（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 沈陽 110043）

航空制造業(yè)作為機(jī)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(diǎn)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(jìn)步，突破了產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)制造和數(shù)字化集成制造等多項(xiàng)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(jìn)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(duì)外依存度較高、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱等現(xiàn)實(shí)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(jī)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(yùn)行維護(hù)等各個(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)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(kuò)展人的智能的理論方法及其應(yīng)用系統(tǒng)的學(xué)科，是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的分支。人工智能的研究范疇涵蓋機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)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(gè)主要目標(biāo)是使機(jī)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(gè)體行為或群體行為的方式來體現(xiàn)，個(gè)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(duì)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(qiáng)有力的技術(shù)手段，并在柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing Sustem, FMS）和計(jì)算機(jī)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(jī)器和人類專家共同組成的人機(jī)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(jī)器的合作共事去擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng)，它把制造自動(dòng)化的概念更新擴(kuò)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(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化排產(chǎn)、統(tǒng)計(jì)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(jì)、配套工裝設(shè)計(jì)和工藝反復(fù)迭代等多個(gè)環(huán)節(jié)，需要數(shù)量巨大、種類繁多的技術(shù)專家參與進(jìn)行深入研究。一方面，技術(shù)進(jìn)步引起了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，同時(shí)，也對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)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(dòng)化生產(chǎn)

狹義的“產(chǎn)線自動(dòng)化”，通常是指現(xiàn)場(chǎng)操作的生產(chǎn)加工過程自動(dòng)化，對(duì)現(xiàn)代企業(yè)而言，生產(chǎn)過程自動(dòng)化是廣義的自動(dòng)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(hù)保障等在內(nèi)的全部生產(chǎn)活動(dòng)均可自動(dòng)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(dòng)化機(jī)加線中，所要處理的是多種加工對(duì)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(dòng)均可自動(dòng)化這一要求，就必須使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃過程均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備的自動(dòng)化由CAD/CAM/CAE來承擔(dān)，加工過程由CNC或FMC承擔(dān)，生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)和生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行的自動(dòng)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(tái)機(jī)床、輸送裝置和倉庫的工作，以及協(xié)調(diào)3者間的動(dòng)作時(shí)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(dòng)化Fig.2 Manufacturing process automation of parts

3 自動(dòng)化生產(chǎn)過程的智能化

融合智能制造行為的自動(dòng)化機(jī)加線至少應(yīng)包括3個(gè)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(gè)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(jìn)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?yàn)橥ㄓ糜邢拊治鲕浖ㄈ鏝ASTRAN、ANSYS），或?yàn)閷I(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(dòng)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(dòng)，在機(jī)加線中為計(jì)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(jī)床等工藝裝備，核心是機(jī)床或工藝裝備的加工或運(yùn)行過程，在機(jī)加線中為工藝裝備設(shè)備運(yùn)行和工況處理的自主執(zhí)行行為；生產(chǎn)管控過程是對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行管理工作的總稱，在現(xiàn)代企業(yè)中是一項(xiàng)軟件工程，是管理和監(jiān)控行為，概括為感知識(shí)別、數(shù)據(jù)獲取、自動(dòng)推理3個(gè)行為，以上5個(gè)行為通過生產(chǎn)管控系統(tǒng)整合后構(gòu)成自動(dòng)化機(jī)加線的智能行為。

·組合調(diào)度。以機(jī)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(duì)作業(yè)計(jì)劃、物料傳輸、工具配送、生產(chǎn)運(yùn)行等過程進(jìn)行優(yōu)化排序，按均衡生產(chǎn)方式和“余度”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行組合調(diào)配控制。

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

·感知識(shí)別。全面感知、監(jiān)測(cè)機(jī)加線物料傳輸、機(jī)床加工、生產(chǎn)運(yùn)行和產(chǎn)品狀況的實(shí)時(shí)狀態(tài)及信息反饋。

·數(shù)據(jù)獲取。通過感知的手段獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、快速的分析，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)知識(shí)。

·自動(dòng)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(dòng)化機(jī)加線及其智能實(shí)現(xiàn)

1 航空產(chǎn)品自動(dòng)化機(jī)加線總成規(guī)劃

推進(jìn)融合智能制造行為的航空產(chǎn)品自動(dòng)化機(jī)加線是一項(xiàng)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(dòng)化技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)全面結(jié)合的產(chǎn)物，這是一個(gè)不斷探索、試錯(cuò)的過程，難以一蹴而就，更不能急于求成，自動(dòng)化機(jī)加線需綜合考慮多方面因素的影響，核心在于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控和制造過程各個(gè)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(yàn)及企業(yè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)流程等知識(shí)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(jì)首要確定的是生產(chǎn)目標(biāo)及綱領(lǐng)，完備的自動(dòng)化機(jī)加線由3個(gè)部分組成：多工位加工單元、自動(dòng)化的物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制的信息系統(tǒng)。各組成系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)成因工廠的實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)綱領(lǐng)及預(yù)計(jì)達(dá)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(diǎn)，加工單元必須具備相當(dāng)?shù)娜嵝?，因此，加工單元的機(jī)床群通常由具備復(fù)合加工功能的多臺(tái)加工中心或柔性加工單元構(gòu)成，在同一時(shí)間既可以生產(chǎn)同一類型產(chǎn)品，也可以同時(shí)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(chǔ)存兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)過程中按實(shí)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(gè)加工工位間及各個(gè)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(shí)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(yùn)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(dòng)化機(jī)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(gè)子系統(tǒng)，其功能分別為：進(jìn)行加工系統(tǒng)及物流系統(tǒng)的自動(dòng)控制，以及在線狀態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理，其主要任務(wù)是：組織和指揮制造流程進(jìn)行控制和監(jiān)視，向機(jī)加線的加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)提供全部控制信息并進(jìn)行過程監(jiān)視，反饋各種在線檢測(cè)數(shù)據(jù)，以便修正控制信息，保證可靠安全地運(yùn)行。

