论“中国制造2025”之航空智能制造的推进

中国政府正在推进“中国制造2025”战略的实施,智能制造是六项重大工程之一。而中国航空制造业也应在航空领域已有的数字化、网络化设计/制造基础上,打造航空 智能制造体系,提升航空制造业的整体能力和水平。

智能制造是在信息化、数字化、自动化装置及系统应用的基础上,将人工智能引入到制造理论及生产运行过程中,形成以存储、计算、逻辑、推理为特征的产品制造模式。智能制造在制造过程的各个环节,采用人机交互、高度柔性与高度集成的方式,通过计算机模拟人类专家的智能活动,对生产运行过程进行分析、判断、推理、构思和决策,延伸或取代制造活动中人的脑力劳动,并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展。可以说,传统的工具、设备延伸了人的体力,智能化制造则扩展了人的智力。

智能制造新模式以智能工厂/车间为载体,以网络互联为支撑,通过智能制造装备、智能物流和智能管控等手段,达到有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗的目的。

航空产品研制已经进入数字化时代,数字化表达、网络化联通、协同化研制、数字化执行已经成为新产品研制的基本模式。基于模型的设计(MBD)技术已经在新型航空产品研制中开始进入工程应用,数字化模型发放替代了传统的设计图发放模式,制造过程从模拟量协调进入了数字量协调,并以数字化模型为唯一数据源实施零部件加工、装配等工艺活动。制造装备是各个工艺环节不可或缺的基础资源,复杂形状零部件的制造已经由传统的手工操作变成程序控制执行,这种数字化执行手段为实现航空产品智能制造奠定了基础。智能制造从宏观上将推动传统的标准化、大批量、刚性、缓慢的生产模式向个性化、高度柔性化、快速响应市场需求的生产模式转变;在微观上,将通过数字化、网络化、自动化和智能化的制造装备和系统集成,实现产品研制过程的全闭环控制。

智能制造装备在航空智能制造架构中的定位

中国航空工业集团公司于2016年初提出了航空智能制造架构,该架构以企业集成框架标准为参照,围绕航空产品研制过程,包含产品生命周期、系统控制和业务功能三个维度,描述了企业联盟、企业管理、生产管理和控制执行四个层面的主体架构、核心功能、主要业务和各层面之间的相互关系。

智能制造装备位于控制执行层,是控制执行层的物理主体,智能制造装备在增加必要的辅助设施后,形成智能制造单元。

智能制造装备架构由物理层、控制层和决策层构成。物理层是指设备的执行单元、传动单元、感知单元、测量单元等物理结构;控制层是指具备自适应控制和一定自主决策能力的控制系统;决策层是指基于工件状态在线感知测量的加工编程和优化修正系统。这三层结构的架构既构成了赛博物理系统(CPS)单元,也体现了“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”的智能制造基本特征。

CPS本身就是存在于一个巨大的无线网络环境当中。

在CPS单元有两个智能闭环控制环路:由控制层和物理层构成的控制闭环系统,以及由决策层、控制层和物理层共同构成的加工决策闭环系统。这两个环路一方面体现了具有物理量、几何量反馈的控制能力,可实现设备运动过程的自主和自适应控制,另一方面体现了对现场信息或状态的处理能力,可实现工件加工状态的在线测量和加工优化。在智能制造特征体现方面,状态感知环节可以实现对运动状态、I/O状态、力-热状态和工件状态等的动态监测;实时分析环节可以实现对感知到的状态信息进行分析,实现对位置偏差、I/O异常、异常工况和工件误差等的分析计算;自主决策环节根据分析结果做出处理决策,实现位置补偿、工况分析、参数调整、加工指令调整等自主的处理决策;在精准执行环节基于决策结果实现相关的控制。四个环节的循环过程构成智能设备的典型运行场景。

具有智能处理能力的智能制造装备针对加工工艺形成一种实时优化调控 模式,在生产现场,智能制造装备成为先进制造工艺实现的基本载体。

智能制造装备应具有基于统一交换协议的系统接口,能实现异构系统之间的信息互联和交互操作。系统接口包括了人-机接口、机-机接口和物-机接口。

智能制造装备是先进制造工艺的载体

航空产品(飞机、发动机、机载设备等)的气动外形和内部结构复杂,应用的材料种类繁多,零部件数量巨大,零部件之间的装配协调关系复杂且精度要求高,这些因素决定了航空产品的研制过程是一个技术难度大、工艺方法多、协作面广、管理复杂的系统工程,各项任务之间既相互联系又相互制约。因此从产品制造的角度出发,需要不断研究先进的制造工艺技术,应用先进制造系统,不断完善和创新产品研制模式、方法和过程,以满足不断变化的市场需求,提高飞机产品性能、研制质量,缩短研制周期,降低制造成本。

传统的数控和数字化加工过程是根据零部件的设计模型和工艺要求确定加工工艺及程序,基于空间和时间的确定性关系完成产品制造工作,加工状态是依靠现场工作人员监控、事后检测确认的,难以实时掌握加工过程中工况的时变规律,并及时做出决策。智能加工是在零部件制造过程中,增加对加工过程、时变工况的在线监测,采用智能技术对获取的加工过程状态信息进行实时分析、评估和决策,实现对加工过程的自主学习和决策控制,扩展加工过程智能处理能力。更进一步,可以通过自主学习形成工艺知识库,支持工艺设计与程序设计过程,实现工件加工工艺的自主决策设计和优化。具有智能处理能力的智能制造装备针对加工工艺形成一种实时优化调控模式,在生产现场,智能制造装备成为先进制造工艺实现的基本载体。

航空领域智能制造装备的应用方向和推进步骤

航空领域的智能制造装备及智能制造单元主要包括智能机床、智能机器人、智能控制装置及系统、复合加工单元、智能物流系统、传感识别及信息采集装置等,能够对设备、工艺系统及加工状态进行实时监测,并通过人机交互实现智能决策与自适应控制。智能制造装备既包括具备集成传感功能、信息采集功能、识别功能的部件/数控装置,又包括自动加工、自适应加工及测量控制一体化等整机装备,以及加工/装配/运输类工业机器人等。目前已经研制应用的智能制造装备和单元,主要包括智能化加工中心、机器人智能焊接/打磨系统、飞机大部件对接与装配系统、部件及总装自动化喷漆系统等,但是这些智能制造装备和制造单元的智能化程度还不高,仅达到初级智能水平。

“十三五”期间,制造装备智能化的发展重点将以满足加工过程状态监控、自动化执行为目标,完善和发展智能化功能部件、智能控制系统,增强或提升典型工艺装备的智能处理能力,重点推进机加、复合材料构件制造和飞机装配等领域的智能制造装备工程化典型应用。而在“十四五”期间,将以完善和推广状态采集监控功能部件、智能化管控系统、工业机器人应用为目标,在航空零部件加工和部件/整机装配等领域全面推进智能制造装备的工程应用。

推进智能制造发展,首先需要围绕航空产品零部件加工和装配过程,从制造过程获取数据、抽象知识,并将其融入到智能装备的架构中,实现装备智能化。以此为基础,在重点工艺和关键过程中针对典型应用建立示范验证单元,对相关技术和应用模式进行充分的验证和迭代优化,促使其成熟化,最后形成推广应用范式,在行业内进行“精确复制”。通过这些步骤,形成逐步成熟发展、不断演进的循环,稳步推进智能制造的落地。

推进航空智能制造应当以产品表达和过程活动的规范化、标准化为起点,以数字模型和工业过程为核心,从现场层入手,沿着底层智能制造装备、现场控制、运行管理、规划策划、外部协同的层次逐级向上发展。

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