng)生產(chǎn)線與大數(shù)據(jù)、機器學習等智能化手段相結合，來構建智能生產(chǎn)線是達成航空發(fā)動機智能制造的基本條件。

航空發(fā)動機智能生產(chǎn)線的意義及功能要求

自18世紀中葉以來，人類歷史經(jīng)歷了三次工業(yè)革命的轉型升級。如果把單臺機械設備看作最簡單的生產(chǎn)線的話，每一次工業(yè)革命都是以生產(chǎn)線升級換代為動力完成的，如圖1所示。

圖1 歷次工業(yè)革命中生產(chǎn)要素變化（橙色：生產(chǎn)要素及形式；綠色：使能工具）

美國辛辛那提大學李杰教授對前三次工業(yè)革命的發(fā)展過程進行總結得出，每一次工業(yè)革命的根本原因在于原有技術體系下的生產(chǎn)要素已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)力發(fā)展的需求，而新的使能技術的誕生會幫助人們突破限制生產(chǎn)力發(fā)展的瓶頸。用同樣的思維考慮第四次工業(yè)革命，李杰教授認為，當前遇到的新瓶頸是，人的知識產(chǎn)生和利用效率已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的要求，依靠人的知識和經(jīng)驗去驅動生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)達到了生產(chǎn)力的邊界，難以使其以最優(yōu)的效率運行和協(xié)同[1]。能滿足智能制造時代生產(chǎn)線要求的使能技術，應部分或完全替代人的分析決策工作。

航空發(fā)動機零部件制造及裝配具有多品種、小批量、高質(zhì)量等離散式特點，經(jīng)驗、知識等智力生產(chǎn)要素在制造水平提升方面的作用非常巨大。因為歷史的原因，我國航空發(fā)動機設計制造水平與發(fā)達國家有一定的差距，急需抓住新的戰(zhàn)略機遇期完成追趕。工業(yè)4.0階段主要是克服知識的產(chǎn)生和利用效率問題，通過關鍵數(shù)據(jù)的大量收集和大數(shù)據(jù)分析算法，可以快速地從信息中獲取知識，從而達到提高航空發(fā)動機研發(fā)水平的目的。所以說，智能制造是我國航空發(fā)動機制造業(yè)落實創(chuàng)新驅動發(fā)展、實現(xiàn)工業(yè)轉型升級和跨越式發(fā)展的關鍵機遇。在全面轉向工業(yè)4.0階段的時代大背景下，開展適用于航空發(fā)動機智能制造生產(chǎn)線構建的探討，對于幫助國內(nèi)各航空發(fā)動機制造企業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級有重要的實踐參考意義。周濟院士將智能制造分為數(shù)字化制造、智能制造1.0和智能制造2.0等3個不同范式的制造系統(tǒng)發(fā)展階段。其中，智能制造1.0是在全面數(shù)字化的基礎上實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)和系統(tǒng)集成[2]。也就是說，實現(xiàn)生產(chǎn)線智能化的基礎是自動化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化。人的智能特征主要表現(xiàn)在感覺、記憶、思維、行為和語言5個層面的循環(huán)迭代過程，智能生產(chǎn)線要輔助甚至取代人的智慧決策職能，需要有能力幫助整個生產(chǎn)系統(tǒng)完成感知、存儲、分析、決策及通信等相應的功能，達成自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等要求。

GE公司制造工廠以超級材料、高端設備、先進工藝、高度自動化為基礎，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將工業(yè)生產(chǎn)和服務要素進行橫向和縱向集成，以實現(xiàn)高效的人與機器效率的優(yōu)化和對市場需求的高度自適應；羅羅公司圍繞智能制造制定了分階段發(fā)展戰(zhàn)略，計劃把位于生產(chǎn)車間的數(shù)字化設備或者資產(chǎn)與更廣泛的、更大范圍內(nèi)的制造系統(tǒng)相連，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、數(shù)據(jù)分析等應用到發(fā)動機制造上；普惠公司于2012年就實施了智能制造單元戰(zhàn)略，對制造工廠進行大規(guī)模升級，2014年在智能制造單元的基礎上斥資2.75億美元建立了3條下一代發(fā)動機關鍵零部件的智能生產(chǎn)線，以設備互聯(lián)和實時交互的手段來實現(xiàn)提升價值流的目標。典型的先進發(fā)動機制造企業(yè)智能生產(chǎn)線如圖2所示。