2 自動(dòng)化機(jī)加線運(yùn)行狀況智能評(píng)估

自動(dòng)化機(jī)加線的整體運(yùn)行狀況評(píng)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(shí)長、生產(chǎn)節(jié)拍等產(chǎn)線指標(biāo)要求進(jìn)行布局結(jié)構(gòu)的靜態(tài)建模和全局運(yùn)行的動(dòng)態(tài)仿真。在虛擬環(huán)境下，對(duì)機(jī)加線的整體方案進(jìn)行宏觀把控，預(yù)測(cè)達(dá)產(chǎn)后的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)加線規(guī)劃的合理性、運(yùn)行的順流性、健壯性以及相應(yīng)性能指標(biāo)等的驗(yàn)證分析。機(jī)加線虛擬仿真主要涉及4個(gè)方面工作，如圖4所示。

3 自動(dòng)化機(jī)加線智能管控

在自動(dòng)化機(jī)加線內(nèi)，生產(chǎn)的管理和控制不可避免地受到產(chǎn)線機(jī)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(gè)自動(dòng)化運(yùn)行過程中，需要采取分級(jí)控制的原則，以實(shí)時(shí)監(jiān)視、判斷、掌握整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，為保障這些生產(chǎn)活動(dòng)的順利進(jìn)行，融入適當(dāng)?shù)闹悄苄袨榭梢允构芸匦袨楹唵位?，需要針?duì)性地進(jìn)行業(yè)務(wù)流程和制造物流整合、實(shí)施生產(chǎn)過程控制和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視。

（1）業(yè)務(wù)流程整合。

統(tǒng)一的業(yè)務(wù)流程平臺(tái)是將企業(yè)的PDM、ERP、MES等信息應(yīng)用管理軟件實(shí)行功能的整合和重組，避免因相互獨(dú)立運(yùn)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(shí)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(shí)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(dòng)化的物料管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物料消耗、實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)過程、質(zhì)量、設(shè)備、物料以及現(xiàn)場(chǎng)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(jī)加線的物流規(guī)劃主要包括3個(gè)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(dòng)，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(jī)械加工機(jī)加線需解決非固定節(jié)拍強(qiáng)迫運(yùn)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(dòng)態(tài)目標(biāo)修正指令，彌合因工位加工時(shí)差帶來的時(shí)間偏離，實(shí)現(xiàn)物料的存儲(chǔ)、輸送、裝卸和管理等功能。

（3）生產(chǎn)過程控制。

典型的機(jī)加線控制結(jié)構(gòu)由物理級(jí)和控制決策級(jí)組成，如圖6所示。機(jī)加線以事件的發(fā)生和停止為特征，并由事件支持整個(gè)系統(tǒng)的活動(dòng)，對(duì)機(jī)加線的調(diào)度和控制就是對(duì)資源設(shè)備和加工對(duì)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(hù)、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(jìn)度跟蹤等業(yè)務(wù)活動(dòng)；二是動(dòng)態(tài)的控制決策規(guī)劃，實(shí)時(shí)分析生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)進(jìn)度的匹配情況，并在異常情況發(fā)生時(shí)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行模式，降低生產(chǎn)變化對(duì)計(jì)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

圖4 機(jī)加線虛擬仿真Fig.4 Virtual simulation of machining lines

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

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

圖7 機(jī)加線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視Fig.7 Dynamic real-time monitoring of machining lines

（4）動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視。

完備的自動(dòng)監(jiān)視平臺(tái)通過對(duì)制造過程、系統(tǒng)故障、設(shè)備運(yùn)行、精度、安全等5方面的監(jiān)視。依據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)的反饋信息，可以幫助生產(chǎn)管理人員實(shí)時(shí)了解機(jī)加線的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)作業(yè)的執(zhí)行情況，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)計(jì)劃及時(shí)對(duì)機(jī)加線的運(yùn)行程序、生產(chǎn)工藝、物流方案等進(jìn)行動(dòng)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(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)的影響，同時(shí)豐富的實(shí)時(shí)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(jì)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(dòng)化機(jī)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(jī)加線屬于工業(yè)工程領(lǐng)域，重點(diǎn)關(guān)注生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備過程和生產(chǎn)運(yùn)行過程兩個(gè)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(jià)值鏈的“三全”技術(shù)能力貨架，進(jìn)一步推進(jìn)智能機(jī)加線的建設(shè)步伐，促進(jìn)航空制造業(yè)質(zhì)量和效率的雙向躍升。

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