中國(guó)政府正在推進(jìn)“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施,智能制造是六項(xiàng)重大工程之一。而中國(guó)航空制造業(yè)也應(yīng)在航空領(lǐng)域已有的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)/制造基礎(chǔ)上,打造航空智能制造體系,提升航空制造業(yè)的整體能力和水平。

智能制造是在信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化裝置及系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上,將人工智能引入到制造理論及生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,形成以存儲(chǔ)、計(jì)算、邏輯、推理為特征的產(chǎn)品制造模式。智能制造在制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié),采用人機(jī)交互、高度柔性與高度集成的方式,通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬人類專家的智能活動(dòng),對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策,延伸或取代制造活動(dòng)中人的腦力勞動(dòng),并對(duì)人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、完善、共享、繼承與發(fā)展?？梢哉f(shuō),傳統(tǒng)的工具、設(shè)備延伸了人的體力,智能化制造則擴(kuò)展了人的智力。

智能制造新模式以智能工廠/車間為載體,以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐,通過(guò)智能制造裝備、智能物流和智能管控等手段,達(dá)到有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗的目的。

航空產(chǎn)品研制已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代,數(shù)字化表達(dá)、網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)通、協(xié)同化研制、數(shù)字化執(zhí)行已經(jīng)成為新產(chǎn)品研制的基本模式?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)(MBD)技術(shù)已經(jīng)在新型航空產(chǎn)品研制中開(kāi)始進(jìn)入工程應(yīng)用,數(shù)字化模型發(fā)放替代了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖發(fā)放模式,制造過(guò)程從模擬量協(xié)調(diào)進(jìn)入了數(shù)字量協(xié)調(diào),并以數(shù)字化模型為唯一數(shù)據(jù)源實(shí)施零部件加工、裝配等工藝活動(dòng)。制造裝備是各個(gè)工藝環(huán)節(jié)不可或缺的基礎(chǔ)資源,復(fù)雜形狀零部件的制造已經(jīng)由傳統(tǒng)的手工操作變成程序控制執(zhí)行,這種數(shù)字化執(zhí)行手段為實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品智能制造奠定了基礎(chǔ)。智能制造從宏觀上將推動(dòng)傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、大批量、剛性、緩慢的生產(chǎn)模式向個(gè)性化、高度柔性化、快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變;在微觀上,將通過(guò)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化和智能化的制造裝備和系統(tǒng)集成,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制過(guò)程的全閉環(huán)控制。

智能制造裝備在航空智能制造架構(gòu)中的定位

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司于2016年初提出了航空智能制造架構(gòu),該架構(gòu)以企業(yè)集成框架標(biāo)準(zhǔn)為參照,圍繞航空產(chǎn)品研制過(guò)程,包含產(chǎn)品生命周期、系統(tǒng)控制和業(yè)務(wù)功能三個(gè)維度,描述了企業(yè)聯(lián)盟、企業(yè)管理、生產(chǎn)管理和控制執(zhí)行四個(gè)層面的主體架構(gòu)、核心功能、主要業(yè)務(wù)和各層面之間的相互關(guān)系。

智能制造裝備位于控制執(zhí)行層,是控制執(zhí)行層的物理主體,智能制造裝備在增加必要的輔助設(shè)施后,形成智能制造單元。

智能制造裝備架構(gòu)由物理層、控制層和決策層構(gòu)成。物理層是指設(shè)備的執(zhí)行單元、傳動(dòng)單元、感知單元、測(cè)量單元等物理結(jié)構(gòu);控制層是指具備自適應(yīng)控制和一定自主決策能力的控制系統(tǒng);決策層是指基于工件狀態(tài)在線感知測(cè)量的加工編程和優(yōu)化修正系統(tǒng)。這三層結(jié)構(gòu)的架構(gòu)既構(gòu)成了賽博物理系統(tǒng)(CPS)單元,也體現(xiàn)了“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的智能制造基本特征。

CPS本身就是存在于一個(gè)巨大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境當(dāng)中。

在CPS單元有兩個(gè)智能閉環(huán)控制環(huán)路:由控制層和物理層構(gòu)成的控制閉環(huán)系統(tǒng),以及由決策層、控制層和物理層共同構(gòu)成的加工決策閉環(huán)系統(tǒng)。這兩個(gè)環(huán)路一方面體現(xiàn)了具有物理量、幾何量反饋的控制能力,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)過(guò)程的自主和自適應(yīng)控制,另一方面體現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息或狀態(tài)的處理能力,可實(shí)現(xiàn)工件加工狀態(tài)的在線測(cè)量和加工優(yōu)化。在智能制造特征體現(xiàn)方面,狀態(tài)感知環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、I/O狀態(tài)、力-熱狀態(tài)和工件狀態(tài)等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);實(shí)時(shí)分析環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)感知到的狀態(tài)信息進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)位置偏差、I/O異常、異常工況和工件誤差等的分析計(jì)算;自主決策環(huán)節(jié)根據(jù)分析結(jié)果做出處理決策,實(shí)現(xiàn)位置補(bǔ)償、工況分析、參數(shù)調(diào)整、加工指令調(diào)整等自主的處理決策;在精準(zhǔn)執(zhí)行環(huán)節(jié)基于決策結(jié)果實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制。四個(gè)環(huán)節(jié)的循環(huán)過(guò)程構(gòu)成智能設(shè)備的典型運(yùn)行場(chǎng)景。

具有智能處理能力的智能制造裝備針對(duì)加工工藝形成一種實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控模式,在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),智能制造裝備成為先進(jìn)制造工藝實(shí)現(xiàn)的基本載體。

智能制造裝備應(yīng)具有基于統(tǒng)一交換協(xié)議的系統(tǒng)接口,能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)之間的信息互聯(lián)和交互操作。系統(tǒng)接口包括了人-機(jī)接口、機(jī)-機(jī)接口和物-機(jī)接口。