圖2 GE公司(左上)、普惠公司(左下)和羅羅公司(右)的航空發(fā)動機及燃氣輪機智能生產(chǎn)線

航空發(fā)動機智能生產(chǎn)線架構

綜合考慮從感知到?jīng)Q策等功能的實現(xiàn)需求，根據(jù)航空發(fā)動機典型產(chǎn)品離散化制造特點總結出的智能生產(chǎn)線架構如圖3所示。智能裝備模塊和倉儲物流模塊構成智能生產(chǎn)線的自動化和數(shù)字化硬件基礎，智能裝備中的先進制造技術體現(xiàn)了航空發(fā)動機制造企業(yè)自身工藝技術水平，是智能制造中生成知識的根本來源。先進傳感技術和自動控制技術，由裝備供應商或企業(yè)自身按照航空發(fā)動機制造企業(yè)的知識儲備和工藝經(jīng)驗，有目的地進行集成開發(fā)；倉儲物流模塊針對原材料、加工設備和工裝工具等制造資源的數(shù)字化和配置，按照生產(chǎn)線實時要求保證資源的準確供給。智能裝備模塊和倉儲物流模塊配備有傳感器、二維碼和射頻識別裝置，傳感器和識別裝置所采集的設備監(jiān)控、制造檢測和物料信息數(shù)據(jù)按照一定的安全通信協(xié)議收集起來，與虛擬仿真數(shù)據(jù)一起，經(jīng)工業(yè)數(shù)據(jù)總線交由生產(chǎn)管控模塊進行分析處理，顯示實時生產(chǎn)狀態(tài)并生成決策，并由工業(yè)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)礁鱾€執(zhí)行端迭代循環(huán)。生產(chǎn)線網(wǎng)絡是雙向數(shù)據(jù)集成傳輸模塊的支撐，分為總控系統(tǒng)網(wǎng)絡和執(zhí)行系統(tǒng)子網(wǎng)絡，分別對接生產(chǎn)管控模塊和各功能硬件子模塊。智能生產(chǎn)線的智能性主要取決于上述軟硬件模塊，但真正的智能特征體現(xiàn)在系列智能使能技術對人員分析和決策過程的支撐，智能使能技術將人從繁重的數(shù)據(jù)分析計算工作中解放出來，以超高效率和準確性為人類決策提供依據(jù)（甚至直接決策），將從數(shù)據(jù)中提煉形成的經(jīng)驗知識應用到生產(chǎn)線中，重新收集分析數(shù)據(jù)并不斷獲取新的知識，這樣才能實現(xiàn)真正的智能制造，顯然，缺少智能使能技術的支持，人的能力無法實現(xiàn)如此快速的循環(huán)迭代過程。

圖3 智能生產(chǎn)線架構

智能生產(chǎn)線集成應用技術

從總體智能的角度來看，從制造全過程獲取數(shù)據(jù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和分析，形成決策并持續(xù)優(yōu)化工藝技術和流程，促進人員的經(jīng)驗積累是智能生產(chǎn)線集成的直接目的。圍繞航空發(fā)動機生產(chǎn)線加工精準執(zhí)行、生產(chǎn)過程動態(tài)排產(chǎn)及智能調(diào)度等迫切需求，生產(chǎn)線集成應用要逐漸實現(xiàn)制造全過程工藝仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、網(wǎng)絡化聯(lián)通、狀態(tài)實時監(jiān)測和精確化執(zhí)行，主要涉及以下幾方面的技術研究。

數(shù)字化虛擬環(huán)境與仿真

航空發(fā)動機產(chǎn)品批量較小且種類多樣，單個零件加工工序數(shù)量和種類都較多，且存在多型號混線生產(chǎn)情況，實際生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)很多問題且較難解決[3]。通過虛擬仿真技術建立大量設備模型，可以快速實現(xiàn)智能生產(chǎn)線布局設計，在虛擬環(huán)境快速模擬生產(chǎn)線布局及生產(chǎn)線上的工藝流程、制造過程、物流過程、人因工程，達到生產(chǎn)線綜合性能最優(yōu)化。在虛擬空間實現(xiàn)各生產(chǎn)要素的集成和優(yōu)化，將生產(chǎn)過程中的沖突與失誤暴露在仿真驗證階段，最大程度解決生產(chǎn)線工藝布局不合理帶來的物流浪費、任務負荷不合理等問題。

制造生產(chǎn)線的流暢運行必須建立在每個生產(chǎn)節(jié)點正常工作的基礎上，智能生產(chǎn)線獲取零件數(shù)字化模型后，應用數(shù)字化三維工藝設計與仿真技術完成現(xiàn)有資源狀態(tài)下的工藝規(guī)劃、工藝設計和工裝設計，預先分析、評估產(chǎn)品制造過程的工藝性，降低物理驗證成本[4]。

