中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限公司 亢亞敏 秦新冰 汪九佳

面向智能制造的航空發(fā)動機(jī)數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)研究

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限公司 亢亞敏 秦新冰 汪九佳

借鑒國內(nèi)外制造企業(yè)智能制造實施的先進(jìn)經(jīng)驗，通過搭建數(shù)字化生產(chǎn)線，研究利用數(shù)字化、智能化技術(shù)提升生產(chǎn)管理能力。數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)是航空發(fā)動機(jī)企業(yè)實現(xiàn)全方位、高效率和穿透式管理的重要信息化手段，涵蓋了數(shù)字化工廠總體框架、數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)，以及面向智能化的關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)研究等。通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化深度融合，使工程信息化技術(shù)與航空發(fā)動機(jī)制造技術(shù)深度融合，實現(xiàn)制造過程和產(chǎn)業(yè)模式變革。本文將重點闡述該面向智能制造的數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)總體架構(gòu)及建設(shè)內(nèi)容。

一、引言

隨著中國制造2025的提出以及智能制造專項的推進(jìn)，航空制造企業(yè)必須認(rèn)清數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的發(fā)展方向。

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，貫穿設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，是具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。加快發(fā)展智能制造，是培育我國經(jīng)濟(jì)增長新動能的必由之路，是搶占未來經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點的戰(zhàn)略選擇，對于推動我國制造業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，打造我國制造業(yè)競爭新優(yōu)勢，實現(xiàn)制造強(qiáng)國具有重要戰(zhàn)略意義。智能化是指延展人類認(rèn)知過程和機(jī)器動力控制系統(tǒng)的自主化能力，基于賽博物理系統(tǒng)（CPS）實現(xiàn)對物理世界的感知、處理、決策和反饋，提升設(shè)計、制造、服務(wù)和管理等業(yè)務(wù)過程的自組織、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自優(yōu)化能力。

作為數(shù)字化與智能化制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字化生產(chǎn)線是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應(yīng)用體現(xiàn)，也是實現(xiàn)智能制造的必經(jīng)之路。數(shù)字化生產(chǎn)線借助于信息化和數(shù)字化技術(shù)，通過集成、仿真、分析和控制等手段，實現(xiàn)對制造工廠的生產(chǎn)全過程進(jìn)行全面管控。面向智能制造的數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)是航空發(fā)動機(jī)企業(yè)從信息化建設(shè)向數(shù)字化工廠邁進(jìn)的重大措施。建立基于智能制造技術(shù)的數(shù)字化制造平臺，支持型號的研制與生產(chǎn)，為企業(yè)智能制造進(jìn)行技術(shù)儲備，最終全面提升企業(yè)的制造能力與科學(xué)管理水平。

二、數(shù)字化工廠框架

數(shù)字化工廠是指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機(jī)虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個產(chǎn)品全生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。數(shù)字化工廠是現(xiàn)代數(shù)字化制造技術(shù)與計算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，同時具有鮮明的特征，主要作為溝通產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品制造的橋梁。數(shù)字化生產(chǎn)線的建設(shè)需要采用先進(jìn)的生產(chǎn)管理模式，并結(jié)合公司自身的生產(chǎn)特點進(jìn)行突破和創(chuàng)新，實現(xiàn)生產(chǎn)管理的敏捷制造、準(zhǔn)時交貨、精益高效和質(zhì)量至上目標(biāo)。基于數(shù)字化工廠的遠(yuǎn)景，數(shù)字化工廠的總體框架參考國際標(biāo)準(zhǔn)ISA-95對企業(yè)架構(gòu)層級定義，全面構(gòu)建各個層級的能力，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化工廠的ISA-95層級

現(xiàn)場層主要是生產(chǎn)線現(xiàn)場的各種設(shè)備、工裝、工具、測量儀器和物流設(shè)施等各方面的內(nèi)容?？刂茖又饕墙邮詹僮鲗拥闹噶?，來實現(xiàn)現(xiàn)場層的各種硬件的自動化控制和驅(qū)動，確保其準(zhǔn)確執(zhí)行。操作層主要是執(zhí)行和發(fā)布各種生產(chǎn)指令，實現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、設(shè)備和測量儀器等各種數(shù)據(jù)的傳遞和采集。管理層主要是車間層面的監(jiān)控與管理，實現(xiàn)生產(chǎn)訂單、在制品、質(zhì)量、設(shè)備利用率、工裝、刀具和物料等全方位管控。企業(yè)層主要是產(chǎn)品研發(fā)PLM和企業(yè)管理ERP層面。尤其是應(yīng)用PLM中的數(shù)字化制造技術(shù)，實現(xiàn)工廠的數(shù)字化建模和仿真分析，并基于虛擬工廠展現(xiàn)和操控生產(chǎn)，為數(shù)字化工廠奠定基礎(chǔ)。對于現(xiàn)場層、控制層和操作層這三個層級需要全面采用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)其統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)，并最終與管理層和企業(yè)層的局域網(wǎng)貫通，為網(wǎng)絡(luò)化工廠奠定基礎(chǔ)。

