中航工業(yè)成飛數(shù)控加工廠 牟文平 隋少春

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 李迎光

根據(jù)英國(guó)Warwick大學(xué)與ICF國(guó)際咨詢公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2012年全球飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造費(fèi)用約占整機(jī)制造費(fèi)用的27%，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明的制造成本分布情況如圖1所示。作為飛機(jī)的主要承力部件，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件在整機(jī)制造費(fèi)用中占據(jù)很大的比重。

我國(guó)航空工業(yè)起步較晚，作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的主要制造裝備是在20世紀(jì)90年代以后才在中國(guó)航空工業(yè)開始得到初步應(yīng)用。進(jìn)入2000年以后，五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床以及高速切削機(jī)床開始得到推廣應(yīng)用，對(duì)應(yīng)的數(shù)控編程及加工仿真的技術(shù)水平顯著提高，加工效率及質(zhì)量也得到顯著提高。特別是信息化技術(shù)的應(yīng)用，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工行業(yè)的生產(chǎn)力得到了進(jìn)一步提升，航空工業(yè)的數(shù)控機(jī)床設(shè)備利用率不斷提高，先進(jìn)數(shù)字化車間的平均設(shè)備利用率已經(jīng)達(dá)到60%，逐步接近國(guó)外同行水平。大量采用先進(jìn)數(shù)控機(jī)床的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造行業(yè)自動(dòng)化程度較高，具備了實(shí)施智能制造的基礎(chǔ)條件，但與國(guó)外先進(jìn)制造企業(yè)相比，仍存在著巨大差距。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)是典型的多品種、小批量生產(chǎn)，特別是軍用飛行器，由于對(duì)性能要求的不斷提高，研制、生產(chǎn)過程中往往伴隨大量的設(shè)計(jì)更改。智能制造的目的是在滿足個(gè)性化需求的同時(shí)，還要達(dá)到縮短制造周期、降低制造成本、減少環(huán)境污染以及降低能源消耗的目的。因此，研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)件智能制造相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，打造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件智慧加工工廠，對(duì)飛機(jī)制造行業(yè)具有重大而又現(xiàn)實(shí)的意義。

面臨的挑戰(zhàn)

與其他行業(yè)相比，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工具有明顯的特點(diǎn)與難點(diǎn)。隨著飛機(jī)性能要求的提高，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件大量采用整體化設(shè)計(jì)，這使得單個(gè)結(jié)構(gòu)件的尺寸越來越大，集成的功能特征越來越多，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。重型戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身整體框尺寸達(dá)到4000mm×2000mm×200mm以上，大型運(yùn)輸機(jī)的整體壁板可能長(zhǎng)達(dá)20m。在工藝設(shè)計(jì)階段，一些大型零件的數(shù)控編程周期長(zhǎng)達(dá)1～2個(gè)月，工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量嚴(yán)重依賴工藝人員的經(jīng)驗(yàn)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件不僅尺寸大，而且精度要求高，在加工過程中，由于需要去除大量材料，材料去除率達(dá)到90%以上，故零件容易變形，變形控制難度較大。以鈦合金為代表的難加工材料大量應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，加工難度大，加工周期長(zhǎng)，刀具磨損快，因?yàn)榈毒咂茡p導(dǎo)致的零件燒傷等狀況時(shí)有發(fā)生，質(zhì)量控制難度大。這些工藝特點(diǎn)決定了目前在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造過程中，仍然非常依賴人員經(jīng)驗(yàn)，且加工時(shí)很多情況下仍然需要工人的監(jiān)控和干預(yù)，這就增加了智能制造在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造行業(yè)的實(shí)施難度。智慧加工工廠的目標(biāo)是針對(duì)訂單或產(chǎn)品的變化能夠自動(dòng)分析自身資源情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的快速自組織、自優(yōu)化，達(dá)到對(duì)訂單的快速響應(yīng)。要打造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件智慧加工工廠，需要面臨以下挑戰(zhàn)。

（1）數(shù)控編程的效率與質(zhì)量的提升。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工程序編制工作量非常大，大型鋁合金結(jié)構(gòu)件的編程時(shí)間與零件實(shí)際加工時(shí)間的比例為10∶1。在過去的工藝設(shè)計(jì)過程中，零件的工藝路線往往是固定的，即一個(gè)零件只有一條工藝路線和配套的數(shù)控加工程序。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)故障或訂單變化導(dǎo)致需要調(diào)整工藝路線時(shí)，由于機(jī)床結(jié)構(gòu)、性能以及數(shù)控系統(tǒng)的不同，往往需要重新編制數(shù)控加工程序，這就大大降低了生產(chǎn)調(diào)度的柔性，從而無法滿足智能制造的快速自組織、自由化的目標(biāo)。因此，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件智能制造對(duì)數(shù)控編程提出了新的挑戰(zhàn)。

