航空復(fù)合材料智能制造新模式的探索與實(shí)踐

馬 軍，萬(wàn)建平，任衛(wèi)安，吳靜青，蔡洋陽(yáng)

（航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330024）

航空產(chǎn)品不僅具有品種多、批量小、科研批產(chǎn)混線等離散制造特征，又具有多學(xué)科、邊緣性、尖端性等特點(diǎn)，處于制造領(lǐng)域的頂端[1]。近幾年全球航空產(chǎn)品大量應(yīng)用復(fù)合材料作為機(jī)體結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外已有多型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量占比超出50%。復(fù)合材料已成為當(dāng)前及今后數(shù)十年航空產(chǎn)品的重要組成部分。國(guó)內(nèi)復(fù)合材料產(chǎn)品專業(yè)生產(chǎn)工廠數(shù)量也在大量增長(zhǎng)，來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品的井噴需求。提高復(fù)合材料產(chǎn)品生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性無(wú)疑是當(dāng)前各個(gè)復(fù)合材料工廠特別關(guān)注的問(wèn)題。建立以自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化制造為主的數(shù)字工廠能夠較快地解決這些問(wèn)題。

在“中國(guó)制造2025”牽引下，各部委制定并發(fā)布了多項(xiàng)智能制造發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃和項(xiàng)目指南，如“智能制造新模式應(yīng)用示范項(xiàng)目”，推進(jìn)了智能制造的發(fā)展和應(yīng)用，夯實(shí)了智能制造的技術(shù)基礎(chǔ)[2]。隨著信息技術(shù)和制造技術(shù)不斷發(fā)展，以信息化方式驅(qū)動(dòng)的制造業(yè)產(chǎn)品、裝備、工藝、管理、服務(wù)的智能制造已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要發(fā)展方向[3]。而數(shù)字化工廠作為智能制造實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)載體，是邁向智能制造不可跨越的基石，也是結(jié)合當(dāng)下航空復(fù)合材料產(chǎn)品制造走向智能制造的第一步[4–6]。

復(fù)合材料智能制造與其他傳統(tǒng)行業(yè)的制造轉(zhuǎn)型不一樣，比如汽車行業(yè)發(fā)展經(jīng)過(guò)100 多年的歷史，歷經(jīng)工業(yè)“1.0 機(jī)械化”時(shí)代、“工業(yè)2.0”電氣化時(shí)代、“工業(yè)3.0”信息化時(shí)代，其自動(dòng)化、電氣化及數(shù)字化程度已經(jīng)相當(dāng)高，向“工業(yè)4.0”的智能化制造時(shí)代邁進(jìn)有很好的基礎(chǔ)，相對(duì)容易轉(zhuǎn)型[7]，而航空復(fù)合材料發(fā)展僅40 多年歷史，技術(shù)成熟性、制造技術(shù)自動(dòng)化、數(shù)字化等方面還存在很多困難。通過(guò)某航空復(fù)合材料數(shù)字化工廠的建設(shè)實(shí)踐，完成了復(fù)合材料制造過(guò)程的全面信息化、數(shù)字化，主工序流的自動(dòng)化，建立了航空復(fù)合材料制造新的生產(chǎn)管控模式。在目前國(guó)內(nèi)航空復(fù)合材料制造行業(yè)以手工作業(yè)為主的現(xiàn)狀下優(yōu)先一步實(shí)現(xiàn)了制造轉(zhuǎn)型，具有較好的智能制造示范作用。

1 航空復(fù)合材料制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型面臨的難點(diǎn)

由于復(fù)合材料制造的特殊性，相比其他專業(yè)，復(fù)合材料數(shù)字化工廠建設(shè)中存在其獨(dú)有的不同點(diǎn)和難點(diǎn)，主要表現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差、產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)、離散型制造、制造過(guò)程大多是特種工藝等，這在數(shù)字化工廠建設(shè)過(guò)程中，尤其是實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中是不可回避的問(wèn)題。

1.1 質(zhì)量穩(wěn)定性差

復(fù)合材料生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)連續(xù)滾動(dòng)生產(chǎn)存在一個(gè)較為致命的問(wèn)題：受產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)影響較大，易出現(xiàn)斷點(diǎn)。質(zhì)量波動(dòng)的原因與復(fù)合材料制造特性相關(guān)。復(fù)合材料制造過(guò)程會(huì)受到原材料性能、物流存儲(chǔ)環(huán)境、周轉(zhuǎn)時(shí)間、固化速度、固化溫度、固化時(shí)間等影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的性能波動(dòng)，是一種材料與結(jié)構(gòu)同時(shí)完成的制造過(guò)程，當(dāng)出現(xiàn)如預(yù)浸料儲(chǔ)存溫度不當(dāng)、材料吸濕、固化速率異常等問(wèn)題時(shí)，即使已經(jīng)批量生產(chǎn)已久的產(chǎn)品，其質(zhì)量都會(huì)存在明顯差異或產(chǎn)生缺陷[8–9]。