智能制造裝備是先進(jìn)制造工藝的載體

航空產(chǎn)品(飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載設(shè)備等)的氣動(dòng)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)用的材料種類繁多,零部件數(shù)量巨大,零部件之間的裝配協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜且精度要求高,這些因素決定了航空產(chǎn)品的研制過(guò)程是一個(gè)技術(shù)難度大、工藝方法多、協(xié)作面廣、管理復(fù)雜的系統(tǒng)工程,各項(xiàng)任務(wù)之間既相互聯(lián)系又相互制約。因此從產(chǎn)品制造的角度出發(fā),需要不斷研究先進(jìn)的制造工藝技術(shù),應(yīng)用先進(jìn)制造系統(tǒng),不斷完善和創(chuàng)新產(chǎn)品研制模式、方法和過(guò)程,以滿足不斷變化的市場(chǎng)需求,提高飛機(jī)產(chǎn)品性能、研制質(zhì)量,縮短研制周期,降低制造成本。

傳統(tǒng)的數(shù)控和數(shù)字化加工過(guò)程是根據(jù)零部件的設(shè)計(jì)模型和工藝要求確定加工工藝及程序,基于空間和時(shí)間的確定性關(guān)系完成產(chǎn)品制造工作,加工狀態(tài)是依靠現(xiàn)場(chǎng)工作人員監(jiān)控、事后檢測(cè)確認(rèn)的,難以實(shí)時(shí)掌握加工過(guò)程中工況的時(shí)變規(guī)律,并及時(shí)做出決策。智能加工是在零部件制造過(guò)程中,增加對(duì)加工過(guò)程、時(shí)變工況的在線監(jiān)測(cè),采用智能技術(shù)對(duì)獲取的加工過(guò)程狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、評(píng)估和決策,實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的自主學(xué)習(xí)和決策控制,擴(kuò)展加工過(guò)程智能處理能力。更進(jìn)一步,可以通過(guò)自主學(xué)習(xí)形成工藝知識(shí)庫(kù),支持工藝設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)工件加工工藝的自主決策設(shè)計(jì)和優(yōu)化。具有智能處理能力的智能制造裝備針對(duì)加工工藝形成一種實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控模式,在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),智能制造裝備成為先進(jìn)制造工藝實(shí)現(xiàn)的基本載體。

航空領(lǐng)域智能制造裝備的應(yīng)用方向和推進(jìn)步驟

航空領(lǐng)域的智能制造裝備及智能制造單元主要包括智能機(jī)床、智能機(jī)器人、智能控制裝置及系統(tǒng)、復(fù)合加工單元、智能物流系統(tǒng)、傳感識(shí)別及信息采集裝置等,能夠?qū)υO(shè)備、工藝系統(tǒng)及加工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)智能決策與自適應(yīng)控制。智能制造裝備既包括具備集成傳感功能、信息采集功能、識(shí)別功能的部件/數(shù)控裝置,又包括自動(dòng)加工、自適應(yīng)加工及測(cè)量控制一體化等整機(jī)裝備,以及加工/裝配/運(yùn)輸類工業(yè)機(jī)器人等。目前已經(jīng)研制應(yīng)用的智能制造裝備和單元,主要包括智能化加工中心、機(jī)器人智能焊接/打磨系統(tǒng)、飛機(jī)大部件對(duì)接與裝配系統(tǒng)、部件及總裝自動(dòng)化噴漆系統(tǒng)等,但是這些智能制造裝備和制造單元的智能化程度還不高,僅達(dá)到初級(jí)智能水平。

“十三五”期間,制造裝備智能化的發(fā)展重點(diǎn)將以滿足加工過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控、自動(dòng)化執(zhí)行為目標(biāo),完善和發(fā)展智能化功能部件、智能控制系統(tǒng),增強(qiáng)或提升典型工藝裝備的智能處理能力,重點(diǎn)推進(jìn)機(jī)加、復(fù)合材料構(gòu)件制造和飛機(jī)裝配等領(lǐng)域的智能制造裝備工程化典型應(yīng)用。而在“十四五”期間,將以完善和推廣狀態(tài)采集監(jiān)控功能部件、智能化管控系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用為目標(biāo),在航空零部件加工和部件/整機(jī)裝配等領(lǐng)域全面推進(jìn)智能制造裝備的工程應(yīng)用。

推進(jìn)智能制造發(fā)展,首先需要圍繞航空產(chǎn)品零部件加工和裝配過(guò)程,從制造過(guò)程獲取數(shù)據(jù)、抽象知識(shí),并將其融入到智能裝備的架構(gòu)中,實(shí)現(xiàn)裝備智能化。以此為基礎(chǔ),在重點(diǎn)工藝和關(guān)鍵過(guò)程中針對(duì)典型應(yīng)用建立示范驗(yàn)證單元,對(duì)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用模式進(jìn)行充分的驗(yàn)證和迭代優(yōu)化,促使其成熟化,最后形成推廣應(yīng)用范式,在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行“精確復(fù)制”。通過(guò)這些步驟,形成逐步成熟發(fā)展、不斷演進(jìn)的循環(huán),穩(wěn)步推進(jìn)智能制造的落地。

推進(jìn)航空智能制造應(yīng)當(dāng)以產(chǎn)品表達(dá)和過(guò)程活動(dòng)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化為起點(diǎn),以數(shù)字模型和工業(yè)過(guò)程為核心,從現(xiàn)場(chǎng)層入手,沿著底層智能制造裝備、現(xiàn)場(chǎng)控制、運(yùn)行管理、規(guī)劃策劃、外部協(xié)同的層次逐級(jí)向上發(fā)展。

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