（2）設(shè)備性能的實(shí)時(shí)評(píng)估與故障預(yù)測(cè)。

智慧加工工廠的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)不僅要根據(jù)生產(chǎn)的任務(wù)量對(duì)產(chǎn)品的工藝路線進(jìn)行決策，還要保證設(shè)備的性能能夠滿足產(chǎn)品的制造需求。數(shù)控機(jī)床的精度會(huì)隨著使用的年限增加而下降，如何在工藝路線決策過程中快速地評(píng)估出設(shè)備的性能是否滿足產(chǎn)品制造的需求，也是智慧加工工廠必須解決的問題。設(shè)備利用率是衡量工廠綜合能力的重要指標(biāo)，而機(jī)床的故障則是影響設(shè)備利用率的重要因素之一。智慧加工工廠需要對(duì)設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便設(shè)備工程師對(duì)機(jī)床進(jìn)行預(yù)修或維護(hù)，從而減少故障停工時(shí)間。

（3）加工過程的無人工干預(yù)。

很快，一連打到了洞底，消滅了洞內(nèi)的日本鬼子。馬國(guó)平指揮戰(zhàn)士清理戰(zhàn)場(chǎng)。戰(zhàn)斗結(jié)束后的大別山，被戰(zhàn)火摧殘得滿目瘡痍，空氣里彌漫著火藥與血腥交織的味兒；不遠(yuǎn)處的山林傳來鳥鳴，悲啼婉轉(zhuǎn)。

當(dāng)前在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工過程中，仍然有大量的人工干預(yù)存在。比如，為控制零件的加工變形，往往需要通過調(diào)整裝夾狀態(tài)、多次修正基準(zhǔn)來滿足變形控制要求；一些關(guān)鍵尺寸還要依靠工人通過過程檢測(cè)來控制；一些難加工材料零件在加工過程中需要工人觀察刀具狀態(tài)來避免銑削燒傷等。這些需要人為干預(yù)控制的環(huán)節(jié)在未來的智慧加工工廠的運(yùn)行中，都要采用自適應(yīng)加工工藝方法來控制。

（4）智慧加工工廠生產(chǎn)管控中心。智能生產(chǎn)管控中心是智慧加工工廠的大腦。智能管控中心需要能夠獲取工廠內(nèi)部所有資源信息、物流信息以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，這就需要建立龐大的信息感知系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息和獲取；另一方面，智能管控中心要能夠根據(jù)掌握的信息結(jié)合工廠訂單的情況自動(dòng)地進(jìn)行分析處理，協(xié)助生產(chǎn)管控部門實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的資源調(diào)度和生產(chǎn)組織，并依據(jù)決策結(jié)果驅(qū)動(dòng)工廠現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行層進(jìn)行生產(chǎn)。

關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

（1） 智能數(shù)控編程技術(shù)及系統(tǒng)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征多，包含大量自由曲面、相交特征和特殊加工區(qū)域，制造精度要求高，加工難度大。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工工藝規(guī)程編制過程中需手工處理大量的圖形信息、數(shù)據(jù)信息、文字信息，對(duì)工藝人員的要求高。隨著整體薄壁件、特種材料件的增多，工藝設(shè)計(jì)工作量大幅增加，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的工藝加工方案設(shè)計(jì)日益成為影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工周期的重要瓶頸之一。特征技術(shù)是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM有效集成的方法，對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)組織的集成化、自動(dòng)化程度大有裨益?；谔卣鞯墓に嚊Q策技術(shù)以特征為信息載體，能有效集成加工知識(shí)和專家經(jīng)驗(yàn)。智慧加工工廠對(duì)工藝路線的很高的柔性需求，要求在工藝路線確定后，能夠依據(jù)零件MBD數(shù)模和制造資源的約束快速地完成數(shù)控加工程序的編制，而基于特征的數(shù)控編程技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、高效數(shù)控編程的有效技術(shù)手段。