1.2 研制周期長(zhǎng)

當(dāng)前航空產(chǎn)品大多采用的是設(shè)計(jì)制造一體化結(jié)構(gòu)的聚合物基復(fù)合材料。工廠前期要為結(jié)構(gòu)的各向異性設(shè)計(jì)提供新材料的各類力學(xué)性能數(shù)據(jù)，并針對(duì)新材料開(kāi)展工藝性評(píng)估；確定工藝方案，并將方案融合到結(jié)構(gòu)定制化工裝設(shè)計(jì)中，采用一個(gè)結(jié)構(gòu)一種工裝方案；在工裝到位后進(jìn)行工裝匹配性驗(yàn)證；進(jìn)行材料和工藝試驗(yàn)工程分析。研制過(guò)程中涉及各類學(xué)科的交集。

在研制過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行原因分析需要有一定的工程背景和經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，因?yàn)閺?fù)合材料所呈現(xiàn)的產(chǎn)品缺陷原因大多數(shù)不可直觀地看出來(lái)，而是要綜合分析推理，甚至通過(guò)故障復(fù)現(xiàn)來(lái)得到結(jié)論。如此通過(guò)不斷地驗(yàn)證迭代，最終確定相對(duì)較好的工藝方法，研制出首批產(chǎn)品，研制周期較長(zhǎng)[10]。

1.3 離散型制造

航空產(chǎn)品制造是典型的離散型制造，具有零部件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多品種小批量、制造過(guò)程路線高度柔性等特點(diǎn)[11]。如在同一個(gè)工廠內(nèi)，同時(shí)有多個(gè)型號(hào)零件需要投產(chǎn)；同一個(gè)型號(hào)零件全年的投產(chǎn)量不大；同一個(gè)型號(hào)又可能有多種技術(shù)狀態(tài)同時(shí)在生產(chǎn)。所以工廠會(huì)存在工裝數(shù)量多、人員需求大、研制與批產(chǎn)同時(shí)排產(chǎn)導(dǎo)致資源沖突、因各類因素影響的生產(chǎn)斷點(diǎn)等。為解決多品種小批量問(wèn)題，在生產(chǎn)組織管理模式上較多采取工序?qū)I(yè)化、并行作業(yè)、柔性作業(yè)等方式。

1.4 特種工藝多

聚合物基復(fù)合材料制造過(guò)程涉及很多特種工藝，這些特種工藝受制造中相關(guān)原材料數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、環(huán)境影響較大，并直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以為了很好地對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行追溯、控制，零件生產(chǎn)制造時(shí)需要對(duì)特種工藝加工參數(shù)全過(guò)程進(jìn)行記錄，如鋪貼時(shí)凈化間的溫濕度、原材料的批次號(hào)、鋪層方向和角度、操作細(xì)節(jié)參數(shù)、全過(guò)程固化參數(shù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)涉及各類文字、特殊字符、數(shù)字、字母等，采集數(shù)據(jù)工作量極大。

上述這些特征，在數(shù)字化工廠建設(shè)中都需要開(kāi)展專項(xiàng)分析，定制開(kāi)發(fā)工作。

2 復(fù)合材料數(shù)字化工廠建設(shè)

復(fù)合材料專業(yè)在數(shù)字化、智能化制造轉(zhuǎn)型中有很大的困難及挑戰(zhàn)，但是作為先進(jìn)航空制造的重要一環(huán)，轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨，如何精準(zhǔn)分析復(fù)合材料制造體系專業(yè)、要素、流程及應(yīng)用技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠建設(shè)成果關(guān)鍵。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中首先規(guī)劃前置、頂層布局，前期規(guī)劃很大程度決定了項(xiàng)目的走向及最終形態(tài)：（1）該項(xiàng)目是一個(gè)全新的項(xiàng)目，在建設(shè)初期進(jìn)行詳細(xì)的廠房建設(shè)、產(chǎn)線建設(shè)的數(shù)字化、智能化規(guī)劃，而非簡(jiǎn)單的產(chǎn)線改造；（2）專業(yè)分割、流程再造，將復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行分解，找到每個(gè)子項(xiàng)的解決途徑，該項(xiàng)目通過(guò)將獨(dú)立性很強(qiáng)的專業(yè)進(jìn)行單獨(dú)分割，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)區(qū)域分割、生產(chǎn)流程分割，處理好專業(yè)多、離散的問(wèn)題；（3）小專業(yè)、大平臺(tái)管理模式，專業(yè)、工序上的離散、分解是為了更清晰地建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化方面的匯集，平臺(tái)式統(tǒng)一管理。通過(guò)不同單個(gè)小專業(yè)首先進(jìn)行流程驅(qū)動(dòng)的再造、自動(dòng)化建設(shè)，最終對(duì)不同的專業(yè)進(jìn)行信息化平臺(tái)統(tǒng)籌管理，以大平臺(tái)的方式進(jìn)行工廠數(shù)字化管理。

