智能制造技術(shù)在航天大型構(gòu)件中的應用

何建利，高嘉爽

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

智能制造目前仍未形成統(tǒng)一共識的定義。通俗地講，智能制造的本質(zhì)是自動化技術(shù)、系統(tǒng)工程、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等新興技術(shù)與制造技術(shù)的有機融合，以便更加經(jīng)濟、靈活地優(yōu)化生產(chǎn)過程，制造出更好的產(chǎn)品，使企業(yè)創(chuàng)造更多的效益［1-5］。世界各國為了應對制造業(yè)迅猛的發(fā)展需求，分別制訂了相應的智能制造國家戰(zhàn)略計劃。如德國提出以信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）為基礎的“工業(yè)4.0”概念［6-8］；美國提出人、數(shù)據(jù)、機器互聯(lián)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念；我國先后發(fā)布以智能制造為主攻方向的《中國制造2025》《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》《國務院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》等文件，將智能制造作為國家先進制造產(chǎn)業(yè)的重點突破方向，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為網(wǎng)絡化平臺，推動工業(yè)制造向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級［2-3，9-10］。

1 航天大型構(gòu)件制造的生產(chǎn)現(xiàn)狀與需求

1.1 我國航天構(gòu)件制造面臨的生產(chǎn)現(xiàn)狀

近年來，我國航天構(gòu)件制造的技術(shù)水平隨著型號任務的開展取得了顯著提升，但與國外航天先進水平相比還有一定的差距，還不能很好地適應航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的要求。我國航天構(gòu)件制造面臨的生產(chǎn)現(xiàn)狀包括以下幾個方面［11-13］：

1）產(chǎn)品仍沿用了大量的手工、半自動生產(chǎn)方式，如焊接、裝配、鉚接、噴涂等。手工生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量一致性很難保證［14］。設計—工藝—現(xiàn)場生產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)鏈路沒有貫通，設計階段生成的數(shù)字化模型無法直接輔助生產(chǎn)制造。工藝仿真、數(shù)字化裝配等先進數(shù)字化制造技術(shù)能力薄弱。

2）目前生產(chǎn)設備大多數(shù)為單機作業(yè)，缺乏數(shù)據(jù)的采集和集中管控，而航天產(chǎn)品具有研制型小批量的特點，單機離散型的生產(chǎn)組織模式不夠靈活，很難快速切換，效率低下。在研制和批量生產(chǎn)模式發(fā)生沖突時，批量生產(chǎn)能力易受到影響。同時，由于航天產(chǎn)品多品種、小批量的特點，使其制造過程換型頻繁，制造單元的制造效率難以獲得根本性的提升。

3）目前仍采用傳統(tǒng)的設計、工藝、制造單鏈條研發(fā)模式，設計制造一體化程度不高。工藝設計與產(chǎn)品設計尚未實現(xiàn)并行工程，工藝提前介入設計的程度有限，研發(fā)效率低，問題解決迭代時間長，尤其對于結(jié)構(gòu)復雜、工序多的產(chǎn)品，研發(fā)周期往往為3～5 a。設計與工藝之間的系統(tǒng)平臺、專業(yè)軟件、標注規(guī)范尚不統(tǒng)一，設計模型和數(shù)據(jù)難以共享。

1.2 智能制造在航天構(gòu)件中的應用需求

將智能制造引入航天大型構(gòu)件制造領域，重點解決以下幾方面的矛盾：質(zhì)量要求日益提高與生產(chǎn)方式落后之間的矛盾；快速低成本生產(chǎn)與傳統(tǒng)的組織管理模式之間的矛盾；復雜構(gòu)件協(xié)同制造與傳統(tǒng)的孤島式研發(fā)模式之間的矛盾。

航天大型構(gòu)件產(chǎn)品具有先進性、復雜性、集成性和極端制造等各方面特性。在邁入智能制造的過程中，航天企業(yè)應充分有效利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息手段，將生產(chǎn)制造模式與先進技術(shù)有機融合，逐步實現(xiàn)以感知、分析、執(zhí)行一體化為代表的智能制造，開展在軌組裝、在軌加工、增材制造、機器人、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的研究，優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)流程，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、信息化和智能化，構(gòu)建航天構(gòu)件產(chǎn)品智能制造管控信息系統(tǒng)，實現(xiàn)具有真正智能的航天制造綜合體。

