航空產(chǎn)品自動化機加線的探索與研究

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司， 沈陽 110043）

航空制造業(yè)作為機械加工和裝配生產(chǎn)并存的高附加值離散制造業(yè)，由離散性制造向數(shù)字化制造發(fā)展一直是行業(yè)的重點方向。我國航空制造業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，在信息化和工業(yè)化融合發(fā)展方面取得了長足進步，突破了產(chǎn)品三維設(shè)計、協(xié)同設(shè)計制造和數(shù)字化集成制造等多項關(guān)鍵技術(shù)，信息化系統(tǒng)得到了全面普及應(yīng)用，但是與國際先進航空制造業(yè)相比尚有較大差距，高端工藝裝備/工業(yè)軟件對外依存度較高、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱等現(xiàn)實問題嚴(yán)重制約了我國航空制造業(yè)的發(fā)展。

智能制造致力于前沿、革命性制造技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，融合了人工智能、工業(yè)機器人和現(xiàn)代生產(chǎn)管控技術(shù)，貫穿于工藝規(guī)劃、加工制造、生產(chǎn)管控和運行維護等各個環(huán)節(jié)，可以顯著縮短產(chǎn)品制造周期，降低產(chǎn)品不良率，提高資源綜合利用率，形成輻射全行業(yè)的創(chuàng)新能力和競爭力，實現(xiàn)航空產(chǎn)品研制生產(chǎn)從模型空間到物理空間的全面貫通。以智能制造驅(qū)動為主線，全新打造高度融合智能制造、智能管控的航空產(chǎn)品專業(yè)化生產(chǎn)線，成為航空制造業(yè)全面建立智能制造新模式，是推動制造轉(zhuǎn)型升級和產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新的必然選擇。

人工智能與制造技術(shù)

人工智能是一門研究、開發(fā)、模擬、延伸和擴展人的智能的理論方法及其應(yīng)用系統(tǒng)的學(xué)科，是計算機科學(xué)領(lǐng)域的分支。人工智能的研究范疇涵蓋機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等內(nèi)容。人工智能研究的一個主要目標(biāo)是使機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜工作。人工智能的具體表現(xiàn)是智能行為，并以個體行為或群體行為的方式來體現(xiàn)，個體行為通常以感知、判斷、分析、學(xué)習(xí)、記憶等智能行為體現(xiàn)，群體行為則以適應(yīng)、應(yīng)變、協(xié)作等智能行為體現(xiàn)。

智能制造是人工智能技術(shù)和制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，人工智能理論是智能制造的理論基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外對于各種專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究為其在制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供了強有力的技術(shù)手段，并在柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing Sustem, FMS）和計算機集成制造（Computer Integrated Manufacturing System, CIMS）中得到了廣泛的應(yīng)用。智能制造是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)（如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等）。通過人與智能機器的合作共事去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，它把制造自動化的概念更新擴展到柔性化、智能化和高度集成化[1-2]。

航空產(chǎn)品及其自動化制造

1 航空產(chǎn)品制造過程

航空產(chǎn)品制造過程通常包括生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備、生產(chǎn)作業(yè)、零件加工和生產(chǎn)管控等4個階段，如圖1所示。這些階段，可以順次完成，也可以并列完成?，F(xiàn)代航空產(chǎn)品制造過程融合了PDM、ERP、MES等IT應(yīng)用系統(tǒng)和CAD/CAM/CAE軟件等應(yīng)用工具，能夠滿足離散式生產(chǎn)模式的生產(chǎn)作業(yè)和生產(chǎn)管控需求，并初步實現(xiàn)了自動化排產(chǎn)、統(tǒng)計功能。

其中，生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備過程是航空產(chǎn)品制造過程的核心，此階段包括工藝性審查、工藝設(shè)計、配套工裝設(shè)計和工藝反復(fù)迭代等多個環(huán)節(jié)，需要數(shù)量巨大、種類繁多的技術(shù)專家參與進行深入研究。一方面，技術(shù)進步引起了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，同時，也對產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、耐久性和經(jīng)濟性，以及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備，提出了越來越高的要求；另一方面，工藝過程的多樣性、不斷完善的程度，設(shè)備、工具和裝置，生產(chǎn)組織方式，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以及其他一些因素，無形中也增加了生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備的工作量和復(fù)雜性，大幅度延長了生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備的周期。

2 航空產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)

狹義的“產(chǎn)線自動化”，通常是指現(xiàn)場操作的生產(chǎn)加工過程自動化，對現(xiàn)代企業(yè)而言，生產(chǎn)過程自動化是廣義的自動化，是一種“無人值班的生產(chǎn)”狀態(tài)，包括生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備、工具配送、物料傳輸、加工生產(chǎn)、生產(chǎn)管控和維護保障等在內(nèi)的全部生產(chǎn)活動均可自動化，如圖2所示。