在數(shù)字化工廠的建設(shè)方面，國(guó)內(nèi)外已有很多專家學(xué)者進(jìn)行了框架規(guī)劃，部分企業(yè)也完成了建設(shè)工作，如數(shù)控加工專業(yè)已有較多的建設(shè)案例，各專業(yè)在總體框架、層級(jí)、保障體系方面的建設(shè)較為平均。復(fù)合材料數(shù)字化工廠建設(shè)總體框架 （圖1）主要涵蓋了智能設(shè)計(jì)、智能經(jīng)營(yíng)、智能制造3 個(gè)層面。本文從復(fù)合材料數(shù)字化工廠建設(shè)過(guò)程中需要特別關(guān)注的3 個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

圖1 復(fù)合材料數(shù)字化工廠框架Fig.1 Framework of composite material digital factory

2.1 廠房和設(shè)備

2.1.1 廠房規(guī)劃與建設(shè)

復(fù)合材料數(shù)字化工廠的規(guī)劃應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)線的布局，綜合評(píng)估凈化間、固化區(qū)、加工區(qū)、裝配區(qū)的位置和布局，以物流最便捷、行程最短為原則確定。廠房?jī)?nèi)各區(qū)應(yīng)布置必要的網(wǎng)口、監(jiān)測(cè)環(huán)境點(diǎn)以及AGV（自動(dòng)導(dǎo)引車）物流通道。預(yù)浸料存儲(chǔ)冷庫(kù)與凈化間的接轉(zhuǎn)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化存、取、送。固化區(qū)充分考慮工裝流轉(zhuǎn)、產(chǎn)品流轉(zhuǎn)、起模面積及網(wǎng)點(diǎn)。凈化間通道門應(yīng)實(shí)現(xiàn)物流車的感應(yīng)開(kāi)合。各功能區(qū)的高度要對(duì)設(shè)備行程和廠房造價(jià)進(jìn)行雙向評(píng)估。此外，工廠內(nèi)部建立一套完整的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)廠房，為所有設(shè)備及傳感器終端的互聯(lián)互通打下基礎(chǔ)。如圖2～4 所示，在規(guī)劃建設(shè)前應(yīng)當(dāng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)點(diǎn)布置、工藝及物流布局進(jìn)行設(shè)計(jì)并仿真優(yōu)化。

圖2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of industrial network architecture

圖3 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)位示意圖Fig.3 Schematic diagram of industrial network points

圖4 工序及物流布局示意圖Fig.4 Schematic diagram of process and logistics layout

2.1.2 設(shè)備規(guī)劃與建設(shè)

建立復(fù)合材料數(shù)字化工廠，應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)每個(gè)工序的自動(dòng)化制造，以統(tǒng)一應(yīng)用基于VPM 數(shù)據(jù)源，通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備接收、傳遞、提取、記錄數(shù)字信息。自動(dòng)化設(shè)備是數(shù)字化工廠建設(shè)的基石。航空復(fù)合材料制造主要的工序包括預(yù)浸料坯料的預(yù)成型（下料和鋪放）、預(yù)浸料固化、復(fù)合材料加工、復(fù)合材料內(nèi)部和外部質(zhì)量檢測(cè)以及復(fù)合材料部件裝配。工藝方法不同，選擇和匹配生產(chǎn)線上的自動(dòng)化設(shè)備也不同。圖5展示了一些主流的自動(dòng)化設(shè)備。

圖5 主工序及相應(yīng)設(shè)備需求圖Fig.5 Diagram of main process and corresponding equipment requirements

（1）預(yù)成型。主要自動(dòng)化設(shè)備有下料機(jī)、激光投影儀、自動(dòng)鋪放設(shè)備、縫合機(jī)等。根據(jù)零件的形狀、尺寸、纖維方向進(jìn)行自動(dòng)排版、自動(dòng)切割、自動(dòng)鋪放。

（2）固化。主要自動(dòng)化設(shè)備有熱壓罐、固化爐、RTM（液態(tài)成形）注射機(jī)+固化爐、熱壓床等。根據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制及預(yù)設(shè)固化曲線，完成產(chǎn)品的固化。