2 智能制造技術(shù)在航天構(gòu)件中的研究現(xiàn)狀

2.1 國外航天智能制造研究現(xiàn)狀

航天大型構(gòu)件制造是現(xiàn)代工程制造技術(shù)的重要組成部分，對國民經(jīng)濟的發(fā)展以及國防實力的增強具有極為重要的作用。波音公司、洛克希德馬丁公司、美國國家航空航天局（NASA）等國外航天機構(gòu)都在先進制造技術(shù)的研究和應用上取得了重大進展［11，15-16］。近年來，這些機構(gòu)紛紛引入智能制造理念，研究集中于系統(tǒng)構(gòu)建、云計算、數(shù)字孿生［17-18］、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D 增材制造［19-20］、機器人、智能感知和智能裝配等方向。

如美國正研究將數(shù)字孿生技術(shù)和基于模型的系統(tǒng)工程方法應用于太空空間與網(wǎng)絡安全。達索航空公司開發(fā)的基于數(shù)字孿生理念建立的虛擬開發(fā)與仿真平臺，用于“陣風”系列戰(zhàn)斗機和“隼”系列公務機的設計過程改進［21］。洛馬公司則計劃采用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)工程設計與制造的鏈接，也就是在設計階段產(chǎn)生精確的3D 實體模型，用于加工模擬、編程、坐標測量機和檢測的環(huán)節(jié)。泰雷茲阿萊尼亞宇航公司建立了一個虛擬環(huán)境研究平臺VERITAS，用于驗證各種航天器虛擬現(xiàn)實的原型，支持自然交互設備的集成與應用，進行宇航產(chǎn)品協(xié)同裝配序列規(guī)劃與可視化［22］。波音公司采用三維數(shù)字模型、仿真、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等技術(shù)研究高速機械加工、攪拌摩擦焊等制造手段，研制的載人宇航飛船CST-100 采用了一體化設計技術(shù)和模塊化、流程化的裝配工藝執(zhí)行模式，大幅度降低了研制成本，縮短生產(chǎn)周期。美國空間探索公司更是把智能制造理念嵌入到生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)，大幅度提高火箭構(gòu)件生產(chǎn)效率［23］。

2.2 國內(nèi)航天智能制造研究現(xiàn)狀

國內(nèi)智能制造的研究以華中科技大學、浙江大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學和上海交通大學等為代表，取得了一系列理論成果和工程實踐經(jīng)驗［24-25］。智能制造在航天構(gòu)件領域中的實際應用還處于初級階段，大部分集中在單項技術(shù)或者某一特定方面的研究，距完整技術(shù)體系、成熟工程應用還有差距。目前相關(guān)的研究與應用主要集中以下幾個方面：

1）先進制造模式與航天制造的融合?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+制造”、服務型制造、云制造等先進制造模式逐步引領傳統(tǒng)制造業(yè)向數(shù)字化、智能化的階段發(fā)展［26-29］。復雜產(chǎn)品智能制造技術(shù)國家重點實驗室提出一種“智能+”時代的新智能制造系統(tǒng)——云制造系統(tǒng)3.0，該系統(tǒng)借助新一代智能科學技術(shù)、新制造科學技術(shù)等，構(gòu)成以用戶為中心的統(tǒng)一經(jīng)營的新智能制造資源、產(chǎn)品與能力的服務云。該系統(tǒng)針對航天復雜產(chǎn)品的特點及其對新生產(chǎn)模式的挑戰(zhàn)，搭建航天云網(wǎng)，實現(xiàn)了基于大數(shù)據(jù)的制造資源/能力的智能推薦、跨企業(yè)的制造能力的智能感知和動態(tài)協(xié)同、人機混合智能等應用［30-31］。北京衛(wèi)星制造廠［22］提出了CAST 制造的概念，闡述了航天產(chǎn)業(yè)云制造、基于數(shù)據(jù)分析的自動化、基于智能化的制造服務和基于制造模式的轉(zhuǎn)型發(fā)展的具體內(nèi)容，并在航天器中的管路、電纜網(wǎng)、直屬件、結(jié)構(gòu)板等典型產(chǎn)品中開展實際應用。

