航空制造業(yè)智能制造特點(diǎn)及推進(jìn)思路

沈洪才

中國(guó)航空制造技術(shù)研究院 北京 100024

1 序言

航空制造業(yè)是我國(guó)國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，關(guān)乎著國(guó)家戰(zhàn)略安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展。我國(guó)航空制造業(yè)發(fā)展至今，度過(guò)了曲折的幾十年，迎來(lái)了現(xiàn)在的全面發(fā)展時(shí)期。在國(guó)家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等一系列政策帶動(dòng)影響下，航空制造業(yè)也急需建立完備的數(shù)字化智能化制造體系，融合最新的信息通信技術(shù)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，向?qū)崿F(xiàn)航空強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。航空制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品系統(tǒng)復(fù)雜程度高，產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)質(zhì)量、精密性及生產(chǎn)制造效率等有著極高的要求。本文將詳細(xì)解讀航空制造業(yè)特點(diǎn)，以中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司為例，介紹航空制造產(chǎn)業(yè)如何從頂層設(shè)計(jì)著手，構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)線，提升工業(yè)制造能力，實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2 航空制造業(yè)特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)復(fù)雜程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜 由于航空產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，導(dǎo)致航空制造業(yè)呈現(xiàn)系統(tǒng)高度綜合的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，系統(tǒng)間構(gòu)成了復(fù)雜龐大的關(guān)系網(wǎng)并在精度上有高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求。航空制造產(chǎn)業(yè)零部件種類繁多，零部件數(shù)量達(dá)到500萬(wàn)量級(jí)。而且，零部件之間相互聯(lián)系，要求具有很高的協(xié)調(diào)性。

航空產(chǎn)品的研發(fā)較其他行業(yè)相對(duì)復(fù)雜，蘭德公司研究了1965－2000年美軍采購(gòu)戰(zhàn)機(jī)的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，制約防空系統(tǒng)創(chuàng)新理念落地的瓶頸在于復(fù)雜度管理能力。在新的防務(wù)產(chǎn)品帶來(lái)的價(jià)值增長(zhǎng)中，與復(fù)雜度管理相關(guān)的影響因素占5成左右，如圖1所示。圖中，紅色為集成電路產(chǎn)業(yè)，綠色為汽車制造產(chǎn)業(yè)，藍(lán)色為防務(wù)工業(yè)。航空航天系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、集成到測(cè)試所耗費(fèi)的時(shí)間大于集成電路、汽車制造。不考慮通貨膨脹因素，從20世紀(jì)60年代至今，航空航天系統(tǒng)開(kāi)發(fā)費(fèi)用增長(zhǎng)率達(dá)8～12倍，其他兩個(gè)產(chǎn)業(yè)卻沒(méi)有明顯增長(zhǎng)。

圖1 不同行業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中的復(fù)雜度

（2）多品種、變批量和定制化 航空產(chǎn)品包括飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及各類機(jī)載設(shè)備等，品種多，型號(hào)譜系和批次多達(dá)幾十種，但單一型號(hào)的飛機(jī)年產(chǎn)量卻往往不超過(guò)百架[1]。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)數(shù)字化生產(chǎn)線的建立有很大的制約，增加了生產(chǎn)體系的構(gòu)建和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)設(shè)施的高度柔性化和智能化，以及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程的精益化提出了很高要求。

（3）生產(chǎn)制造過(guò)程工藝路線長(zhǎng)，產(chǎn)品制造和裝配要求高 作為高價(jià)值產(chǎn)品，航空產(chǎn)品工件生產(chǎn)制造工序多，誤差積累的環(huán)節(jié)多。航空行業(yè)的機(jī)械加工往往需要突破零部件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性弱、材料難加工和加工精度要求高等一系列復(fù)雜制造難題。航空產(chǎn)品裝配過(guò)程以人工為主，大部件精準(zhǔn)對(duì)接，表面接插控制和零部件協(xié)調(diào)操作對(duì)操作人員來(lái)說(shuō)操作難度大。在制造數(shù)據(jù)管理中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型體量龐大，從時(shí)間與準(zhǔn)確性上對(duì)數(shù)據(jù)控制有嚴(yán)格要求。

