中國製造2025中的航空智能製造

中國政府正在推進“中國製造2025”戰略的實施,智能製造是六項重大工程之一。而 中國航空製造業也應在航空領域已有的數字化、網絡化設計/製造基礎上,打造航空 智能製造體系,提升航空製造業的整體能力和水平。

智能製造是在信息化、數字化、自動化裝置及系統應用的基礎上,將人工智能引入到製造理論及生產運行過程中,形成以存儲、計算、邏輯、推理為特徵的產品製造模式。智能製造在製造過程的各個環節,採用人機交互、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,對生產運行過程進行分析、判斷、推理、構思和決策,延伸或取代製造活動中人的腦力勞動,並對人類專家的製造智能進行收集、存儲、完善、共享、繼承與發展。可以說,傳統的工具、設備延伸了人的體力,智能化製造則擴展了人的智力。

智能製造新模式以智能工廠/車間為載體,以網絡互聯為支撐,通過智能製造裝備、智能物流和智能管控等手段,達到有效縮短產品研製週期、降低運營成本、提高生產效率、提升產品質量、降低資源能源消耗的目的。

航空產品研製已經進入數字化時代,數字化表達、網絡化聯通、協同化研製、數字化執行已經成為新產品研製的基本模式。基於模型的設計(MBD)技術已經在新型航空產品研製中開始進入工程應用,數字化模型發放替代了傳統的設計圖發放模式,製造過程從模擬量協調進入了數字量協調,並以數字化模型為唯一數據源實施零部件加工、裝配等工藝活動。製造裝備是各個工藝環節不可或缺的基礎資源,複雜形狀零部件的製造已經由傳統的手工操作變成程序控制執行,這種數字化執行手段為實現航空產品智能製造奠定了基礎。智能製造從宏觀上將推動傳統的標準化、大批量、剛性、緩慢的生產模式向個性化、高度柔性化、快速響應市場需求的生產模式轉變;在微觀上,將通過數字化、網絡化、自動化和智能化的製造裝備和系統集成,實現產品研製過程的全閉環控制。

智能製造裝備在航空智能製造架構中的定位

中國航空工業集團公司於2016年初提出了航空智能製造架構,該架構以企業集成框架標準為參照,圍繞航空產品研製過程,包含產品生命週期、系統控制和業務功能三個維度,描述了企業聯盟、企業管理、生產管理和控制執行四個層面的主體架構、核心功能、主要業務和各層面之間的相互關係。

智能製造裝備位於控制執行層,是控制執行層的物理主體,智能製造裝備在增加必要的輔助設施後,形成智能製造單元。

智能製造裝備架構由物理層、控制層和決策層構成。物理層是指設備的執行單元、傳動單元、感知單元、測量單元等物理結構;控制層是指具備自適應控制和一定自主決策能力的控制系統;決策層是指基於工件狀態在線感知測量的加工編程和優化修正系統。這三層結構的架構既構成了賽博物理系統(CPS)單元,也體現了“狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行”的智能製造基本特徵。

CPS本身就是存在於一個巨大的無線網絡環境當中。

在CPS單元有兩個智能閉環控制環路:由控制層和物理層構成的控制閉環系統,以及由決策層、控制層和物理層共同構成的加工決策閉環系統。這兩個環路一方面體現了具有物理量、幾何量反饋的控制能力,可實現設備運動過程的自主和自適應控制,另一方面體現了對現場信息或狀態的處理能力,可實現工件加工狀態的在線測量和加工優化。在智能製造特徵體現方面,狀態感知環節可以實現對運動狀態、I/O狀態、力-熱狀態和工件狀態等的動態監測;實時分析環節可以實現對感知到的狀態信息進行分析,實現對位置偏差、I/O異常、異常工況和工件誤差等的分析計算;自主決策環節根據分析結果做出處理決策,實現位置補償、工況分析、參數調整、加工指令調整等自主的處理決策;在精準執行環節基於決策結果實現相關的控制。四個環節的循環過程構成智能設備的典型運行場景。