2）航天領域數(shù)字化制造。數(shù)字化是智能化的基礎，數(shù)字化技術(shù)與航天構(gòu)件的研發(fā)、設計、制造相結(jié)合，可有效提升產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，提升設計能力，縮短研發(fā)周期。如基于模型定義的數(shù)字化協(xié)同設計技術(shù)廣泛應用于我國空間站、飛船等重要大工程中［32-34］，國內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)字化協(xié)同已深入應用［35-36］。還有部分研究涉及三維協(xié)同研制體系標準的制定等［37］。在數(shù)字化制造方面，設計端直到生產(chǎn)末端的信息傳遞、數(shù)字化協(xié)同制造的計劃管理［32］、數(shù)據(jù)傳遞和轉(zhuǎn)化效率等問題還需要進一步深化研究。

3）航天智能生產(chǎn)線與智能車間。據(jù)資料文獻報告，航天智能生產(chǎn)線與車間的具體應用涉及鈑金車間、飛行器裝配車間、焊接車間、電裝車間等。研究關(guān)注集中于智能車間系統(tǒng)框架的設計、平臺的開發(fā)與研究、數(shù)據(jù)孿生技術(shù)、單元布局的優(yōu)化、數(shù)據(jù)采集與智能管理等方面。如新一代運載火箭鈑金制造車間從改善車間管理入手，建立了現(xiàn)場層、業(yè)務層和智能決策層的數(shù)字化建設體系，通過MES 系統(tǒng)進行串聯(lián)和實現(xiàn)［38］。航天構(gòu)件機械加工車間從車間內(nèi)產(chǎn)品、資源和工藝入手，利用數(shù)字孿生對車間建模，分別對產(chǎn)品數(shù)字化定義、基于數(shù)字孿生的資源建模和工藝信息的數(shù)字化定義等問題進行研究分析［39］。王艷廣等［40］針對航天某液壓系統(tǒng)為研究對象，開展了基于平臺的業(yè)務數(shù)字化集成以及車間智能化改造。首都航天機械有限公司對智能制造的理念引入到生產(chǎn)線刀具管理系統(tǒng)，提高了刀具管理的信息化、智能化水平［41］。王宇生等［42］對飛行器裝配車間進行了基于大數(shù)據(jù)的智能車間平臺研究。

4）航天大型構(gòu)件智能化裝備的應用。我國航天構(gòu)件的裝備智能化程度還不高［11］。劉強［43］認為在航空航天領域中，制造裝備的自動化、數(shù)字化和智能化是建設智能制造系統(tǒng)的基礎，集成車間數(shù)字化仿真、智能化物流與運輸、智能化管理模塊，可構(gòu)建先進的智能化制造系統(tǒng)。國家工信部實施“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項，針對我國航天領域重大專項的需求，研制了高檔數(shù)控加工、攪拌摩擦焊接、充液拉深成型和自動化裝配等一系列裝備，助力航天制造向智能制造轉(zhuǎn)型升級。

3 航天大型構(gòu)件智能制造的應用實踐

3.1 航天大型構(gòu)件智能制造

智能制造是將制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)交叉融合，面向產(chǎn)品全生命周期具有信息感知、優(yōu)化分析、自主決策、精準執(zhí)行控制等功能［44-46］。結(jié)合航天大型構(gòu)件產(chǎn)品制造特點，體系包括智能化設計、智能化管理、智能化制造平臺，來自制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Executive System，MES）、企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）、產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）等系統(tǒng)成為數(shù)采平臺數(shù)據(jù)來源，為各個業(yè)務系統(tǒng)的實時反饋和閉環(huán)控制提供技術(shù)支持。以某航天大型構(gòu)件智能制造過程為例（如圖1 所示），通過數(shù)字化和仿真技術(shù)進行產(chǎn)品虛擬設計，依據(jù)設計原型進行工藝編制并完成排產(chǎn)。物理車間把虛擬設計變?yōu)楝F(xiàn)實產(chǎn)品，同時通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)，MES 實時采集生產(chǎn)現(xiàn)場信息，包括設備狀態(tài)、物流等，反饋到虛擬世界中對反饋信息分析和優(yōu)化，從而進一步提升產(chǎn)品品質(zhì)和效率。