（3）機(jī)加。主要自動(dòng)化設(shè)備有五坐標(biāo)加工中心、蜂窩超聲銑、水切割等。根據(jù)不同材質(zhì)選擇不同加工手段，減少應(yīng)力損傷。在加工產(chǎn)品前先進(jìn)行仿真，避免加工程序的編制錯(cuò)誤，并達(dá)到加工時(shí)長(zhǎng)的最優(yōu)化。

（4）檢測(cè)。主要自動(dòng)化設(shè)備有激光跟蹤儀、激光雷達(dá)、三坐標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)、大型C 掃描、熱成像等。通過(guò)裝夾零件及預(yù)制數(shù)模，設(shè)備自動(dòng)對(duì)零件的內(nèi)部和外部質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

（5）裝配。主要自動(dòng)化設(shè)備為自動(dòng)鉆鉚機(jī)，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行自動(dòng)制孔、吸塵、涂膠、制釘。

針對(duì)各主工序，自動(dòng)化設(shè)備均以設(shè)計(jì)數(shù)模和材料參數(shù)為依據(jù)，先仿真后操作，避免工藝偏差。經(jīng)過(guò)仿真后確定的參數(shù)能夠保證固化制度可靠、加工機(jī)制穩(wěn)定，減少人為偏差。自動(dòng)化設(shè)備在加工后會(huì)留存下當(dāng)下加工零件的過(guò)程數(shù)據(jù)，用于后繼質(zhì)量追溯和大數(shù)據(jù)分析。

2.2 信息系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)

對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品從原材料到成品整個(gè)制造過(guò)程進(jìn)行信息數(shù)據(jù)管控。以制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES）為主線驅(qū)動(dòng)工序流轉(zhuǎn)，制造工序流轉(zhuǎn)過(guò)程中可以通過(guò)集成的工藝系統(tǒng) （CAPP）完成工藝要求的導(dǎo)入，通過(guò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）集成實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要素的導(dǎo)入，完成制造過(guò)程的源頭數(shù)據(jù)要求與制造過(guò)程集成，同時(shí)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) （TDM）、制造資源、質(zhì)量管理系統(tǒng) （IQS）也通過(guò)與MES 系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)連通、流轉(zhuǎn)、運(yùn)行閉環(huán)，從而提高制造效率和過(guò)程管理。但是相比其他行業(yè)，復(fù)合材料數(shù)字化工廠在工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備管控、物料管控方面具有獨(dú)特的建設(shè)需求。

2.2.1 工藝設(shè)計(jì)與分析

復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，特種工藝多，從設(shè)計(jì)輸入端到零件制造端的流程有工藝設(shè)計(jì)規(guī)劃、制造方案規(guī)劃、任務(wù)計(jì)劃排程、質(zhì)量分析和反饋，因其制造過(guò)程受各要素關(guān)聯(lián)性大、制造缺陷分析難、工程經(jīng)驗(yàn)需求大等特點(diǎn)，所以在數(shù)字工廠建設(shè)過(guò)程中，需要重點(diǎn)解決。

技術(shù)解決路線主要有3 條：（1）制造過(guò)程要素的資源整合和自動(dòng)調(diào)配，包括設(shè)備適用性、工裝結(jié)構(gòu)、工藝規(guī)范（技術(shù)參數(shù)）等；（2）以相同結(jié)構(gòu)相同技術(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ)的類比模擬查找；（3）以庫(kù)存的大量歷史數(shù)據(jù)（含缺陷發(fā)生的結(jié)構(gòu)、部位、頻次等），以類同法模糊查找缺陷原因，歷史數(shù)據(jù)來(lái)源于真實(shí)的制造缺陷。以3 條主線建立智能工藝設(shè)計(jì)與分析軟件平臺(tái)架構(gòu)，并將CAPP、IQS、MES 等信息資源導(dǎo)入。

智能工藝設(shè)計(jì)與分析軟件系統(tǒng)采用Java 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，基于SpringMVC+Hibernate+Minidao （類Mybatis）+Easyui（UI 庫(kù)）+Jquery+Boostrap+Ehcache+Ztree+Vue+Boostrap-table+ElementUI 等基礎(chǔ)架構(gòu)實(shí)現(xiàn) （圖6）。

圖6 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.6 Architecture diagram of system

