中國政府正在推進“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施,智能制造是六項重大工程之一。而中國航空制造業(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/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)運行過程中,形成以存儲、計算、邏輯、推理為特征的產(chǎn)品制造模式。智能制造在制造過程的各個環(huán)節(jié),采用人機交互、高度柔性與高度集成的方式,通過計算機模擬人類專家的智能活動,對生產(chǎn)運行過程進行分析、判斷、推理、構(gòu)思和決策,延伸或取代制造活動中人的腦力勞動,并對人類專家的制造智能進行收集、存儲、完善、共享、繼承與發(fā)展?？梢哉f,傳統(tǒng)的工具、設(shè)備延伸了人的體力,智能化制造則擴展了人的智力。

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,通過智能制造裝備、智能物流和智能管控等手段,達到有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運營成本、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)進入數(shù)字化時代,數(shù)字化表達、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。基于模型的設(shè)計(MBD)技術(shù)已經(jīng)在新型航空產(chǎn)品研制中開始進入工程應(yīng)用,數(shù)字化模型發(fā)放替代了傳統(tǒng)的設(shè)計圖發(fā)放模式,制造過程從模擬量協(xié)調(diào)進入了數(shù)字量協(xié)調(diào),并以數(shù)字化模型為唯一數(shù)據(jù)源實施零部件加工、裝配等工藝活動。制造裝備是各個工藝環(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傳統(tǒng)的標準化、大批量、剛性、緩慢的生產(chǎn)模式向個性化、高度柔性化、快速響應(yīng)市場需求的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變;在微觀上,將通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化的制造裝備和系統(tǒng)集成,實現(xiàn)產(chǎn)品研制過程的全閉環(huán)控制。

智能制造裝備在航空智能制造架構(gòu)中的定位

中國航空工業(yè)集團公司于2016年初提出了航空智能制造架構(gòu),該架構(gòu)以企業(yè)集成框架標準為參照,圍繞航空產(chǎn)品研制過程,包含產(chǎn)品生命周期、系統(tǒng)控制和業(yè)務(wù)功能三個維度,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、傳動單元、感知單元、測量單元等物理結(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、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行”的智能制造基本特征。

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

在CPS單元有兩個智能閉環(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,可實現(xiàn)設(shè)備運動過程的自主和自適應(yīng)控制,另一方面體現(xiàn)了對現(xiàn)場信息或狀態(tài)的處理能力,可實現(xiàn)工件加工狀態(tài)的在線測量和加工優(yōu)化。在智能制造特征體現(xiàn)方面,狀態(tài)感知環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)對運動狀態(tài)、I/O狀態(tài)、力-熱狀態(tài)和工件狀態(tài)等的動態(tài)監(jiān)測;實時分析環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)對感知到的狀態(tài)信息進行分析,實現(xiàn)對位置偏差、I/O異常、異常工況和工件誤差等的分析計算;自主決策環(huán)節(jié)根據(jù)分析結(jié)果做出處理決策,實現(xiàn)位置補償、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;在精準執(zhí)行環(huán)節(jié)基于決策結(jié)果實現(xiàn)相關(guān)的控制。四個環(huán)節(jié)的循環(huán)過程構(gòu)成智能設(shè)備的典型運行場景。

具有智能處理能力的智能制造裝備針對加工工藝形成一種實時優(yōu)化調(diào)控模式,在生產(chǎn)現(xiàn)場,智能制造裝備成為先進制造工藝實現(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-機接口、機-機接口和物-機接口。

智能制造裝備是先進制造工藝的載體

航空產(chǎn)品(飛機、發(fā)動機、機載設(shè)備等)的氣動外形和內(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)品的研制過程是一個技術(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),需要不斷研究先進的制造工藝技術(shù),應(yīng)用先進制造系統(tǒng),不斷完善和創(chuàng)新產(chǎn)品研制模式、方法和過程,以滿足不斷變化的市場需求,提高飛機產(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)字化加工過程是根據(jù)零部件的設(shè)計模型和工藝要求確定加工工藝及程序,基于空間和時間的確定性關(guān)系完成產(chǎn)品制造工作,加工狀態(tài)是依靠現(xiàn)場工作人員監(jiān)控、事后檢測確認的,難以實時掌握加工過程中工況的時變規(guī)律,并及時做出決策。智能加工是在零部件制造過程中,增加對加工過程、時變工況的在線監(jiān)測,采用智能技術(shù)對獲取的加工過程狀態(tài)信息進行實時分析、評估和決策,實現(xiàn)對加工過程的自主學(xué)習(xí)和決策控制,擴展加工過程智能處理能力。更進一步,可以通過自主學(xué)習(xí)形成工藝知識庫,支持工藝設(shè)計與程序設(shè)計過程,實現(xiàn)工件加工工藝的自主決策設(shè)計和優(yōu)化。具有智能處理能力的智能制造裝備針對加工工藝形成一種實時優(yōu)化調(diào)控模式,在生產(chǎn)現(xiàn)場,智能制造裝備成為先進制造工藝實現(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床、智能機器人、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)進行實時監(jiān)測,并通過人機交互實現(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、識別功能的部件/數(shù)控裝置,又包括自動加工、自適應(yīng)加工及測量控制一體化等整機裝備,以及加工/裝配/運輸類工業(yè)機器人等。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、機器人智能焊接/打磨系統(tǒng)、飛機大部件對接與裝配系統(tǒng)、部件及總裝自動化噴漆系統(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,僅達到初級智能水平。

“十三五”期間,制造裝備智能化的發(fā)展重點將以滿足加工過程狀態(tài)監(jiān)控、自動化執(zhí)行為目標,完善和發(fā)展智能化功能部件、智能控制系統(tǒng),增強或提升典型工藝裝備的智能處理能力,重點推進機加、復(fù)合材料構(gòu)件制造和飛機裝配等領(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)機器人應(yīng)用為目標,在航空零部件加工和部件/整機裝配等領(lǐng)域全面推進智能制造裝備的工程應(yīng)用。

推進智能制造發(fā)展,首先需要圍繞航空產(chǎn)品零部件加工和裝配過程,從制造過程獲取數(shù)據(jù)、抽象知識,并將其融入到智能裝備的架構(gòu)中,實現(xiàn)裝備智能化。以此為基礎(chǔ),在重點工藝和關(guān)鍵過程中針對典型應(yīng)用建立示范驗證單元,對相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用模式進行充分的驗證和迭代優(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)進行“精確復(fù)制”。通過這些步驟,形成逐步成熟發(fā)展、不斷演進的循環(huán),穩(wěn)步推進智能制造的落地。

推進航空智能制造應(yīng)當(dāng)以產(chǎn)品表達和過程活動的規(guī)范化、標準化為起點,以數(shù)字模型和工業(yè)過程為核心,從現(xiàn)場層入手,沿著底層智能制造裝備、現(xiàn)場控制、運行管理、規(guī)劃策劃、外部協(xié)同的層次逐級向上發(fā)展。

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