圖1 航天大型構(gòu)件智能制造體系圖Fig.1 Intelligent manufacturing system for large aerospace components

3.1.1 工藝設計

工藝設計涵蓋基于大數(shù)據(jù)與知識發(fā)現(xiàn)的智能工藝創(chuàng)新、基于制造過程仿真分析的工藝設計與優(yōu)化、基于增強現(xiàn)實技術(shù)的智能化加工仿真培訓和工裝的數(shù)字化設計等功能。工藝專家系統(tǒng)可改善傳統(tǒng)的工藝設計依賴主觀經(jīng)驗、工藝試驗難以量化的生產(chǎn)現(xiàn)狀，降低航天大型構(gòu)件工藝研究的成本；工藝仿真平臺可改進傳統(tǒng)的工藝分析模式，利用仿真模擬手段獲得制造結(jié)果（如溫度場、流場），提高產(chǎn)品的可靠性。智能工藝設計流程如圖2 所示。

圖2 智能工藝設計Fig.2 Intelligent process design

3.1.2 制造裝備

制造裝備包括加工設備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、基于智能感知和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)的全程追蹤信息系統(tǒng)、基于人工智能技術(shù)的物流決策支持與智能運輸系統(tǒng)和智能調(diào)度，以及設備聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)控等功能［47］。通過工業(yè)集成控制系統(tǒng)，利用條碼、傳感器以及現(xiàn)場的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接口等，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場物-物相連。大型航天構(gòu)件大多采用數(shù)控加工設備，建立多層級互聯(lián)網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過通用總線數(shù)據(jù)、解析TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol Address）協(xié)議、增加傳感器等方式，實現(xiàn)設備集中管理和監(jiān)控，提高設備運行效率（如圖3 所示）。

圖3 航天大型構(gòu)件現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架Fig.3 Internet of thing（IOT）frame for large aerospace component manufacturing

3.1.3 生產(chǎn)管理

通過智能生產(chǎn)管理，實現(xiàn)個體資源動態(tài)重組與協(xié)作規(guī)劃，通過智能項目計劃管理解決航天多品種并行、生產(chǎn)計劃多變等問題，降低生產(chǎn)擾動對系統(tǒng)的影響，提升車間執(zhí)行系統(tǒng)集成度和柔性。以MES為核心，對制造過程需要的資源、環(huán)境、計劃、排產(chǎn)和流程等進行管控，針對航天產(chǎn)品的投產(chǎn)特點，實施基于計劃完成周期和解耦策略的優(yōu)化排產(chǎn)技術(shù)。以ERP 系統(tǒng)為核心，實施核心資源約束的多項目計劃管理，最終實現(xiàn)資源均衡。

3.2 149 廠在智能制造方面開展的工作

149 廠是我國唯一集“彈、箭、星、船、器”制造及總裝綜測為一體的綜合型航天企業(yè)。為適應型號任務快速研制需求，企業(yè)致力于打造航天器復雜構(gòu)件智能工廠。以航天復雜構(gòu)件生產(chǎn)研制過程為核心，圍繞“制造裝備國產(chǎn)化、智能化，制造過程數(shù)字化、網(wǎng)絡化”為總體目標，持續(xù)推進高端國產(chǎn)數(shù)控裝備、機器人裝備、增材制造裝備和運載火箭自動化對接技術(shù)等研究與應用，走出了一條具有航天特色的智能化道路，企業(yè)被上海市經(jīng)濟和信息化委員會認定為首批20 家上海市智能工廠之一。通過信息技術(shù)（Information Technology，IT）與運行技術(shù)（Operational Technology，OT）綜合集成，智能裝備、管控系統(tǒng)、現(xiàn)場執(zhí)行等相互融合，產(chǎn)線整體效率、柔性得以提升，運載總裝時間縮短1/6，部分產(chǎn)線產(chǎn)量提升200%，高端裝備國產(chǎn)化率達到70%。