航空產(chǎn)品因其自身的特殊性，生產(chǎn)過程多以中小批量為主，相比于剛性生產(chǎn)線，在柔性自動化機加線中，所要處理的是多種加工對象，故而生產(chǎn)信息頻繁變化，生產(chǎn)管控的生產(chǎn)信息就顯得格外重要，要想滿足全部生產(chǎn)活動均可自動化這一要求，就必須使產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)計劃過程均實現(xiàn)自動化。生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備的自動化由CAD/CAM/CAE來承擔(dān)，加工過程由CNC或FMC承擔(dān)，生產(chǎn)計劃下達和生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行的自動化需要通過生產(chǎn)管控系統(tǒng)承擔(dān)，由生產(chǎn)管控系統(tǒng)指示每臺機床、輸送裝置和倉庫的工作，以及協(xié)調(diào)3者間的動作時間匹配。

圖1 航空產(chǎn)品制造過程Fig.1 Manufacturing process of aviation products

圖2 零件制造過程的自動化Fig.2 Manufacturing process automation of parts

3 自動化生產(chǎn)過程的智能化

融合智能制造行為的自動化機加線至少應(yīng)包括3個維度的能力：一是理解、分析、解決問題的能力；二是歸納推理和演繹推理的能力；三是自適應(yīng)環(huán)境而生存發(fā)展的能力。航空產(chǎn)品智能化生產(chǎn)包括兩個層面，分別是生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備過程的智能化，加工生產(chǎn)過程的智能化。

（1）生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備過程智能化。

國內(nèi)外研發(fā)了多種虛擬仿真和先進分析軟件工具，建模、仿真、分析、數(shù)據(jù)處理和決策優(yōu)化等功能日趨完善，這些軟件工具或為通用有限元分析軟件（如NASTRAN、ANSYS），或為專業(yè)仿真軟件（如AdvantEdge、Vericut），均不具備直接用于生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備過程的條件，必須經(jīng)過客戶化的特殊定制處理，才能滿足生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備自動化、智能化的需求。

（2）加工生產(chǎn)過程智能化。

航空產(chǎn)品的生產(chǎn)作業(yè)過程是將各種資源轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品的相關(guān)活動，在機加線中為計劃調(diào)度和執(zhí)行行為，即組合調(diào)度行為；零件加工過程是執(zhí)行生產(chǎn)工藝的過程，即通過一定工序和方式將原材料、半成品轉(zhuǎn)化為目標(biāo)需求的過程的總稱，主體是機床等工藝裝備，核心是機床或工藝裝備的加工或運行過程，在機加線中為工藝裝備設(shè)備運行和工況處理的自主執(zhí)行行為；生產(chǎn)管控過程是對生產(chǎn)運行管理工作的總稱，在現(xiàn)代企業(yè)中是一項軟件工程，是管理和監(jiān)控行為，概括為感知識別、數(shù)據(jù)獲取、自動推理3個行為，以上5個行為通過生產(chǎn)管控系統(tǒng)整合后構(gòu)成自動化機加線的智能行為。

·組合調(diào)度。以機加線工藝為主線，根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)，按照設(shè)備負(fù)荷平衡的原則，對作業(yè)計劃、物料傳輸、工具配送、生產(chǎn)運行等過程進行優(yōu)化排序，按均衡生產(chǎn)方式和“余度”設(shè)計準(zhǔn)則進行組合調(diào)配控制。

·自主執(zhí)行。將計劃及調(diào)度的作業(yè)計劃以動作鏈方式安排到設(shè)備，按照規(guī)定的順序執(zhí)行，同時監(jiān)視加工零件及各設(shè)備的實時狀態(tài)，并反饋到計劃及調(diào)度，重新調(diào)度，以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

·感知識別。全面感知、監(jiān)測機加線物料傳輸、機床加工、生產(chǎn)運行和產(chǎn)品狀況的實時狀態(tài)及信息反饋。

·數(shù)據(jù)獲取。通過感知的手段獲取動態(tài)數(shù)據(jù)，并對獲取的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行及時、快速的分析，進而轉(zhuǎn)化為動態(tài)知識。

·自動推理。按照設(shè)定的規(guī)則，根據(jù)分析結(jié)果，自主做出判斷決策。

航空產(chǎn)品自動化機加線及其智能實現(xiàn)

1 航空產(chǎn)品自動化機加線總成規(guī)劃

推進融合智能制造行為的航空產(chǎn)品自動化機加線是一項復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，是工業(yè)工程與信息技術(shù)、自動化技術(shù)與先進制造技術(shù)全面結(jié)合的產(chǎn)物，這是一個不斷探索、試錯的過程，難以一蹴而就，更不能急于求成，自動化機加線需綜合考慮多方面因素的影響，核心在于實現(xiàn)生產(chǎn)管控和制造過程各個環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)化集成。

