面向航空產(chǎn)品制造過程的CPS基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺研究與應(yīng)用

呂瑞強，侯志霞，杜婷婷，張家諤

（中國航空制造技術(shù)研究院數(shù)字化制造航空科技重點實驗室，北京 100024）

隨著CAX、PDM、ERP 和MES 等信息化系統(tǒng)，以及先進數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，我國航空制造業(yè)的技術(shù)和管理能力獲得了長足發(fā)展，對降低航空研制成本、縮短研制周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量起到了重要作用[1]。隨著數(shù)字化研制平臺和數(shù)控加工中心等先進工藝裝備的應(yīng)用，航空產(chǎn)品快速響應(yīng)制造能力和產(chǎn)品質(zhì)量得到了顯著提升，但是還遠遠不能滿足日益增長的軍民品型號研制需求。

航空產(chǎn)品具有材料品種多、形狀結(jié)構(gòu)復雜、多技術(shù)專業(yè)交叉等特點，造成了產(chǎn)品研制中質(zhì)量保證難度大，存在大量返工、讓步接收和產(chǎn)品報廢等現(xiàn)象。在航空產(chǎn)品制造過程中雖然引入了數(shù)控機床等自動化裝備，但執(zhí)行關(guān)鍵步驟及環(huán)節(jié)時仍依賴高技能工人的經(jīng)驗[2]。例如零件的數(shù)控加工階段，缺乏加工前的快速精確定位、加工中的自適應(yīng)控制、加工后的工裝快速切換，使得加工設(shè)備主軸利用率低、生產(chǎn)準備時間長，資源利用效率低，生產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定。在裝配生產(chǎn)線上，大量自動化的裝備還不具備對現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)的感知和實時處理能力，如自動制孔的法向測調(diào)裝置和位置測調(diào)補償單元，自動對接調(diào)姿力位感控裝置等，由于技術(shù)的局限導致產(chǎn)品裝配效率低下，需要大量的人工補償和調(diào)整。

在航空產(chǎn)品生產(chǎn)的組織方面，當前仍采用人工交互方式處理三維設(shè)計模型并開展工藝設(shè)計，加工余量分配、典型結(jié)構(gòu)加工方法等受工藝人員能力影響較大。針對產(chǎn)品制造生產(chǎn)線或車間建立的制造執(zhí)行系統(tǒng)主要是以計劃調(diào)度、臺賬管理、生產(chǎn)統(tǒng)計為重點，生產(chǎn)運行過程仍然以人工排產(chǎn)、調(diào)度、生產(chǎn)決策為主，對作業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控和管控能力不足。另一方面，工件定位、現(xiàn)場加工操作、質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)控等受人為因素影響較大，產(chǎn)品返工、讓步接收情況較多，普遍存在質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)周期長等問題。此外，基于數(shù)字量的產(chǎn)品信息流、供應(yīng)鏈流以及企業(yè)內(nèi)部信息尚未實現(xiàn)上下貫通，信息的傳遞、管理和集成不夠流暢，還有大量的信息孤島存在。

1 信息物理系統(tǒng)

2013年德國提出工業(yè)4.0 戰(zhàn)略，智能制造成為了現(xiàn)在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的方向[3]。《中國制造2025》提出“基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革”[4]。信息物理系統(tǒng)，或賽博物理系統(tǒng)（Cyber physical system，CPS）是融合了物理和生物特性的工程應(yīng)用系統(tǒng)，主要有以下幾個特點：系統(tǒng)的運行通過計算核心集成、監(jiān)測和控制；系統(tǒng)組件在每個層面都通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，運算深度內(nèi)嵌到每個物理組件中；計算核心是嵌入式系統(tǒng)，通常要求實時響應(yīng)、按分布式部署[5]。在制造系統(tǒng)中，CPS 可以是智能機器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施，能夠相互獨立地交換信息、觸發(fā)動作和控制[6]。