（4）生產(chǎn)組織管理復(fù)雜，供應(yīng)鏈協(xié)同難度大 航空產(chǎn)品從設(shè)計(jì)試驗(yàn)到生產(chǎn)制造，跨越產(chǎn)業(yè)鏈不同的企業(yè)，這些企業(yè)地理位置分散，屬于典型的跨企業(yè)跨地域協(xié)同，帶來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的難度較高，不方便管理。負(fù)責(zé)生產(chǎn)的單位層級(jí)多、配套鏈長(zhǎng)[2]。成品供應(yīng)商遍布世界各地，聯(lián)系不便。供應(yīng)鏈-產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同一致是航空制造業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

按照標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)鏈管理模型，制造業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)從供應(yīng)商到核心企業(yè)再到客戶都具有采購(gòu)、生產(chǎn)、配送和退貨等環(huán)節(jié)的協(xié)同迭代，是較長(zhǎng)的價(jià)值創(chuàng)造協(xié)同過(guò)程。不同產(chǎn)業(yè)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈和價(jià)值鏈三鏈協(xié)同的關(guān)注點(diǎn)差異較大。流程制造業(yè)和電子等行業(yè)往往關(guān)注采購(gòu)、庫(kù)存，這些行業(yè)供應(yīng)鏈中采購(gòu)成本占比較大；食品等行業(yè)關(guān)注物流和運(yùn)輸，特別講究時(shí)效性；國(guó)防裝備的供應(yīng)鏈則提出安全可控、充足保障、柔性敏捷等要求。而作為離散制造業(yè)的航空航天行業(yè)，由于自身產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，往往強(qiáng)調(diào)總集成商牽引的上下游協(xié)同，重點(diǎn)為精準(zhǔn)供應(yīng)鏈和精益化生產(chǎn)，通過(guò)追求生產(chǎn)均衡，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品總裝、部件/系統(tǒng)到一配、二配供應(yīng)鏈的精準(zhǔn)協(xié)同，并尋求供應(yīng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈協(xié)同下的最優(yōu)能力配置。

3 建立智能制造架構(gòu)，構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)線

在世界工程技術(shù)發(fā)展歷程中，航空航天往往通過(guò)自身產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展?fàn)恳冗M(jìn)生產(chǎn)制造技術(shù)、裝備、大型工業(yè)軟件的創(chuàng)新發(fā)展，成為先進(jìn)信息通信技術(shù)、先進(jìn)工藝裝備和先進(jìn)生產(chǎn)制造模式的應(yīng)用高地。實(shí)現(xiàn)中國(guó)航空制造業(yè)的智能化發(fā)展，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在集團(tuán)公司指導(dǎo)下，中國(guó)航空制造技術(shù)研究院、航空工業(yè)信息技術(shù)中心聯(lián)合建設(shè)智能制造創(chuàng)新中心，完善航空工業(yè)智能制造架構(gòu)規(guī)劃和建設(shè)方案，為各單位開(kāi)展項(xiàng)目論證、建設(shè)以及中心技術(shù)預(yù)研、解決方案開(kāi)發(fā)等提供指導(dǎo)。參與航空智能制造試點(diǎn)推進(jìn)，培育智能制造導(dǎo)航項(xiàng)目，總結(jié)提煉并形成推廣模式。研究智能制造關(guān)鍵技術(shù)并形成航空工業(yè)智能制造技術(shù)體系，從材料、技術(shù)、人力等方面支撐航空工業(yè)智能制造行動(dòng)計(jì)劃。從發(fā)展規(guī)劃、架構(gòu)設(shè)計(jì)、體系建設(shè)、技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用驗(yàn)證幾大方面統(tǒng)籌推進(jìn)智能制造工作。