智能工藝設(shè)計(jì)與分析平臺(tái)是基于專家知識(shí)庫(kù)的復(fù)合材料快速工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、模糊故障分析，達(dá)到縮短工藝設(shè)計(jì)周期、降低工藝設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、加快問(wèn)題診斷的目標(biāo)。圖7為軟件核心部分專家知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)框架。通過(guò)輸入新產(chǎn)品或缺陷的關(guān)鍵檢索字，生成模糊工藝規(guī)程或產(chǎn)品故障模擬分析結(jié)果。工程技術(shù)人員通過(guò)模糊查找和類比，也可較快開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)和故障判定，縮減設(shè)計(jì)周期，提高判斷準(zhǔn)確度。隨著數(shù)據(jù)量的加大，軟件的自主分析與判斷功能會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大。

圖7 專家知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)框架Fig.7 Expert knowledge base design framework

此外，工藝方案（制造規(guī)程、工裝數(shù)模、加工程序等）設(shè)計(jì)后應(yīng)進(jìn)行必要的仿真優(yōu)化，幫助技術(shù)人員查找策劃的不足?；诜抡孳浖M(jìn)行復(fù)雜工藝技術(shù)仿真，如液態(tài)成型工藝模擬仿真、自動(dòng)鋪放模擬仿真、柔性加工模擬仿真、數(shù)字化裝配過(guò)程仿真等，整個(gè)制造過(guò)程進(jìn)行前期管理、優(yōu)化，以提升制造結(jié)果的準(zhǔn)確性。制造結(jié)束再將過(guò)程不足或收獲反饋工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)專家知識(shí)庫(kù)，專家系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題在平臺(tái)上進(jìn)行診斷、反饋、修正，以達(dá)到制造技術(shù)和信息技術(shù)共同提升，從而完成制造前期、制造過(guò)程及制造后期的全過(guò)程數(shù)據(jù)管理。

2.2.2 排產(chǎn)管理

工廠接收訂單后，對(duì)內(nèi)部的各類資源（人、機(jī)、料、外來(lái)件、場(chǎng)地）進(jìn)行快速準(zhǔn)備和調(diào)配，形成可執(zhí)行任務(wù)清單，排出月計(jì)劃、周計(jì)劃、日計(jì)劃及設(shè)備排班表。排產(chǎn)軟件的開(kāi)發(fā)是十分必要的，排產(chǎn)軟件開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容應(yīng)包括對(duì)各類產(chǎn)品的工藝流程、生產(chǎn)節(jié)拍、所需資源的信息儲(chǔ)備，并以復(fù)合材料制造所必須遵守的一些限制條件作為約束條件納入算法。

在建立數(shù)學(xué)模型、確定約束條件時(shí)要重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）生產(chǎn)準(zhǔn)備。生產(chǎn)準(zhǔn)備工序具有物料多、組合零件多、儲(chǔ)存環(huán)境特殊等特點(diǎn)，如預(yù)浸料要存在冷庫(kù)中，取出后有晾置周期的要求。大多數(shù)組合件由多個(gè)復(fù)合材料小零件膠接而成，各小零件存在不同材質(zhì)和工藝的差異，導(dǎo)致制造周期不等。所以底層物料和零件的生產(chǎn)信息獲取、準(zhǔn)確交付、同步交付控制較難，需要通過(guò)合理排產(chǎn)，并參考?xì)v史加工周期進(jìn)行確定，在排產(chǎn)算法中考慮的要素應(yīng)全覆蓋。

（2）固化工序。由于熱壓罐等設(shè)備容積大、能耗大，從成本和尺寸方面考慮，大多數(shù)情況下要多個(gè)零件同時(shí)同一個(gè)設(shè)備一起固化，這需要同時(shí)固化的多個(gè)零件前序時(shí)間安排要協(xié)同，在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)要充分調(diào)用零件工序流程、工序歷史加工時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)、原材料用量、零件原材料固化參數(shù)、設(shè)備定檢周期、工裝面積與數(shù)量、計(jì)劃交付順序、設(shè)備容積等，一并納入算法中作為約束條件。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況并考慮相關(guān)約束，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，其中目標(biāo)函數(shù)主要考慮生產(chǎn)準(zhǔn)備成本+熱壓罐運(yùn)行成本+持貨成本+缺貨懲罰成本，并將其最小化。

（1）已知參數(shù)。t：計(jì)劃期（天）序列，1，…，T；i：工件序列，1，…，I；k：工件和最終部件序列，{1，…，I} ∪endp；j：最終部件集合，endp；m：材料序列，1，…，M；g：熱壓罐序列，1，…，G；ηk：工件/部件k的直接子項(xiàng)；θk：工件/部件k的直接父項(xiàng)；lik：生產(chǎn)直接父項(xiàng)k，子項(xiàng)i需要的熱處理次數(shù)；lti：i生產(chǎn)完畢，經(jīng)過(guò)靜置以及后序工序的加工之后，到父項(xiàng)k的間隔期；rik：工件 /部件k當(dāng)中工件i的個(gè)數(shù)，k是i的直接父項(xiàng)；ditj：第t期，部件j對(duì)直接子項(xiàng)i的需求量；bim：0～1系數(shù)，工件i屬于材料m則為1；vi：工件i對(duì)應(yīng)工裝的面積；sg：罐g的面積/容積；sci：工件i的生產(chǎn)準(zhǔn)備成本；hci：工件i的持貨成本；bci：工件i的缺貨成本；pcgm：熱壓罐g加工材料m的一次運(yùn)行成本；fi：工裝i的數(shù)量；B：非常大的數(shù)。