CPS 由信息空間和物理空間組成，如圖1所示。物理空間包括生產(chǎn)系統(tǒng)中的人員、設(shè)備、物料、生產(chǎn)線等物理工具和設(shè)施；信息空間包括數(shù)據(jù)、模型和相關(guān)數(shù)字化系統(tǒng)。

圖1 CPS概念示意圖Fig.1 Concept diagram for cyber physical system (CPS)

基于CPS 技術(shù)可以開發(fā)智能單元及設(shè)備，也可以實現(xiàn)生產(chǎn)線、車間等智能制造系統(tǒng)的構(gòu)建。單元和設(shè)備方面，面向航空產(chǎn)品加工、測量、制孔、對接及倉儲物流等具有行業(yè)特點的制造過程，建立研究并實施具有感知-分析-決策-執(zhí)行閉環(huán)控制特點的單元級CPS，將實現(xiàn)對產(chǎn)品狀態(tài)、生產(chǎn)進度、物流管控等方面信息的全方位感知和本地控制調(diào)整，提升航空產(chǎn)品整體工藝能力。此外，打造面向航空產(chǎn)品制造的系統(tǒng)級CPS 可有效解決具有多品種、變批量特點的航空零部件快速研制和穩(wěn)定生產(chǎn)中存在的數(shù)據(jù)處理實時性差、工況狀態(tài)反饋緩慢、運行決策粗放易變等問題，提升航空零部件制造過程的數(shù)據(jù)處理準確性、制造質(zhì)量穩(wěn)定性和產(chǎn)品狀態(tài)一致性。

綜上所述，航空制造業(yè)對以CPS 技術(shù)的應(yīng)用有著迫切的需求。將具有廣泛的狀態(tài)感知能力、實時的信息分析能力、基于分析結(jié)果的自主決策能力和后續(xù)的精準執(zhí)行能力的CPS 技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)線和制造車間，解決以飛機、發(fā)動機典型零部件為代表的產(chǎn)品快速研制和穩(wěn)定生產(chǎn)中存在的數(shù)據(jù)處理實時性差、工況狀態(tài)反饋緩慢、運行決策粗放易變、生產(chǎn)系統(tǒng)柔性差等問題，提高零部件制造過程的數(shù)據(jù)處理準確性、制造質(zhì)量穩(wěn)定性和產(chǎn)品狀態(tài)一致性，提高資源的使用效率，是實現(xiàn)航空產(chǎn)品制造系統(tǒng)的高效運行，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效保障。

2 航空產(chǎn)品制造過程信息物理系統(tǒng)架構(gòu)

與其他工業(yè)產(chǎn)品相比，航空產(chǎn)品制造工藝相對復雜，而且多型號/構(gòu)型、變批量的產(chǎn)品特點也給生產(chǎn)線及車間的資源配置和整體規(guī)劃帶來了難度。建模仿真工具和方法已經(jīng)被用在了產(chǎn)品制造工藝與產(chǎn)線配置方案的驗證和優(yōu)化過程中，但以往這一過程僅限于實際生產(chǎn)制造之前的規(guī)劃階段，仿真的輸入是靜態(tài)的模型和預估的參數(shù)設(shè)定值。仿真結(jié)果對工藝和產(chǎn)線具有一定的指導作用，但是無法在產(chǎn)品實際制造階段持續(xù)提供量化支持。此外，隨著制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing execution system，MES）在航空制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，人員、產(chǎn)品、設(shè)備資源的數(shù)據(jù)能夠被采集和利用，在信息空間中進行處理和分析，從而支持排產(chǎn)調(diào)度、物料配送等業(yè)務(wù)問題的決策。但以往由于多尺度、多維度的異構(gòu)數(shù)據(jù)采集和融合處理方法受限，MES 中的部分決策問題還需人員主觀經(jīng)驗的大量介入，調(diào)整優(yōu)化后的指令向下傳遞也難以直接到達現(xiàn)場設(shè)備，多數(shù)時需要人員在中間傳導，導致系統(tǒng)決策優(yōu)化的科學性和及時性不足。