生產(chǎn)線建設(shè)屬于非標(biāo)定制工程，需要將產(chǎn)品的加工工藝、工程師的經(jīng)驗及企業(yè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)流程等知識整體嵌入到同一集成的生產(chǎn)環(huán)境中，產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計首要確定的是生產(chǎn)目標(biāo)及綱領(lǐng)，完備的自動化機加線由3個部分組成：多工位加工單元、自動化的物料儲運系統(tǒng)和計算機控制的信息系統(tǒng)。各組成系統(tǒng)的實際構(gòu)成因工廠的實際生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)綱領(lǐng)及預(yù)計達到的技術(shù)指標(biāo)而定，如圖3所示。

（1）加工系統(tǒng)。

考慮到航空產(chǎn)品大多為中小批量的特點，加工單元必須具備相當(dāng)?shù)娜嵝?，因此，加工單元的機床群通常由具備復(fù)合加工功能的多臺加工中心或柔性加工單元構(gòu)成，在同一時間既可以生產(chǎn)同一類型產(chǎn)品，也可以同時生產(chǎn)不同類型、不同數(shù)量的產(chǎn)品。

（2）物流系統(tǒng)。

物流系統(tǒng)包含工件的輸送和儲存兩個方面，設(shè)計過程中按實際物料種類的不同，可分為工件流支持系統(tǒng)和刀具流支持系統(tǒng)。工件流支持系統(tǒng)主要完成工件、夾具、托盤、輔料及配件等在各個加工工位間及各個輔助工位間的輸送，完成工件向加工設(shè)備間的輸送與位姿交換。刀具流支持系統(tǒng)主要完成適時地向加工單元提供加工所需的刀具，取走已用過及耐用度耗盡的刀具，運送過程中應(yīng)保障物料流的暢通性及信息流的準(zhǔn)確性。

圖3 自動化機加線總成Fig.3 Assembly of automated machining lines

（3）信息系統(tǒng)。

信息系統(tǒng)的構(gòu)成主要涉及過程控制及過程監(jiān)視兩個子系統(tǒng)，其功能分別為：進行加工系統(tǒng)及物流系統(tǒng)的自動控制，以及在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動采集和處理，其主要任務(wù)是：組織和指揮制造流程進行控制和監(jiān)視，向機加線的加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)提供全部控制信息并進行過程監(jiān)視，反饋各種在線檢測數(shù)據(jù)，以便修正控制信息，保證可靠安全地運行。

2 自動化機加線運行狀況智能評估

自動化機加線的整體運行狀況評估是多因素混合目標(biāo)求解問題，需要借助生產(chǎn)線仿真工具來輔助分析決策，最終得到全局最優(yōu)解。在產(chǎn)線布局規(guī)劃之初，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)能、加工時長、生產(chǎn)節(jié)拍等產(chǎn)線指標(biāo)要求進行布局結(jié)構(gòu)的靜態(tài)建模和全局運行的動態(tài)仿真。在虛擬環(huán)境下，對機加線的整體方案進行宏觀把控，預(yù)測達產(chǎn)后的運行狀況，實現(xiàn)對機加線規(guī)劃的合理性、運行的順流性、健壯性以及相應(yīng)性能指標(biāo)等的驗證分析。機加線虛擬仿真主要涉及4個方面工作，如圖4所示。

3 自動化機加線智能管控

在自動化機加線內(nèi)，生產(chǎn)的管理和控制不可避免地受到產(chǎn)線機床、刀具、夾具及配套工藝裝備的性能、數(shù)量以及工件加工程序的制約。整個自動化運行過程中，需要采取分級控制的原則，以實時監(jiān)視、判斷、掌握整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為保障這些生產(chǎn)活動的順利進行，融入適當(dāng)?shù)闹悄苄袨榭梢允构芸匦袨楹唵位枰槍π缘剡M行業(yè)務(wù)流程和制造物流整合、實施生產(chǎn)過程控制和動態(tài)實時監(jiān)視。

（1）業(yè)務(wù)流程整合。

統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流程平臺是將企業(yè)的PDM、ERP、MES等信息應(yīng)用管理軟件實行功能的整合和重組，避免因相互獨立運行導(dǎo)致的業(yè)務(wù)流程交叉、信息利用率低的隱患，建立高效的規(guī)范化流程，實現(xiàn)企業(yè)工程數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管控，建立統(tǒng)一的智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系和編碼體系，實現(xiàn)設(shè)備間、系統(tǒng)間的互聯(lián)互通及信息的高效傳輸，建立自動化的物料管理系統(tǒng)，實現(xiàn)物料消耗、實時庫存量、生產(chǎn)訂單間的關(guān)聯(lián)匹配關(guān)系，最終形成貫通完備的智能IT網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)過程、質(zhì)量、設(shè)備、物料以及現(xiàn)場等各單元間的精細(xì)化集成管控模式。