李迎光等人提出了一種面向復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的用戶自定義加工特征建模方法和面向MBD數(shù)模的加工特征自動(dòng)識(shí)別方法，并開發(fā)了基于特征的編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件零件的智能編程。該系統(tǒng)首先對(duì)MBD數(shù)模信息進(jìn)行分析提取，自動(dòng)識(shí)別出加工特征及其制造公差等信息，依據(jù)知識(shí)庫(kù)中的典型工藝模板自動(dòng)進(jìn)行工藝規(guī)劃，最終在制造資源庫(kù)、切削參數(shù)庫(kù)等的支持下自動(dòng)生成刀軌。該系統(tǒng)與商用CAM軟件相比，編程效率提高3倍以上，大幅縮短了數(shù)控編程周期。目前該系統(tǒng)的數(shù)控程序自動(dòng)生成率還達(dá)不到100%，部分特征還需要進(jìn)行人機(jī)交互操作來識(shí)別。隨著系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)的完善，未來數(shù)控編程的任務(wù)將全部由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成，編程效率將顯著提高，從而滿足智慧加工工廠工藝路線高度柔性的需求。而工藝人員的工作重心也從數(shù)控編程轉(zhuǎn)化為對(duì)工藝知識(shí)庫(kù)的更新、維護(hù)。

（2） 數(shù)控機(jī)床性能評(píng)估與故障預(yù)測(cè)技術(shù)。

數(shù)控機(jī)床本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，機(jī)床利用率的提高對(duì)機(jī)床的故障預(yù)測(cè)和預(yù)先維修提出了更高的要求。成飛公司開發(fā)了一套面向機(jī)床關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)化傳感器系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集機(jī)床運(yùn)行過程中的振動(dòng)、電流、噪音等信息，并基于專家知識(shí)庫(kù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵部件健康狀態(tài)的預(yù)警。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，將向設(shè)備維護(hù)人員實(shí)時(shí)推送報(bào)警信息，以及結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)給出的故障預(yù)測(cè)信息，提醒設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行設(shè)備檢查和維護(hù)。一方面，可以避免在設(shè)備出現(xiàn)問題的情況下繼續(xù)加工零件造成產(chǎn)品質(zhì)量故障和設(shè)備的進(jìn)一步損壞；另一方面，可以提醒設(shè)備維護(hù)人員提前準(zhǔn)備維修備件，以減少由于設(shè)備故障造成的停工等待時(shí)間。當(dāng)前的大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床，由于設(shè)計(jì)時(shí)未考慮傳感器安裝設(shè)置，所以該技術(shù)推廣較為困難。用于未來工廠的數(shù)控機(jī)床將自帶標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器，數(shù)控系統(tǒng)也將提供更加豐富的信息收集接口，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床更加全面的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷。

（3） 自適應(yīng)加工工藝技術(shù)。

自適應(yīng)加工工藝技術(shù)主要解決的是加工過程中的人為干預(yù)問題，當(dāng)前針對(duì)自適應(yīng)加工工藝的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

檢測(cè)加工一體化技術(shù)：檢測(cè)加工一體化技術(shù)主要是在零件裝夾或加工完成后，利用機(jī)床自帶的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)零件的空間位置及特征尺寸進(jìn)行測(cè)量，完成測(cè)量之后，通過分析誤差分布情況來重新調(diào)整加工坐標(biāo)系或加工程序的技術(shù)。DELCAM開發(fā)了一套利用機(jī)床接觸式測(cè)頭的檢測(cè)加工一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)在零件裝夾完成后對(duì)毛坯的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)加工坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)整，或在加工后對(duì)零件精度進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)誤差情況調(diào)整加工程序進(jìn)行補(bǔ)償加工，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件或復(fù)雜特征的全自動(dòng)加工。北京航空航天大學(xué)的趙慧潔等人開發(fā)了一套在機(jī)非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)，與接觸式檢測(cè)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的全三維檢測(cè)，獲取更加豐富的誤差分布數(shù)據(jù)，從而支撐更加精細(xì)化的自適應(yīng)加工程序優(yōu)化。但該檢測(cè)系統(tǒng)目前在標(biāo)準(zhǔn)化、工程化還存在較大的差距，因此，該技術(shù)在行業(yè)的推廣還有較長(zhǎng)的路要走。

監(jiān)測(cè)加工一體化技術(shù)：與檢測(cè)加工一體化技術(shù)不同，監(jiān)測(cè)加工一體化技術(shù)是在零件加工過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要的信息，從而實(shí)時(shí)決策是否需要進(jìn)行調(diào)整或優(yōu)化的技術(shù)。典型的應(yīng)用如MODIG公司開發(fā)的用于型材類零件加工時(shí)的隨動(dòng)裝夾技術(shù)，在加工過程中通過監(jiān)測(cè)刀具的位置信息，結(jié)合數(shù)控程序信息來判斷是否需要松開夾持模塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的避讓，在刀具離開后又能重新閉合夾持模塊來實(shí)現(xiàn)零件的夾緊。鏡像蒙皮銑工藝則是另一種應(yīng)用，在加工過程中通過超聲測(cè)厚裝置監(jiān)測(cè)蒙皮厚度，并將厚度信息反饋到機(jī)床系統(tǒng)中，從而對(duì)加工程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，來滿足蒙皮加工厚度的公差要求。南航李迎光等人提出了一種基于監(jiān)測(cè)加工一體化的航空大型零件低應(yīng)力裝夾的加工模式，加工過程中裝夾系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整，允許零件變形釋放應(yīng)力，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)零件變形，自動(dòng)調(diào)整特征加工策略，保證加工完成后自由狀態(tài)下工件變形量合格。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)的反復(fù)修面、多次手動(dòng)裝夾到智能自適應(yīng)裝夾的轉(zhuǎn)變。