隨著航空產(chǎn)品實際生產(chǎn)過程中現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)的積累，以及數(shù)據(jù)分布式處理與分布式管理等先進方法的工程化應(yīng)用，生產(chǎn)現(xiàn)場各種類型和各種形式的數(shù)據(jù)可以被統(tǒng)一處理和管理，為上述建模仿真和生產(chǎn)管控兩個方面的分析和決策提供更加準確和及時的輸入，從而提高問題決策的合理性和實效性，及時準確地對當前工藝執(zhí)行、產(chǎn)線運行和資源調(diào)度等各類策略、規(guī)則和指令進行調(diào)整優(yōu)化，實現(xiàn)信息空間和物理空間雙向聯(lián)通的閉環(huán)控制。

針對上述問題，通過對航空產(chǎn)品加工、裝配等典型工藝流程的梳理和分析，參照工業(yè)和信息化部發(fā)布的《信息物理系統(tǒng)白皮書》與中國航空工業(yè)集團有限公司發(fā)布的“航空工業(yè)智能制造架構(gòu)”[4,7]，本文形成了針對航空產(chǎn)品制造過程的CPS 應(yīng)用架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 航空產(chǎn)品制造過程CPS應(yīng)用架構(gòu)Fig.2 CPS application architecture for aviation product manufacturing

其中，物理層主要由生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線和物流傳輸系統(tǒng)組成，通過物聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備、工裝、傳感裝置、機器人與運輸設(shè)備等資源進行互聯(lián)。

信息層主要包括數(shù)據(jù)管理、建模仿真和生產(chǎn)管控3個部分。其中，數(shù)據(jù)管理模塊主要對生產(chǎn)現(xiàn)場采集到的各類結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行清洗、去噪等預處理，并對其統(tǒng)一的管理和存儲，支持其他業(yè)務(wù)應(yīng)用；同時，該模塊還負責將信息層生成的各類生產(chǎn)控制指令下發(fā)至物理層，指導生產(chǎn)調(diào)控。建模仿真優(yōu)化模塊主要依據(jù)產(chǎn)品模型和工藝方案，進行工藝流程和生產(chǎn)系統(tǒng)兩個維度的仿真優(yōu)化，其中物理層產(chǎn)生的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，傳到該模塊中作為迭代仿真的輸入，通過動態(tài)數(shù)據(jù)的仿真能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)實際狀態(tài)的評估與預測，輔助指令、規(guī)則和決策的持續(xù)改進。生產(chǎn)管控系統(tǒng)基于量化數(shù)據(jù)和動態(tài)仿真結(jié)果，對各類生產(chǎn)元素和業(yè)務(wù)進行有效管理和控制。同時，系統(tǒng)還負責與企業(yè)級系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的集成，主要包括模型、計劃、物料相關(guān)信息及執(zhí)行結(jié)構(gòu)的反饋。

通過物理層和信息層之間數(shù)據(jù)和指令的雙向互通，實現(xiàn)航空產(chǎn)品制造過程的動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準執(zhí)行的智能閉環(huán)控制，支持生產(chǎn)制造高效率、高質(zhì)量的運行。

3 面向航空產(chǎn)品制造過程應(yīng)用的CPS 基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺

面向航空產(chǎn)品制造過程應(yīng)用的基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺是實現(xiàn)航空產(chǎn)品制造過程信息物理系統(tǒng)架構(gòu)的工具與單元統(tǒng)一載體，平臺包含的內(nèi)容如圖3所示。

圖3 航空CPS基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺Fig.3 Aviation CPS basic common technology platform

平臺包括軟件平臺部分、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和制造現(xiàn)場部分。制造現(xiàn)場包含航空產(chǎn)品制造過程所需的通用設(shè)備、專用設(shè)備與人員、工裝、工具、量具等其他資源，以及具有感知-分析-決策-執(zhí)行閉環(huán)控制特點的單元級CPS。制造現(xiàn)場層各類元素通過網(wǎng)絡(luò)層接收上層平臺下發(fā)的控制指令，同時反饋執(zhí)行任務(wù)過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