（2）制造物流規(guī)劃。

機加線的物流規(guī)劃主要包括3個方面：一是原材料、半成品、成品所構(gòu)成的工件流；二是刀具、夾具所構(gòu)成的工具流；三是托盤、輔助材料、備件等所構(gòu)成的配套流。其中，最主要的是工件、刀具等的流動，如圖5所示。不同于傳統(tǒng)的剛性線和流水線，航空產(chǎn)品的機械加工機加線需解決非固定節(jié)拍強迫運送及非固定順序的混流生產(chǎn)問題，理想狀態(tài)下的物流系統(tǒng)，需借助輔助緩存和動態(tài)目標(biāo)修正指令，彌合因工位加工時差帶來的時間偏離，實現(xiàn)物料的存儲、輸送、裝卸和管理等功能。

（3）生產(chǎn)過程控制。

典型的機加線控制結(jié)構(gòu)由物理級和控制決策級組成，如圖6所示。機加線以事件的發(fā)生和停止為特征，并由事件支持整個系統(tǒng)的活動，對機加線的調(diào)度和控制就是對資源設(shè)備和加工對象的協(xié)調(diào)，通常情況科研生產(chǎn)模式下的加工流程是可變和可選擇的，相應(yīng)的生產(chǎn)過程控制需要滿足兩方面的功能需求，一是生產(chǎn)基本信息的管理，包括訂單的創(chuàng)建和維護、生產(chǎn)批次管理、生產(chǎn)派工、工程變更管理、生產(chǎn)插單、訂單進度跟蹤等業(yè)務(wù)活動；二是動態(tài)的控制決策規(guī)劃，實時分析生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)進度的匹配情況，并在異常情況發(fā)生時自動調(diào)整運行模式，降低生產(chǎn)變化對計劃的影響和沖擊，以此支撐多品種、小批量、工藝數(shù)據(jù)頻繁變更的管理需求，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、設(shè)計與現(xiàn)場生產(chǎn)的實時聯(lián)動。

圖4 機加線虛擬仿真Fig.4 Virtual simulation of machining lines

圖5 機加線的物流規(guī)劃Fig.5 Logistics planning of machining lines

圖6 機加線控制結(jié)構(gòu)Fig.6 Controlling structure of machining lines

圖7 機加線動態(tài)實時監(jiān)視Fig.7 Dynamic real-time monitoring of machining lines

（4）動態(tài)實時監(jiān)視。

完備的自動監(jiān)視平臺通過對制造過程、系統(tǒng)故障、設(shè)備運行、精度、安全等5方面的監(jiān)視。依據(jù)生產(chǎn)過程中實時的反饋信息，可以幫助生產(chǎn)管理人員實時了解機加線的運行狀態(tài)和生產(chǎn)作業(yè)的執(zhí)行情況，并根據(jù)實際生產(chǎn)計劃及時對機加線的運行程序、生產(chǎn)工藝、物流方案等進行動態(tài)調(diào)整，避免因系統(tǒng)性偏差、精度下降、設(shè)備故障等因素對穩(wěn)定生產(chǎn)的影響，同時豐富的實時采集數(shù)據(jù)，同樣可以反饋給管控系統(tǒng)，為生產(chǎn)作業(yè)計劃和物流調(diào)度的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持，如圖7所示。

結(jié)束語

自動化機加線與智能制造的融合引發(fā)了新一輪制造業(yè)變革，航空產(chǎn)品智能化機加線屬于工業(yè)工程領(lǐng)域，重點關(guān)注生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備過程和生產(chǎn)運行過程兩個層面的智能化。隨著航空產(chǎn)品不斷發(fā)展的戰(zhàn)略需求，急需整合、優(yōu)化和提升企業(yè)現(xiàn)有資源，構(gòu)建產(chǎn)品全生命周期、企業(yè)全業(yè)務(wù)流程、產(chǎn)業(yè)全價值鏈的“三全”技術(shù)能力貨架，進一步推進智能機加線的建設(shè)步伐，促進航空制造業(yè)質(zhì)量和效率的雙向躍升。

[1]馬履中.機器人與柔性制造系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.MA Lüzhong. Robotics and flexible manufacturing systems[M]. Beijing: Chemical Industry Press，2014.

[2]劉延林.柔性制造自動化概論[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.LIU Yanlin. Introduction of flexible manufacturing automation[M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press，2010.