（1）智能制造的關(guān)鍵特征 在進(jìn)行智能制造頂層設(shè)計(jì)時(shí)，要了解什么是智能制造，抓住智能制造的關(guān)鍵特征是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的第一要?jiǎng)?wù)。航空智能制造最終總結(jié)為四個(gè)典型特征：動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行。

動(dòng)態(tài)感知：全面感知企業(yè)、車間、設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，獲得一線數(shù)據(jù)，為后面環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)分析：對(duì)獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、快速地分析，包括數(shù)據(jù)的高級(jí)分析、邊緣層的自動(dòng)化分析等，為后續(xù)的決策提供依據(jù)。自主決策：按照設(shè)定的規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，為人在環(huán)的智能制造系統(tǒng)提供判斷和選擇依據(jù)的支撐。精準(zhǔn)執(zhí)行：執(zhí)行決策，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、車間和生產(chǎn)線的運(yùn)行做出調(diào)整，使生產(chǎn)能夠順利、高效進(jìn)行。這四個(gè)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)，形成了良性的螺旋上升循環(huán)，促進(jìn)了制造體系的有序高效進(jìn)行。

（2）智能制造參考架構(gòu)（見(jiàn)圖2）在進(jìn)行智能制造頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不只是要實(shí)現(xiàn)底層一個(gè)車間、一個(gè)產(chǎn)業(yè)線的數(shù)字化、智能化，而是要從動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟、企業(yè)管理到生產(chǎn)管理再到控制執(zhí)行層將智能化覆蓋需求工程、概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品制造、使用保障以及退役產(chǎn)品全生命周期[3]。

圖2 智能制造參考架構(gòu)

4 結(jié)合數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高端設(shè)備研制，加速推進(jìn)航空智能制造發(fā)展

當(dāng)前，以新一代信息技術(shù)為代表，數(shù)字技術(shù)與制造業(yè)的深入融合正在加速智能制造向更高層面、更深層次的發(fā)展。當(dāng)然，航空制造業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型工作不是一蹴而就的，要分層推進(jìn)，多層面同步發(fā)力。通過(guò)引入數(shù)字孿生的理念，建立基于模型的企業(yè)，多維推動(dòng)企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。首先在產(chǎn)業(yè)鏈層面，要更加關(guān)注應(yīng)用供應(yīng)鏈建模和仿真技術(shù)來(lái)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局和分工，在“數(shù)字中國(guó)”大環(huán)境中建立航空工業(yè)的數(shù)字供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；第二，在智能工廠建設(shè)層面，要更加注重基于過(guò)程仿真的智能車間和數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)建造的過(guò)程。當(dāng)然，工廠和生產(chǎn)線設(shè)計(jì)建造過(guò)程也不局限于行業(yè)內(nèi)部，也可以延伸至行業(yè)外。在這個(gè)基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程，即整個(gè)物理制造過(guò)程要進(jìn)行更加細(xì)致和逼真的建模和仿真，促進(jìn)生產(chǎn)制造活動(dòng)的優(yōu)化和重構(gòu)，使之更加柔性化和智能化。在生產(chǎn)執(zhí)行層，如生產(chǎn)設(shè)備、物流系統(tǒng)、制造資源等同步引入建模與仿真，構(gòu)建數(shù)字孿生。在產(chǎn)品全生命周期模型貫通方面，產(chǎn)品的數(shù)字化定義（MBD）在航空航天行業(yè)的應(yīng)用已有相當(dāng)成效，但遠(yuǎn)期要向全生命周期進(jìn)一步扎實(shí)推進(jìn)。