軟件平臺主要包括產(chǎn)品制造工藝及生產(chǎn)線建模仿真與優(yōu)化，以及以生產(chǎn)管控為核心的數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)服務(wù)。其中，平臺與生產(chǎn)現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)與執(zhí)行的交互，制造大數(shù)據(jù)平臺負責存儲和處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，支持以產(chǎn)品為中心的數(shù)字孿生模型構(gòu)建。生產(chǎn)管控系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)的分析進行資源規(guī)劃、質(zhì)量評估等業(yè)務(wù)問題的處理，同時負責與ERP 和PDM 等系統(tǒng)在計劃、工藝和物料等方面信息的集成。

建模與優(yōu)化貫穿產(chǎn)品設(shè)計階段、生產(chǎn)線規(guī)劃階段和生產(chǎn)運行階段，數(shù)字孿生技術(shù)是對建模仿真技術(shù)的擴展，將其擴展至產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的整個生命周期中[8-9]。在生產(chǎn)運行階段，管控系統(tǒng)提供產(chǎn)品制造的相關(guān)工藝執(zhí)行、資源狀態(tài)和質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，并基于數(shù)字孿生技術(shù)[10]，建立實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品孿生、工藝孿生、設(shè)備孿生和產(chǎn)線孿生模型實例。以仿真結(jié)合規(guī)則和算法優(yōu)化的方式，解決生產(chǎn)管控過程中任務(wù)排產(chǎn)、資源調(diào)度、物料配送、工藝調(diào)整等決策問題。

本文在航空CPS 基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)上，具體對每個模塊功能進行了劃分（圖4），框架主體分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。

圖4 航空CPS基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺具體功能Fig.4 Specific functions of aviation CPS basic common technology platform

（1）物理層。

物理層是構(gòu)建智能工藝裝備的核心，是支持產(chǎn)品工藝升級、實現(xiàn)生產(chǎn)線智能化的技術(shù)基礎(chǔ)，包括單元級CPS、生產(chǎn)通用設(shè)備、生產(chǎn)專用設(shè)備和其他生產(chǎn)資源。通過智能設(shè)備對物理世界的信息進行感知，同時對智能決策進行執(zhí)行。根據(jù)航空行業(yè)的特點，智能裝置主要包括但不限于6 種類型的CPS 單元，即在線檢測CPS 單元、精密加工CPS 單元、自動制孔CPS 單元、精準對合CPS 單元、倉儲管理CPS 單元和物流配送CPS 單元。這6 類CPS 單元涵蓋了從零件精密加工到飛機部件精準裝配的環(huán)節(jié)，同時從管控的角度對產(chǎn)線級系統(tǒng)智能生產(chǎn)進行了支持。在單元級CPS 的基礎(chǔ)上，進行設(shè)備智能化提升，實現(xiàn)設(shè)備運行過程的本地監(jiān)控和自主決策，提高設(shè)備制造能力。物理層作為支持精準作業(yè)的現(xiàn)場環(huán)境，為行業(yè)CPS 系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。

網(wǎng)絡(luò)層是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞、信息共享的基礎(chǔ)。CPS 網(wǎng)絡(luò)需要屏蔽掉物理層CPS 單元的異構(gòu)性，實現(xiàn)無縫連接，為應(yīng)用層提供決策的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)車間工業(yè)以太網(wǎng)布局、異構(gòu)CPS 單元互聯(lián)與集成、車間工業(yè)以太網(wǎng)與企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)集成等。網(wǎng)絡(luò)層可以實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的數(shù)字化、自動化設(shè)備集成，以及設(shè)備層與管控層信息的互聯(lián)互通，并為上層應(yīng)用系統(tǒng)提供資源共享的基礎(chǔ)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