3.2.1 數(shù)字化的航天產(chǎn)品工藝設計和管理

以實現(xiàn)航天產(chǎn)品設計性能為目標，構(gòu)建以ERP+PDM+MES 為基礎，以三維模型數(shù)據(jù)為核心的綜合數(shù)字化工藝設計信息系統(tǒng)，貫通工藝設計、生產(chǎn)準備、產(chǎn)品制造、驗收交付和質(zhì)量管理等各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)流，并實現(xiàn)跨域設計文件的審查、簽署與分發(fā)。最終實現(xiàn)航天產(chǎn)品設計制造協(xié)同、工藝設計數(shù)字化、生產(chǎn)過程透明管控，并在此基礎上構(gòu)建企業(yè)級大數(shù)據(jù)平臺，為智能制造與智能運營提供數(shù)據(jù)支撐，為企業(yè)運營管理和生產(chǎn)管控提供決策支持。基于模型定義（Model Based Definition，MBD）的數(shù)字化工藝設計流程如圖4 所示，主要分為型號管理系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)兩個模塊，具體涵蓋設計方案庫、仿真模型庫、面向設計制造（Design for Manufacture，DFM）和符號等，流程以設計物料清單（Engineering Bill of Material，EBOM）、工藝物料清單（Process Bill of Material，PBOM）、制造物料清單（Manufacturing Bill of Material，MBOM）做為系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源，實現(xiàn)基于模型的數(shù)字化工藝設計，打通科研生產(chǎn)過程中跨廠所協(xié)同，實現(xiàn)了基于信息處理技術(shù)（Information Processing Technology，IPT）模式、三維模型下廠的設計與工藝協(xié)同、技術(shù)狀態(tài)的同步控制，有效提高了會簽效率80%。打通了與總體設計所產(chǎn)品數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)化信息傳遞，以閥門產(chǎn)品為試點，推廣到飛船型號、運載型號，提高產(chǎn)品制造過程相關(guān)質(zhì)量信息、制造信息的傳遞速度100%，提高數(shù)據(jù)分析利用率100%。打通與各總體所質(zhì)量單據(jù)審簽流程，提高了制品處理的及時性和信息準確性。

圖4 基于模型的數(shù)字化工藝設計Fig.4 Digital process design based on MBD

企業(yè)目前在某型運載火箭總裝中正式運行該系統(tǒng)，可實現(xiàn)一站式自動化柔性裝配，數(shù)據(jù)全流程貫通，工藝信息全三維化，裝配質(zhì)量提前預判，形成設計、工藝、制造的一體化管理?；谧詣訙y量技術(shù)、數(shù)字化驅(qū)動技術(shù)和閉環(huán)控制技術(shù)實現(xiàn)運載火箭的短裝配周期、高裝配質(zhì)量、裝配過程數(shù)據(jù)采集和追蹤溯源。運載火箭自動化柔性總裝過程中采用的測量-匹配-調(diào)姿閉環(huán)集成控制原理如圖5 所示。

圖5 運載火箭自動化柔性總裝測量-匹配-調(diào)姿集成控制Fig.5 Integrated control system of measurement-match-posture adjustment for the automatic flexible assembly of launch vehicles