先進制造工藝

企業(yè)核心的先進制造工藝是智能裝備的基礎，依據(jù)工藝知識進行有目的的先進工藝技術集成是數(shù)字化裝備升級建設的最合理途徑。集成代表制造企業(yè)核心能力的先進制造工藝技術和管理流程，配以信息化和智能化技術集成來實現(xiàn)核心工藝過程的自動化、數(shù)字化和智能化是智能升級的必修課。另外，數(shù)字化編程技術是實現(xiàn)先進工藝技術和發(fā)揮高端數(shù)字裝備潛力的重要輔助技術。開展關鍵零部件基于模型特征的自動識別和自動化編程技術，實現(xiàn)工藝參數(shù)自動加載和刀具的自動選取調(diào)用，是實現(xiàn)生產(chǎn)線智能化集成的重要技術環(huán)節(jié)。

先進傳感技術

先進傳感技術是數(shù)字化裝備升級的必備技術之一，是生產(chǎn)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的直接來源。智能生產(chǎn)線對數(shù)據(jù)的需求依賴先進的傳感技術來實時獲取，最終實現(xiàn)從定性定量相結合的檢測到全定量檢測、從模擬檢測到數(shù)字化檢測的轉換。首先，零件形貌尺寸的檢測在傳統(tǒng)制造過程中就是關鍵的檢驗工序，用以表征復雜零件的加工能否滿足設計圖樣要求。傳統(tǒng)生產(chǎn)線允許不同工序間的裝夾以保證核心參數(shù)的必要檢測，但是在智能生產(chǎn)線中，對流程的自動化要求迫使必要的檢驗環(huán)節(jié)在線實時化；其次，貫穿設計、工藝、制造、檢測的唯一零件數(shù)據(jù)源要求在加工過程中的全尺寸符合性，集成在智能裝備上的在線傳感裝置獲取的零件狀態(tài)與三維數(shù)據(jù)源的反復比對反饋是智能生產(chǎn)線自決策和自執(zhí)行的依據(jù)?；谝陨锨闆r分析，針對相應典型零件開發(fā)適用的先進傳感技術是智能生產(chǎn)線集成的必須技術之一。

自動化控制技術

自動化是智能化的基礎，所以要達成傳統(tǒng)裝備向智能裝備的升級，通過自動化控制技術完成軟硬件的集成運行是必不可少的。實現(xiàn)自動化的基礎包括自動化設備、工業(yè)機器人、工業(yè)芯片等設備器件，還有與硬件配套的運動控制邏輯、可編程邏輯控制器（PLC）程序以及外化的嵌入式軟件或工業(yè)軟件。各種工業(yè)軟件被植入生產(chǎn)設備的嵌入式系統(tǒng)中，按照預先設定的邏輯算法控制相關硬件完成受控動作，通過電子看板顯示生產(chǎn)線實時的生產(chǎn)狀態(tài)，達到自動化控制、監(jiān)測、管理各種設備和系統(tǒng)運行的目的。

自動識別技術

物物互通以及人物互通是智能制造的基本特征，也是完成智能生產(chǎn)線集成的重要方面。航空發(fā)動機智能生產(chǎn)線的建設包括各種設備、工裝、物料、產(chǎn)品甚至人員的集成，其中工裝、物料、產(chǎn)品和人員的頻繁流動，要求智能生產(chǎn)線具備精確識別各種生產(chǎn)資料的能力[5]，這既是達到數(shù)字化生產(chǎn)的要求，也是航空發(fā)動機行業(yè)保密和安全生產(chǎn)的要求。對工裝物料等生產(chǎn)資料的自動識別技術一般包括射頻識別和二維碼識別技術，還包括在檢測過程中使用的機器視覺等技術；對人員的自動識別技術一般包括虹膜、指紋、聲音和面部識別等生物識別技術。

倉儲物流技術

在生產(chǎn)線層級范圍內(nèi)，倉儲物流涉及物料存儲及管理、物料傳送和物料裝卸等方面的技術，執(zhí)行系統(tǒng)在自動識別技術的輔助下完成相應的物料運送任務。物料存儲設備一般為自動化立體倉庫，配有二維碼打標識別技術，能根據(jù)生產(chǎn)線要求管理并準確提供所需物料；物料傳送通常采用工業(yè)機器人及其控制系統(tǒng)來執(zhí)行，配合自動導引（AGV）小車及傳送帶等自動化設備完成零件物料的搬運和裝卸，實現(xiàn)物料在智能生產(chǎn)線的有序流動；裝卸單元需要具備物料信息讀取和傳輸功能，一般采用射頻識別（RFID）技術識別刀具及工裝夾具信息。

數(shù)據(jù)集成傳輸技術

數(shù)據(jù)集成傳輸技術是實現(xiàn)設備及系統(tǒng)互聯(lián)互通，支撐裝備、軟件、測量儀器等各種指令及數(shù)據(jù)傳遞的通道，是集成各要素形成有機整體的紐帶，涉及接口層、互聯(lián)層和傳輸層相關技術。