（3）系統(tǒng)層。

系統(tǒng)層是管理和控制生產(chǎn)制造設(shè)備硬件與軟件資源、存儲和分析工業(yè)數(shù)據(jù)的平臺。航空產(chǎn)品制造過程中涉及產(chǎn)品質(zhì)量、工藝參數(shù)、物流狀態(tài)、工裝工具狀態(tài)、人員等各種類型的數(shù)據(jù)，解決這些多維海量數(shù)據(jù)的存儲管理、分析利用問題是系統(tǒng)層的核心能力之一。一方面，系統(tǒng)為生產(chǎn)現(xiàn)場機器設(shè)備提供標準的接入方式，對設(shè)備、物料等生產(chǎn)資源、通信資源和數(shù)據(jù)資源進行標準化統(tǒng)一管理，為工業(yè)軟件/工業(yè)APP 的開發(fā)、運行提供基礎(chǔ)支撐。另一方面，系統(tǒng)可以為開發(fā)者提供基礎(chǔ)服務(wù)，開發(fā)各種工業(yè)級軟件工具，同時也可以將用戶作為數(shù)據(jù)托管方，則可以使用這些APP 進行設(shè)備管理、運營維護等。此外，針對上層面向航空產(chǎn)品研制過程中不同的應(yīng)用流程和場景，提供開發(fā)用基礎(chǔ)平臺，包括支持建模仿真的三維CAD/CAM 工具、支持產(chǎn)品工藝/工裝/檢驗設(shè)計的CAPP 和PDM 等平臺、支持生產(chǎn)管控前端開發(fā)的如HTML/CSS/JavaScript 等組件，以及支持后端業(yè)務(wù)邏輯開發(fā)的如Java 等開發(fā)平臺。面向生產(chǎn)基礎(chǔ)共性軟件工具集部署在系統(tǒng)層，支持航空產(chǎn)品研制各類業(yè)務(wù)的應(yīng)用開發(fā)和集成等。

（4）應(yīng)用層。

應(yīng)用層面向平臺的用戶，從業(yè)務(wù)的角度將信息、工具封裝為不同的應(yīng)用系統(tǒng)或應(yīng)用模式等，使用戶能夠直接進行業(yè)務(wù)處理。應(yīng)用層中包括了四類應(yīng)用領(lǐng)域，分別是產(chǎn)品及生產(chǎn)過程虛擬仿真、基于數(shù)字線的開發(fā)制造一體化、生產(chǎn)執(zhí)行管控以及MES 與PLM/ERP 系統(tǒng)集成，分別包含若干個支持航空產(chǎn)品研制的軟件工具。

本文構(gòu)建的共性基礎(chǔ)技術(shù)平臺面向航空產(chǎn)品研制，支持航空CPS 的規(guī)劃、搭建、運行和優(yōu)化等過程，是CPS 技術(shù)在航空制造業(yè)具體落地應(yīng)用的技術(shù)支撐。

4 CPS 基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺應(yīng)用實踐

本文以某型發(fā)動機外涵機匣裝配生產(chǎn)線為對象，將CPS 基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺進行了部分功能的實施。

（1）機匣裝配生產(chǎn)線CPS 架構(gòu)設(shè)計。

以往某型發(fā)動機外涵機匣的鉚接裝配等工序為手工裝配結(jié)合半自動壓鉚機鉚接成形的方式，生產(chǎn)效率和裝配質(zhì)量嚴重依賴工人技能水平，極大制約產(chǎn)能擴充及裝配質(zhì)量。為了解決上述問題，本文結(jié)合新建的外涵機匣自動化裝配生產(chǎn)線，基于行業(yè)CPS 整體架構(gòu)和共性技術(shù)平臺，結(jié)合發(fā)動機外涵機匣裝配特點，建立了單元級、設(shè)備級和系統(tǒng)級的CPS 測試環(huán)境，并將平臺中的軟件工具、CPS 單元等成果在該生產(chǎn)線上進行測試應(yīng)用，通過信息層與物理層的交互，實現(xiàn)物流信息流的集成，有效提高了裝配效率和質(zhì)量穩(wěn)定性。外涵機匣自動化裝配生產(chǎn)線信息物理系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示。