3.2.2 面向航天復雜構(gòu)件的智能化裝備升級

智能裝備是針對航天大型構(gòu)件的制造需求，對制造裝備進行智能化的升級改造，使其具有感知、分析、推理、決策、控制等功能，并適時地做出優(yōu)化調(diào)整。工廠通過系統(tǒng)集成、智能改造、功能擴展等方式，構(gòu)建火箭燃料貯箱整體充液拉深成形、貯箱特種焊接、航天器艙體結(jié)構(gòu)智能鉚接等，有效提升航天結(jié)構(gòu)件整體制造能力，工廠高端智能裝備國產(chǎn)化率達到70%。打破國外技術(shù)封鎖，研制完成國內(nèi)首臺、世界先進水平的重載攪拌摩擦焊裝備。焊接厚度單面80 mm、雙面150 mm，單塊面板焊縫總長超過百米，技術(shù)指標國內(nèi)領先，裝備已應用于大型軍用雷達面板、大型航天器試驗平臺、衛(wèi)星平臺底座等超大厚度構(gòu)件焊接中。研制國際首臺成形噸位最大的15 000 t 數(shù)控雙動充液拉深成形裝備（如圖6 所示），攻克了大尺寸薄壁構(gòu)件成形易于起皺和開裂等工藝難題。該設備制造出國際上首個直徑3 350 mm 貯箱整體充液拉深箱底，推進航天“一體輕量化”整體成形，形成運載火箭三米級整體箱底全流程制造布局；突破了大尺度薄壁構(gòu)件幾何外形精確建模、多復雜任務聯(lián)合作業(yè)運動軌跡規(guī)劃與精度控制等關(guān)鍵技術(shù)，建成運載火箭低溫貯箱絕熱層柔性自動化噴涂成型智能裝備；研制運載火箭貯箱零部件焊接預處理自動柔性磨削裝備，大大提升生產(chǎn)效率，提高焊接質(zhì)量等。

圖6 航天復雜構(gòu)件智能化裝備Fig.6 Intelligent equipment for complex aerospace components

3.2.3 全過程透明化的智能運營管控

選取某戰(zhàn)車作為應用對象，根據(jù)其投產(chǎn)模式的特點，結(jié)合設備資源、物流資源和空間場地等多約束條件，基于MES 系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化、配套及時和動態(tài)響應的生產(chǎn)過程控制，達到產(chǎn)線平衡、物流準時和管控實時的目標。內(nèi)容包括生產(chǎn)節(jié)拍設計、工位設計、產(chǎn)線平衡、空間布局、物流設計和搬運路線規(guī)劃等。某戰(zhàn)車產(chǎn)品生產(chǎn)過程規(guī)劃如圖7所示。

圖7 某戰(zhàn)車產(chǎn)品生產(chǎn)過程規(guī)劃Fig.7 Production planning of a combat vehicle

規(guī)范現(xiàn)場作業(yè)流程，建立產(chǎn)品制造全過程的監(jiān)控體系，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)透明化管控能力，研制人員通過MES 系統(tǒng)搭建的自動監(jiān)測設備實時記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，構(gòu)建產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)上報系統(tǒng)，建立全閉環(huán)的產(chǎn)品質(zhì)量追蹤體系，提升產(chǎn)品檢驗效率，提高質(zhì)量管理水平。

總裝現(xiàn)場布置便攜式終端，系統(tǒng)根據(jù)裝配作業(yè)計劃，智能優(yōu)化工位生產(chǎn)節(jié)拍，實現(xiàn)自動排產(chǎn)；裝配生產(chǎn)管理模塊包括收料、裝配操作、異常記錄等工作管理。系統(tǒng)實時查看具體工位和工序總體進度和詳細進度。通過多源信息融合識別、質(zhì)量信息流的協(xié)同管理等，對全過程的質(zhì)量進行跟蹤和追溯，實現(xiàn)全過程智能監(jiān)控及基于知識的異常源智能診斷，提高產(chǎn)品的制造精度和穩(wěn)定性。

生產(chǎn)效率方面，通過數(shù)據(jù)實時傳遞、展示、分析，減少非增值活動，提高管理效率，降低成本，提質(zhì)量追溯效率提高80%，減少生產(chǎn)過程、發(fā)射服務的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄、翻譯實踐，生產(chǎn)進度、物資管理等管理效率提升30%。

3.2.4 航天智能焊接車間建設探索

焊接是航天構(gòu)件的重要加工手段，選取以貯箱焊接車間為研究對象，從布局優(yōu)化、系統(tǒng)建設、關(guān)鍵工序智能化等方面，建立車間模型，對構(gòu)建智能焊接車間進行了前期探索性研究。