面對龐大的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)類型，單一要求數(shù)據(jù)集成傳輸網(wǎng)絡的兼容性是遠遠不夠的，如何梳理和表達不同來源的數(shù)據(jù)類型，考慮在不丟失數(shù)據(jù)價值的前提下完成數(shù)據(jù)的集成與傳輸才是建設企業(yè)網(wǎng)絡的最終目的。數(shù)據(jù)集成與傳輸網(wǎng)絡要解決企業(yè)內(nèi)信息集成中實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)整合與實時分析的問題，需要涉及工業(yè)數(shù)據(jù)總線和通信協(xié)議等技術。

網(wǎng)絡安全技術

互聯(lián)互通是智能生產(chǎn)線的特征之一，面臨比傳統(tǒng)生產(chǎn)線更嚴重的網(wǎng)絡安全問題[6]，所以航空發(fā)動機設計制造必須在符合國家安全保密要求的前提下完成。搭建數(shù)據(jù)集成傳輸網(wǎng)絡過程中，除了關注功能性和穩(wěn)定性，還要增加對安全性的考慮，充分分析操作系統(tǒng)漏洞、工業(yè)控制系統(tǒng)漏洞和網(wǎng)絡漏洞，在開放服務中謹防外部網(wǎng)絡滲透，注重各種賬號和用戶口令的保護，控制移動介質(zhì)的接入流程，嚴格審查PLC程序和工業(yè)通信協(xié)議中的缺陷，杜絕惡意程序病毒的入侵。

智能使能技術

在先進制造技術與信息化技術深度融合的過程中，智能使能技術將起到提高設備系統(tǒng)分析決策能力的關鍵作用。隨著人工智能、認知計算以及機器學習技術的發(fā)展，系統(tǒng)具備了解讀、分析或學習互聯(lián)設備所收集數(shù)據(jù)的能力，在計算、存儲與帶寬成本大幅下降的背景下，信息處理能力瓶頸將不復存在，邊緣計算和分布式數(shù)據(jù)中心技術甚至可實現(xiàn)生產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)分析。通過智能使能技術不斷挖掘潛藏在數(shù)據(jù)和過程中的大量知識財富，輔助進行最終決策，使生產(chǎn)線真正實現(xiàn)智能化。

結束語

因為航空發(fā)動機零部件的復雜多樣和高質(zhì)量要求，其制造工藝在自動化實現(xiàn)層面面臨諸多困難，而且由于各國對航空發(fā)動機材料、設計、制造和測試等技術的嚴密封鎖，智能生產(chǎn)線的搭建沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可借鑒。對航空發(fā)動機而言，不是每個零件都要實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，不同工藝的智能化潛力各不相同。要理性分析企業(yè)現(xiàn)狀，以核心關鍵重要件為對象，深挖企業(yè)工藝技術能力，首先實現(xiàn)其部分制造工藝的自動化和數(shù)字化，不斷優(yōu)化和集成擴展，從小處著手并迅速釋放其經(jīng)濟和經(jīng)驗價值，同時盡量將積累的經(jīng)驗知識以設備、工具、傳感器和數(shù)據(jù)模型的形式集成到生產(chǎn)裝備/生產(chǎn)單元上。

在策劃設備、傳感器與工藝經(jīng)驗的集成過程中，要充分考慮數(shù)據(jù)的兼容性和擴展性。在完成部分生產(chǎn)線改造并充分挖掘其價值后，要將局部自動化和數(shù)字化的成功經(jīng)驗不斷推廣，持續(xù)改進制造流程來實現(xiàn)更大范圍生產(chǎn)資料的互聯(lián)，顯著提高整個生產(chǎn)線的效能和數(shù)字化程度。

數(shù)字化生產(chǎn)線建立的意義在于提供生產(chǎn)過程中深層次價值挖掘的可能性。企業(yè)在數(shù)字化建設階段需要做的主要工作是決定積累哪些數(shù)據(jù)，依靠專家經(jīng)驗來選擇數(shù)據(jù)源和合適的數(shù)據(jù)模型作為生產(chǎn)線迭代優(yōu)化的起點，然后依靠網(wǎng)絡化和智能使能技術將循環(huán)迭代的過程固化為生產(chǎn)線的運行流程，不斷增強系統(tǒng)在分析決策過程中的占比，逐漸完成數(shù)字化生產(chǎn)線到智能生產(chǎn)線的進化。

中國的航空發(fā)動機事業(yè)正處于最好的發(fā)展時代，為提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量并滿足交付任務，各企業(yè)開展了眾多以智能為目標的生產(chǎn)線集成升級，走出了智能制造最困難的第一步。隨著經(jīng)驗的豐富和新集成應用技術的不斷涌現(xiàn)與融入，我國航空發(fā)動機智能生產(chǎn)線一定會日漸成熟。