（2）單元級CPS 應(yīng)用驗證。

單元級CPS 通常包含一組硬件裝置和軟件系統(tǒng)，二者配合實現(xiàn)感知-分析-決策-執(zhí)行的閉環(huán)智能控制。

物流配送CPS 單元用于生產(chǎn)線內(nèi)各類物料的自動轉(zhuǎn)運，硬件部分由全向移動平臺、工業(yè)機器人和工件末端執(zhí)行器構(gòu)成，軟件部分主要包括移動平臺和機器人的控制系統(tǒng)以及自主調(diào)度系統(tǒng)，如圖6所示。單元對控制系統(tǒng)、分析處理系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)進行了集成與通信，并利用視覺傳感器、力傳感器以及激光傳感器等感知執(zhí)行過程中的狀態(tài)，融合分析數(shù)據(jù)，并進行決策處理，進而實現(xiàn)執(zhí)行過程的控制。此外，針對不同的產(chǎn)品和生產(chǎn)現(xiàn)場，可以適當調(diào)整具有抓放功能的末端執(zhí)行器，而保留其余結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的整體，具有一定的通用性。

圖6 物流配送CPS單元構(gòu)成Fig.6 Components of material transporting CPS unit

在機匣裝配生產(chǎn)線中，物流配送機器人用于多個站位之間零件的自動轉(zhuǎn)運，運行流程如圖7所示。通過單元與自動化設(shè)備之間的集成通信，及時獲得零件的加工完成時間和抓取位置，同時感知到配送目標位置待料區(qū)的庫存情況，從而確定零件的具體運送位置。通過該單元在生產(chǎn)線內(nèi)的驗證，實現(xiàn)了生產(chǎn)線物料配送的自動化和部分自主化，提升了生產(chǎn)線智能化程度，提高生產(chǎn)效率，減少了可能出現(xiàn)的異常情況。

圖7 物流配送CPS單元運行流程Fig.7 Operation process of material transporting CPS unit

（3）設(shè)備級CPS 應(yīng)用驗證。

在“一硬一軟”單元級CPS 的基礎(chǔ)上，配合設(shè)備其他機械裝置和控制系統(tǒng)，構(gòu)成了設(shè)備級CPS，能夠根據(jù)感知的到實際工況狀態(tài)加以分析，從而調(diào)整和優(yōu)化設(shè)備下一步執(zhí)行指令。

自動制孔CPS 作為自動制孔過程的末端執(zhí)行裝置，配合五軸數(shù)控設(shè)備，構(gòu)成了設(shè)備級CPS，在該生產(chǎn)線中用于機匣產(chǎn)品的自動制孔。通過智能相機的視覺定位實現(xiàn)制孔末端的精確定位，并通過法向補償方式對孔位及方向進行精確調(diào)整，進而提高制孔定位精度和孔垂直度。物理空間中的數(shù)據(jù)被采集并傳輸?shù)叫畔⒖臻g，通過分析和決策又將下一步的控制指令反饋回物理空間，從而完成兩個空間的閉環(huán)控制。該CPS 的視覺定位及調(diào)整流程如圖8所示。

圖8 自動制孔CPS單元視覺定位及調(diào)整流程Fig.8 Visual localization and adjustment process of automatic drilling CPS unit

此外，該自動制孔設(shè)備運行過程中的幾何和非幾何信號由控制系統(tǒng)采集獲得，通過運用機構(gòu)模型構(gòu)建和同步實現(xiàn)了設(shè)備運行狀態(tài)的虛實映射。通過信息空間中設(shè)備運行狀態(tài)的實時仿真分析，當可能出現(xiàn)干涉碰撞或質(zhì)量超差的情況時，自動調(diào)整工藝參數(shù)或下達停機等指令至實際設(shè)備的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)異常事件的提前發(fā)現(xiàn)與解決，同時還支持離線狀態(tài)下的設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與加工質(zhì)量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，支持制孔工藝的持續(xù)改進。自動制孔設(shè)備運行狀態(tài)三維可視化效果如圖9所示。