智能焊接車間是以物聯(lián)網(wǎng)、CPS、大數(shù)據(jù)為核心的智能制造平臺，分為“智能化焊接技術(shù)研發(fā)”“協(xié)同焊接制造”“智能化運行管理”3 個業(yè)務平臺。智能焊接車間業(yè)務體系設計如圖8所示。通過二維碼、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標識的產(chǎn)品追蹤系統(tǒng)、視頻-溫度-濕度環(huán)境傳感器、可穿戴移動設備、在線測量等自動化信息采集和檢測裝置獲取整個車間的加工、物流、制造、環(huán)境等狀態(tài)信息；通過CPS 平臺通信、計算及控制能力實現(xiàn)生產(chǎn)對象信息物理融合和交互操作，支撐焊接加工系統(tǒng)和物流控制的智能化；通過大數(shù)據(jù)平臺知識挖掘、專家系統(tǒng)實現(xiàn)焊接工藝的持續(xù)優(yōu)化和創(chuàng)新，并實現(xiàn)生產(chǎn)管理決策的智能化。

圖8 智能焊接車間業(yè)務體系設計Fig.8 Intelligent welding shop system design

3.2.5 數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛實融合

工廠探索應用數(shù)字孿生技術(shù)，在加工過程中實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品、物料、物流和設備加工狀態(tài)等物理系統(tǒng)向虛擬空間數(shù)字化模型的實時反饋與驅(qū)動。通過虛擬現(xiàn)實展示空間站艙體裝配過程，實現(xiàn)大質(zhì)量設備、大載荷機柜、角隔區(qū)域總裝和航天器管路裝配等復雜工礦的虛擬現(xiàn)實交互式作業(yè)，并在裝備過程仿真的基礎上實現(xiàn)裝配流程驅(qū)動的可視化裝配場景，如圖9 所示。

圖9 AV/VR 在航天器制造中的應用Fig.9 Application of AV/VR to spacecraft manufacturing

未來企業(yè)重點規(guī)劃產(chǎn)品全生命周期的連接與貫通，強化產(chǎn)品的設計、流程規(guī)劃到生產(chǎn)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)集成與智能分析，實現(xiàn)產(chǎn)品鏈的整體優(yōu)化與深度協(xié)同；面向企業(yè)業(yè)務活動，支撐計劃、供應、生產(chǎn)、服務等全流程全業(yè)務的互聯(lián)互通，面向單環(huán)節(jié)重點場景開展深度數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，實現(xiàn)全價值鏈的效率提升與重點業(yè)務的價值挖掘；整合小產(chǎn)業(yè)集團資源，支撐集團資源多個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)集成串聯(lián)，實現(xiàn)集團化管理。聚焦小產(chǎn)業(yè)集團各公司專業(yè)和產(chǎn)品特點，按需推進基于全三維的產(chǎn)品研發(fā)和工藝設計數(shù)字化，建設以數(shù)據(jù)為驅(qū)動的協(xié)同研發(fā)環(huán)境，通過綜合運用流程管理、資源管理、知識工程等技術(shù)，將研發(fā)方法、經(jīng)驗、標準、工具與知識融入設計流程中。逐步普及數(shù)控設備和自動化儀器設備在企業(yè)制造、檢驗檢測、物料配送等環(huán)節(jié)的應用，構(gòu)建數(shù)字化制造單元和產(chǎn)品生產(chǎn)線，提高關(guān)鍵產(chǎn)品制造效率，提升企業(yè)核心專業(yè)的競爭力。

4 結(jié)束語

航天構(gòu)件的制造過程具有規(guī)模龐大、系統(tǒng)復雜、技術(shù)難度大、質(zhì)量可靠性與安全性要求高的特點。智能制造技術(shù)作為21 世紀先進制造技術(shù)發(fā)展的重要方向，是新工業(yè)革命的主要標志之一，可以實現(xiàn)航天大型構(gòu)件的高質(zhì)量、快速、低成本研制，提高產(chǎn)品研制的快速響應能力。智能制造可覆蓋航天構(gòu)件生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)，包括工藝設計過程、制造裝備、生產(chǎn)管控。通過在運載火箭箭體總裝、大型戰(zhàn)車總裝、航天器艙體制造等過程中的應用探索，智能制造被證明對于提高航天構(gòu)件的高質(zhì)量、快速低成本研制、柔性透明生產(chǎn)管控等有重要作用，同時，對于提升航天制造的自動化、信息化、數(shù)字化具有重要意義。