（2）決策變量。：第t期，為直接父項(xiàng)k生產(chǎn)的工件i的期末可用庫(kù)存量，對(duì)應(yīng)的最終部件是j；：第t期，為直接父項(xiàng)k生產(chǎn)的工件i的期末中間態(tài)庫(kù)存量，對(duì)應(yīng)的最終部件是j（工廠實(shí)際為第t期生產(chǎn)的工件i需要經(jīng)過(guò)靜置、打磨檢測(cè)等后續(xù)工序，才可以再次進(jìn)罐加工?？紤]將這部分工序整個(gè)視為靜置期，把靜置期內(nèi)的庫(kù)存視為不可用的中間態(tài)庫(kù)存，經(jīng)過(guò)了靜置期，這個(gè)“中間態(tài)庫(kù)存”才可以被使用）。：第t期，為直接父項(xiàng)（部件j）生產(chǎn)的工件i的期末缺貨量；Zmgt：0～1變量，若第t期，在g罐里，生產(chǎn)m材料，則為1，反之為0；：0～1 變量，若第t期，在g罐里選擇生產(chǎn)部件j里的工件，則為1，反之為0；：第t期，在g罐里，為直接父項(xiàng)k熱處理第l 次的工件i的量；i和k對(duì)應(yīng)的部件為j。

（3）數(shù)學(xué)模型。

約束條件主要考慮可用庫(kù)存流量守恒約束、中間態(tài)庫(kù)存流量守恒約束、重入數(shù)量約束、熱壓罐加工材料種類約束、材料–熱壓罐匹配關(guān)系，工裝數(shù)量約束和熱壓罐容量約束等。

2.2.3 設(shè)備管理

設(shè)備是復(fù)合材料產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵要素，存在種類多、操作復(fù)雜（涉及水源、電源、氣源和真空）、操作系統(tǒng)各異等特點(diǎn)，故應(yīng)專項(xiàng)開(kāi)發(fā)設(shè)備集成系統(tǒng)進(jìn)行集中管控 （圖8）。通過(guò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備集中控制、集中監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、能耗監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及分析、視頻監(jiān)視等使得設(shè)備操作人員最少化、設(shè)備良好狀態(tài)顯性化、設(shè)備定檢可預(yù)警的管控目標(biāo)。

圖8 中央控制室Fig.8 Central control room

復(fù)合材料主要生產(chǎn)設(shè)備可分為3 類，熱成型設(shè)備、數(shù)控加工設(shè)備、輔助設(shè)備（空調(diào)系統(tǒng)、空壓機(jī)、真空泵、冷卻系統(tǒng)、制氮機(jī)等）。建立設(shè)備集中管控后，設(shè)備可獨(dú)立運(yùn)行，但能通過(guò)中央集控室集中采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制工作狀態(tài)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街醒爰厥摇岢尚驮O(shè)備多是不同廠家通信硬件（儀表、PLC）品牌、型號(hào)，都有獨(dú)立控制軟件，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式不統(tǒng)一，要優(yōu)先對(duì)國(guó)產(chǎn)設(shè)備的控制軟件統(tǒng)一應(yīng)用設(shè)備專用集控軟件，國(guó)外設(shè)備只生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，但自主控制，這樣不影響原系統(tǒng)的控制過(guò)程。針對(duì)空壓機(jī)、制氮機(jī)等輔助設(shè)備位置相對(duì)較偏，為減少設(shè)備操作人員來(lái)回跑動(dòng)，通過(guò)集控制中心可進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控。圖9為設(shè)備集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架。

圖9 設(shè)備集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架Fig.9 Equipment integration system design framework

2.2.4 物料管理

復(fù)合材料制造所需的物料種類多且大部分有特殊存放環(huán)境和儲(chǔ)存周期的要求，除主材外，還有10 余種輔助材料。建立必要的物料管理系統(tǒng)對(duì)物料進(jìn)行管控是復(fù)合材料數(shù)字化工廠的生產(chǎn)準(zhǔn)備必要條件。主要自動(dòng)化庫(kù)有適用于不同物料的冷庫(kù)、回轉(zhuǎn)庫(kù)、立體庫(kù)、升降庫(kù)等，并配有各類AGV 配送，如圖10和11 所示。