圖9 機匣裝配生產(chǎn)線自動制孔設(shè)備運行狀態(tài)可視化Fig.9 Operating state visualizing for automatic drilling machine in engine case assembly line

（4）系統(tǒng)級CPS 應(yīng)用驗證。

系統(tǒng)級CPS 是將單元級、系統(tǒng)級CPS 以及其他非CPS 設(shè)備和裝置通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，組成統(tǒng)一的系統(tǒng)，實現(xiàn)單元、設(shè)備之間的協(xié)同調(diào)配和管控。

在外涵機匣裝配生產(chǎn)線內(nèi)，通過CPS 基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺中可視化工具集的應(yīng)用，實現(xiàn)了工藝執(zhí)行狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)和生產(chǎn)線整體狀態(tài)等信息的反饋與可視化。工序資源管理使用圖形化方式將工藝路徑中的每個工序所關(guān)聯(lián)的資源通過圖形化的語言實現(xiàn)直觀展示。通過對生產(chǎn)線各類生產(chǎn)要素的采集與匯總，以生產(chǎn)監(jiān)控總覽圖的方式對各站位運行情況進行可視化展示（圖10），同時根據(jù)工序執(zhí)行狀態(tài)、物料配送狀態(tài)等信息對各站位進行狀態(tài)判斷，自動調(diào)整任務(wù)排產(chǎn)、物料配送等決策方案，并將調(diào)整后的加工、測量、物流等指令和相關(guān)數(shù)控程序下發(fā)至設(shè)備進行自動執(zhí)行，從而實現(xiàn)了生產(chǎn)線系統(tǒng)層級的信息-物理空間閉環(huán)控制。

圖10 機匣裝配生產(chǎn)線現(xiàn)場監(jiān)控總覽圖Fig.10 Overall screen of production monitoring in engine case assembly line

通過CPS 基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺中的工具和單元在發(fā)動機機匣裝配生產(chǎn)線的應(yīng)用，構(gòu)建了面向物流配送的單元級CPS 和面向自動制孔的設(shè)備級CPS，同時形成了由面向生產(chǎn)作業(yè)監(jiān)控與管理的軟件工具與生產(chǎn)線物理實體構(gòu)成的系統(tǒng)級CPS，為該生產(chǎn)線運行過程可視化和科學化管控提供了重要的技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

本文針對航空產(chǎn)品及其生產(chǎn)制造過程特點，提出了CPS 在航空產(chǎn)品制造過程中的應(yīng)用架構(gòu)。由數(shù)據(jù)管理、建模仿真和生產(chǎn)管控3 個部分組成的信息層與現(xiàn)場物理實體構(gòu)成的物理層通過數(shù)據(jù)和指令的雙向互通，實現(xiàn)航空產(chǎn)品制造過程的感知、分析、決策和執(zhí)行閉環(huán)控制。在此基礎(chǔ)上，形成了面向航空產(chǎn)品制造過程的CPS基礎(chǔ)共性技術(shù)平臺，涵蓋建模仿真、生產(chǎn)過程可視化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計評價等軟件工具和自動制孔、物流配送等單元級CPS。平臺中的工具、單元和系統(tǒng)在某型發(fā)動機機匣裝配生產(chǎn)線上進行了應(yīng)用驗證，實現(xiàn)了工藝狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)狀態(tài)的反饋與控制。通過多層級CPS 在實際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，提升了生產(chǎn)線整體可視化和智能化程度，提高了生產(chǎn)效率，為CPS 相關(guān)技術(shù)、單元和系統(tǒng)在航空制造業(yè)的應(yīng)用落地起到了較好的示范作用。