具有智能處理能力的智能製造裝備針對加工工藝形成一種實時優化調控 模式,在生產現場,智能製造裝備成為先進製造工藝實現的基本載體。

智能製造裝備應具有基於統一交換協議的系統接口,能實現異構系統之間的信息互聯和交互操作。系統接口包括了人-機接口、機-機接口和物-機接口。

智能製造裝備是先進製造工藝的載體

航空產品(飛機、發動機、機載設備等)的氣動外形和內部結構複雜,應用的材料種類繁多,零部件數量巨大,零部件之間的裝配協調關係複雜且精度要求高,這些因素決定了航空產品的研製過程是一個技術難度大、工藝方法多、協作面廣、管理複雜的系統工程,各項任務之間既相互聯繫又相互制約。因此從產品製造的角度出發,需要不斷研究先進的製造工藝技術,應用先進製造系統,不斷完善和創新產品研製模式、方法和過程,以滿足不斷變化的市場需求,提高飛機產品性能、研製質量,縮短研製週期,降低製造成本。

傳統的數控和數字化加工過程是根據零部件的設計模型和工藝要求確定加工工藝及程序,基於空間和時間的確定性關係完成產品製造工作,加工狀態是依靠現場工作人員監控、事後檢測確認的,難以實時掌握加工過程中工況的時變規律,並及時做出決策。智能加工是在零部件製造過程中,增加對加工過程、時變工況的在線監測,採用智能技術對獲取的加工過程狀態信息進行實時分析、評估和決策,實現對加工過程的自主學習和決策控制,擴展加工過程智能處理能力。更進一步,可以通過自主學習形成工藝知識庫,支持工藝設計與程序設計過程,實現工件加工工藝的自主決策設計和優化。具有智能處理能力的智能製造裝備針對加工工藝形成一種實時優化調控模式,在生產現場,智能製造裝備成為先進製造工藝實現的基本載體。

航空領域智能製造裝備的應用方向和推進步驟

航空領域的智能製造裝備及智能製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、複合加工單元、智能物流系統、傳感識別及信息採集裝置等,能夠對設備、工藝系統及加工狀態進行實時監測,並通過人機交互實現智能決策與自適應控制。智能製造裝備既包括具備集成傳感功能、信息採集功能、識別功能的部件/數控裝置,又包括自動加工、自適應加工及測量控制一體化等整機裝備,以及加工/裝配/運輸類工業機器人等。目前已經研製應用的智能製造裝備和單元,主要包括智能化加工中心、機器人智能焊接/打磨系統、飛機大部件對接與裝配系統、部件及總裝自動化噴漆系統等,但是這些智能製造裝備和製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,製造裝備智能化的發展重點將以滿足加工過程狀態監控、自動化執行為目標,完善和發展智能化功能部件、智能控制系統,增強或提升典型工藝裝備的智能處理能力,重點推進機加、複合材料構件製造和飛機裝配等領域的智能製造裝備工程化典型應用。而在“十四五”期間,將以完善和推廣狀態採集監控功能部件、智能化管控系統、工業機器人應用為目標,在航空零部件加工和部件/整機裝配等領域全面推進智能製造裝備的工程應用。

推進智能製造發展,首先需要圍繞航空產品零部件加工和裝配過程,從製造過程獲取數據、抽象知識,並將其融入到智能裝備的架構中,實現裝備智能化。以此為基礎,在重點工藝和關鍵過程中針對典型應用建立示範驗證單元,對相關技術和應用模式進行充分的驗證和迭代優化,促使其成熟化,最後形成推廣應用範式,在行業內進行“精確複製”。通過這些步驟,形成逐步成熟發展、不斷演進的循環,穩步推進智能製造的落地。

推進航空智能製造應當以產品表達和過程活動的規範化、標準化為起點,以數字模型和工業過程為核心,從現場層入手,沿著底層智能製造裝備、現場控制、運行管理、規劃策劃、外部協同的層次逐級向上發展。