圖10 自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)立體庫(kù)Fig.10 Three-dimensional storage of automatic warehouse

圖11 自動(dòng)化物流配送AGVFig.11 Automated logistics distribution AGV

物料管理應(yīng)建立倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）和倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)（WCS）。WMS 是數(shù)字化物流輸送系統(tǒng)的中樞，接收來(lái)自訂單的任務(wù)和計(jì)劃，分析庫(kù)存信息，完成各種物料的出庫(kù)和入庫(kù)。WCS 接收出庫(kù)及配送任務(wù)，分解動(dòng)作，分配AGV 到各工位送貨。物料的接收、入庫(kù)、出庫(kù)均以物料上的條碼實(shí)現(xiàn)信息交接和庫(kù)存實(shí)時(shí)更新。圖12為物料管理系統(tǒng)技術(shù)路線。

圖12 物料管理系統(tǒng)技術(shù)路線Fig.12 Material management system technical route

2.3 自動(dòng)生產(chǎn)線無(wú)紙化作業(yè)

完成工藝策劃和生產(chǎn)準(zhǔn)備工作后，產(chǎn)品正式進(jìn)入生產(chǎn)制造階段，圖13為復(fù)合材料自動(dòng)化生產(chǎn)線流程，這是考驗(yàn)整個(gè)數(shù)字化工廠運(yùn)轉(zhuǎn)情況的全面體現(xiàn)。復(fù)合材料數(shù)字化工廠整個(gè)制造周期都以信息平臺(tái)為載體，制造過(guò)程中消除紙質(zhì)文件流轉(zhuǎn)，取消了紙質(zhì)指令、紙質(zhì)委托單、紙質(zhì)合格證、紙質(zhì)領(lǐng)料單、紙質(zhì)檢測(cè)報(bào)告等，均通過(guò)在MES 平臺(tái)傳送信息，實(shí)現(xiàn)全制造鏈的無(wú)紙化。在建設(shè)的過(guò)程中，依據(jù)復(fù)合材料制造的特點(diǎn)，主要存在以下3 方面的困擾，建設(shè)過(guò)程中應(yīng)采取相應(yīng)的解決方案。

圖13 復(fù)合材料自動(dòng)化生產(chǎn)線示意圖Fig.13 Schematic diagram of composite material automatic production line

2.3.1 數(shù)據(jù)采集量大

復(fù)合材料制造過(guò)程要對(duì)預(yù)浸料、膠膜、發(fā)泡膠等主材進(jìn)行批次號(hào)、取出時(shí)間、晾置時(shí)間、返庫(kù)時(shí)間、鋪放環(huán)境溫濕度、鋪放層數(shù)、鋪放角度、預(yù)壓實(shí)時(shí)間、真空度、固化爐批次、組合間隙、金屬件表面處理等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，記錄數(shù)據(jù)量大、記錄符號(hào)多，在計(jì)算機(jī)使用中輸機(jī)耗時(shí)長(zhǎng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，在復(fù)合材料數(shù)字化工廠的建設(shè)中，要針對(duì)采集的專有模塊進(jìn)行各類數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，工人從數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)提?。粚?duì)難輸機(jī)的字符盡量減少打字，采用鍵盤上專有字符替代；對(duì)需要實(shí)時(shí)更新的材料批次等信息采取下拉選擇框直接從庫(kù)存中進(jìn)行選擇，最終達(dá)到操作者的采集工作只需要點(diǎn)擊鼠標(biāo)或輸數(shù)字符號(hào)即可完成，加速工序流轉(zhuǎn)。

2.3.2 跨工廠的中間委托工序多

復(fù)合材料制造工序除本工廠可完成的工序外，有些產(chǎn)品要委托進(jìn)行其他專業(yè)工廠完成，如金屬件表面吹砂、金屬件陽(yáng)極化處理、復(fù)材件表面噴漆、復(fù)材件表面噴鋁，復(fù)合材料試片委托力學(xué)性能測(cè)試、復(fù)合材料件無(wú)損檢測(cè)等，信息要傳遞到熱表處理廠、理化測(cè)試中心、檢驗(yàn)部等單位?？绻S的信息流轉(zhuǎn)對(duì)系統(tǒng)指令數(shù)據(jù)的完整性提出考驗(yàn)。

復(fù)合材料數(shù)字化工廠與其他工廠間建立系統(tǒng)的銜接，為此在復(fù)合材料件制造過(guò)程中建立全流程應(yīng)用條碼，此條碼在整個(gè)制造過(guò)程中一直在信息迭代。打印出條碼貼在零件上，通過(guò)掃碼槍接收信息，使其在MES 與TDM 系統(tǒng)、熱表MES 與復(fù)材MES 系統(tǒng)間進(jìn)行信息流和物質(zhì)流的同步傳遞。