未來(lái)航空制造業(yè)的智能制造系統(tǒng)應(yīng)該是基于混合云的智能制造系統(tǒng)，同時(shí)通過(guò)綜合構(gòu)建工業(yè)賽博物理系統(tǒng)（CPS），實(shí)現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的融合發(fā)展。隨著客戶需求及市場(chǎng)的變化，航空生產(chǎn)制造模式在柔性化和可重構(gòu)方面要求越來(lái)越高。要以總裝，比如飛機(jī)整機(jī)總裝或者發(fā)動(dòng)機(jī)總裝為牽引，重構(gòu)柔性制造模式，同時(shí)向下?tīng)恳鱾€(gè)專業(yè)生產(chǎn)線的建設(shè)和運(yùn)作，如機(jī)械加工、鈑金成形、焊接、復(fù)合材料及表面處理等。生產(chǎn)制造系統(tǒng)在生產(chǎn)線層面基本上是以CPS的理念推進(jìn)，也稱做工業(yè)CPS系統(tǒng)，期望形成虛實(shí)融合兩個(gè)層面，并在賽博層做更多的工作。無(wú)論是從產(chǎn)品工藝過(guò)程的規(guī)劃、資產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化管理，還是從生產(chǎn)過(guò)程的精益化運(yùn)營(yíng)等方面，在虛擬空間都應(yīng)盡量進(jìn)行高精度的仿真，指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)作，以便實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互動(dòng)、虛實(shí)結(jié)合的新CPS系統(tǒng)。

智能制造系統(tǒng)最終需要通過(guò)一個(gè)個(gè)分層分級(jí)的智能系統(tǒng)組成。智能單元和智能工藝裝備是未來(lái)構(gòu)建智能系統(tǒng)的硬核心。航空制造業(yè)要實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展，高端工藝裝備的投入必不可少?！皺C(jī)器代人”在航空制造業(yè)有新的內(nèi)涵。在金屬切削領(lǐng)域，要重點(diǎn)突破五坐標(biāo)加工中心、五坐標(biāo)強(qiáng)力切削銑床和三坐標(biāo)、五坐標(biāo)高速切削銑床等；在復(fù)合材料構(gòu)件領(lǐng)域要突破復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲鋪帶設(shè)備和復(fù)合材料自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備等；在金屬成形領(lǐng)域要重點(diǎn)突破智能化熱成形設(shè)備、蒙皮拉伸設(shè)備、超速成形/擴(kuò)散連接設(shè)備、旋壓成形設(shè)備和噴丸成形設(shè)備等；在特種加工領(lǐng)域要重點(diǎn)突破激光表面強(qiáng)化設(shè)備、等離子噴涂設(shè)備、電解加工設(shè)備、磨粒流加工設(shè)備、電液束加工設(shè)備和3D打印設(shè)備等；在焊接領(lǐng)域要重點(diǎn)突破電子束焊接設(shè)備、激光焊接設(shè)備、攪拌摩擦焊接設(shè)備和線性摩擦焊接設(shè)備等；在精密加工領(lǐng)域要突破超精密加工機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和慣導(dǎo)測(cè)試與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)設(shè)備等等。

5 結(jié)束語(yǔ)

航空工業(yè)推進(jìn)數(shù)字化和智能化，最終目標(biāo)是滿足用戶對(duì)航空產(chǎn)品的新需求，以國(guó)防實(shí)力，推動(dòng)大眾享受航空，實(shí)現(xiàn)對(duì)美好生活的向往。未來(lái)航空工業(yè)智能制造的發(fā)展要以用戶需求為核心，為用戶提供高質(zhì)量的個(gè)性化定制服務(wù)。以此為牽引推動(dòng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同和智能化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，形成一種新的生產(chǎn)制造模式。在這基礎(chǔ)上提升產(chǎn)品服務(wù)的質(zhì)量，降低成本，提高綜合效率。整個(gè)行業(yè)要迎合以數(shù)字技術(shù)為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的歷史趨勢(shì)，抓住新一輪發(fā)展的機(jī)遇來(lái)推動(dòng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)在航空航天的應(yīng)用。