圖2 虛擬工廠與現(xiàn)實(shí)工廠的關(guān)系

監(jiān)測(cè)加工一體化技術(shù)還有一種應(yīng)用是針對(duì)刀具加工狀態(tài)的監(jiān)控。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征復(fù)雜，刀具在加工過程中實(shí)際切削余量不斷變化，刀具壽命預(yù)測(cè)困難。通過在主軸或工作臺(tái)上安裝傳感器來監(jiān)測(cè)切削狀態(tài)信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損或破損狀態(tài)的預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)在加工過程中自動(dòng)換刀、預(yù)警或加工速度調(diào)整等。目前，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的手段包括采用力學(xué)傳感器、振動(dòng)傳感器、聲發(fā)射傳感器、功率傳感器等，其中振動(dòng)傳感器和功率傳感器由于部署成本低和通用性強(qiáng)，在工業(yè)界應(yīng)用比較廣泛，比如德國(guó)的ARTIS自適應(yīng)加工系統(tǒng)就主要采用這兩種傳感器。但由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工特征形狀復(fù)雜，已有系統(tǒng)針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)仍然面臨許多困難，需要用戶針對(duì)自身產(chǎn)品特點(diǎn)做大量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和開發(fā)才能真正起到作用。

（4） 智能生產(chǎn)管控技術(shù)。

智能生產(chǎn)管控中心是未來智慧加工工廠的大腦，它將負(fù)責(zé)工廠所有資源的統(tǒng)一調(diào)配和管控。未來工廠的智能生產(chǎn)管控中心需要建立與實(shí)際工廠同步運(yùn)行的虛擬工廠，如圖2所示。當(dāng)新的訂單到來時(shí)，智能生產(chǎn)管控中心在決策任務(wù)過程中心首先將任務(wù)在虛擬的工廠進(jìn)行模擬加工運(yùn)行，以確定調(diào)度排產(chǎn)的有效性；另一方面，智能生產(chǎn)管控中心還將不斷獲取實(shí)際工廠的運(yùn)行信息來驅(qū)動(dòng)虛擬工廠的運(yùn)行，管控中心將依據(jù)虛擬工廠的運(yùn)行反饋情況來決策對(duì)現(xiàn)實(shí)工廠的調(diào)度控制。西門子成都工廠構(gòu)建了工業(yè)4.0管控系統(tǒng)的原型，該系統(tǒng)的運(yùn)行使得其寬敞的廠房里只有二三十名工人在工作，自動(dòng)化程度驚人。傳統(tǒng)工廠如果要實(shí)現(xiàn)混線生產(chǎn)，極易出現(xiàn)差錯(cuò)，而西門子全集成自動(dòng)化解決方案在很大程度上替代了人類的大腦、視覺和手臂，大量工作由后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)完成。成飛數(shù)控加工廠在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造行業(yè)內(nèi)率先開發(fā)了車間級(jí)的智能管控中心雛形，該管控中心構(gòu)建了與現(xiàn)實(shí)車間同步運(yùn)行的虛擬車間，基本實(shí)現(xiàn)對(duì)車間內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而對(duì)生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率、工廠經(jīng)營(yíng)指標(biāo)等開展統(tǒng)計(jì)、分析、優(yōu)化、決策。

結(jié)束語

德國(guó)工業(yè)4.0背景下的智慧工廠的主要特征是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的高度定制化生產(chǎn)，并能根據(jù)訂單需求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的自組織、自優(yōu)化。飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)是典型的多品種小批量生產(chǎn)，這與工業(yè)4.0的生產(chǎn)模式是高度一致的。智慧加工工廠是以信息高度集成的自動(dòng)化生產(chǎn)為前提，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)工廠離這一要求還有較大差距。盡管行業(yè)內(nèi)針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件智慧加工工廠相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)都開展了大量的研究，但還未見完整的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件智慧加工工廠的案例。因此，當(dāng)務(wù)之急是打造一個(gè)智慧加工工廠的樣板，從而推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，才能實(shí)現(xiàn)智能制造在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域的落地實(shí)施。