為達(dá)到各個(gè)工廠間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)順暢，要進(jìn)行數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，統(tǒng)一命名、統(tǒng)一數(shù)據(jù)量、統(tǒng)一資源庫(kù)。通過(guò)條碼將制造信息、計(jì)劃、物料、工裝、設(shè)備、制造過(guò)程、工時(shí)、質(zhì)量信息、裝配信息等實(shí)現(xiàn)物料的全生命周期串聯(lián)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息流與物資流對(duì)應(yīng)匹配。圖14為數(shù)字化工廠條碼流轉(zhuǎn)示意圖。

圖14 數(shù)字化工廠條碼流轉(zhuǎn)示意圖Fig.14 Digital factory bar code flow diagram

2.3.3 系統(tǒng)采集和其他問(wèn)題

MES 系統(tǒng)是用每個(gè)操作者的工號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和工序確認(rèn)，這種新的工作模式會(huì)產(chǎn)生一些新的問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)者不斷優(yōu)化模塊。建設(shè)過(guò)程中，問(wèn)題較為突出的是質(zhì)量責(zé)任判定和工時(shí)分配。

由于復(fù)合材料制造特點(diǎn)，大多采取以班組為單位集中作業(yè)，集中分配工時(shí)，這對(duì)于以系統(tǒng)工序確認(rèn)為基礎(chǔ)的工時(shí)分配帶來(lái)不符性，工時(shí)難以劃到未確認(rèn)工序的班組其他人員。此外，紙質(zhì)指令中工序誰(shuí)做誰(shuí)簽字，可多人簽字，但系統(tǒng)是以工號(hào)進(jìn)入，不能實(shí)現(xiàn)多人確認(rèn)，對(duì)于質(zhì)量追溯也存在問(wèn)題。

在復(fù)合材料數(shù)字化工廠建設(shè)中，可以建立各種制度，開(kāi)發(fā)小模塊來(lái)應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題。在工時(shí)管理模塊中，增加二次分配功能，在工時(shí)月度結(jié)算時(shí)由班組長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整再提交。在一些必須集體作業(yè)的班組實(shí)施主工序負(fù)責(zé)制，并進(jìn)行輪班，在一個(gè)周期內(nèi)，簽字者即質(zhì)量的主負(fù)責(zé)人，在一輪周期內(nèi)由主負(fù)責(zé)人進(jìn)行系統(tǒng)確認(rèn)。以個(gè)人工號(hào)進(jìn)入還存在很多其他問(wèn)題，主要原則還是以模塊優(yōu)化、建立制度、增加輔助功能等進(jìn)行解決，這是數(shù)字化工廠建設(shè)中具體執(zhí)行層需不斷完善的工作。

3 結(jié)論

復(fù)合材料制造作為航空產(chǎn)品制造重要的組成部分，具有智能轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效的強(qiáng)烈需求。本文立足于國(guó)情提出面向智能制造的復(fù)合材料數(shù)字化工廠的建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。

（1）各行業(yè)數(shù)字化工廠的建設(shè)沒(méi)有統(tǒng)一的工作模式，應(yīng)結(jié)合各行業(yè)制造特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，找到建設(shè)過(guò)程的難點(diǎn)和卡點(diǎn)，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)適宜的軟件，適應(yīng)性建設(shè)才更為實(shí)用。

（2）數(shù)字化工廠建設(shè)過(guò)程中，信息技術(shù)和制造技術(shù)要相互融合，充分結(jié)合多專業(yè)技術(shù)人員的優(yōu)勢(shì)，配合開(kāi)展開(kāi)發(fā)工作。

（3）復(fù)合材料制造涉及較多的特殊廠房和設(shè)備要求，所以最好采取整體建設(shè)規(guī)劃。后期改造受廠房布局和設(shè)備位置的約束較大，難度更大。

（4）鑒于復(fù)合材料制造過(guò)程的特殊性，開(kāi)發(fā)專用智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、配置相關(guān)工藝仿真軟件是極為必要的。

（5）復(fù)合材料數(shù)字化工廠建設(shè)在離散型制造、質(zhì)量穩(wěn)定性控制、研制周期、特種工藝方面應(yīng)重點(diǎn)考慮應(yīng)對(duì)措施。

（6）復(fù)合材料數(shù)字化工廠必須優(yōu)先在自動(dòng)化制造、設(shè)備和物料集中管控、無(wú)紙化制造3 個(gè)方面取得技術(shù)突破。