三、數(shù)字化生產(chǎn)線信息系統(tǒng)框架

數(shù)字化工廠是全部產(chǎn)品制造人員的日常工作平臺，是開展智能制造工作的基礎(chǔ)。該平臺連接虛擬工廠與實物自動化工廠（虛擬的產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)、生產(chǎn)指令數(shù)據(jù)和實物的產(chǎn)品全面貫通），制造工程師在虛擬工廠中開展工藝/工廠的設(shè)計、仿真和優(yōu)化，同時監(jiān)控和操控著由眾多賽博物理系統(tǒng)（CPS）構(gòu)成的實物工廠/生產(chǎn)線，實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的綠色制造。

把基于數(shù)字化工廠的五個層級的全面建設(shè)分解到數(shù)字化和信息化的視角，主要模塊有數(shù)字化工廠體系建設(shè)、數(shù)字化工藝設(shè)計管理和數(shù)字化制造執(zhí)行及系統(tǒng)集成等。實施數(shù)字化系統(tǒng)的目的在于利用先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)，打造具有工廠自身特色的數(shù)字化制造平臺，實現(xiàn)工廠的生產(chǎn)、技術(shù)、質(zhì)量和經(jīng)營等業(yè)務(wù)的全面信息化管理，并給管理人員及領(lǐng)導(dǎo)提供決策支持。

四、數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)內(nèi)容

1.數(shù)字化工廠體系建設(shè)

數(shù)字化工廠生產(chǎn)管理模式的建設(shè)目標(biāo)是快速響應(yīng)、準(zhǔn)時交貨、精益高效和質(zhì)量至上。其中，快速響應(yīng)要求智能工廠能夠敏捷響應(yīng)市場需求的多樣性變化，具有支持多品種、小批量生產(chǎn)的動態(tài)調(diào)整能力。準(zhǔn)時交貨則要求智能工廠能夠有效縮短產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)周期，做到按照用戶要求的交貨期保質(zhì)保量完成任務(wù)。精益高效代表智能工廠追求精益的生產(chǎn)效率和管理能力，通過精細(xì)化管理以最小的投入達(dá)到最大的產(chǎn)出。質(zhì)量至上則要求智能工廠通過全過程在線質(zhì)量監(jiān)控及“六西格瑪”質(zhì)量管理，實現(xiàn)一次性成功投產(chǎn)并滿足用戶的質(zhì)量要求。智能工廠的建設(shè)需要采用先進(jìn)的生產(chǎn)管理模式，并結(jié)合公司自身的生產(chǎn)特點進(jìn)行突破和創(chuàng)新。

2.數(shù)字化工藝設(shè)計管理

（1）設(shè)計制造協(xié)同。設(shè)計制造協(xié)同以型號任務(wù)需求為牽引，以型號研制體制創(chuàng)新、機(jī)制創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新為動力，實現(xiàn)型號設(shè)計、制造和維護(hù)保障過程中，設(shè)計單位與制造單位的緊密協(xié)同和數(shù)據(jù)共享，打造貫通設(shè)計制造全過程的信息鏈，在各個階段的各種信息能夠被準(zhǔn)確地定義到以模型為核心的技術(shù)數(shù)據(jù)包中，并始終保持上游的技術(shù)數(shù)據(jù)包能夠被下游直接重用，一直拓展到生產(chǎn)現(xiàn)場或維修現(xiàn)場，從而提高型號質(zhì)量管理體系的運(yùn)行效率，實現(xiàn)產(chǎn)品研制全過程技術(shù)狀態(tài)的有效管理與控制，不斷提升產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、維護(hù)和協(xié)同能力，增強(qiáng)型號自主創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展能力。

（2）基于MBD可視化工藝設(shè)計?；贛BD的工藝設(shè)計，不同于傳統(tǒng)的工藝規(guī)程設(shè)計方式方法。傳統(tǒng)的工藝規(guī)程設(shè)計，直接在工藝卡片中完成，工藝員手工填寫所需的設(shè)備、工裝和工具，手工填寫工藝內(nèi)容，手工添加工藝簡圖。基于MBD的工藝設(shè)計，要求各種資源的填寫、工藝內(nèi)容的編制及工藝簡圖的設(shè)計完全基于三維模型，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化和可視化的工藝輸出，其中工序模型基于PMI的智能數(shù)控編程和檢測編程，以及模板化工裝設(shè)計和管理。甚至實現(xiàn)了檢驗卡基于MBD模型PMI的自動生成能力。完全滿足了工藝規(guī)程設(shè)計的需要。在數(shù)字化工藝平臺中的工藝、工序?qū)ο笊蟿?chuàng)建NX數(shù)據(jù)集。進(jìn)入NX中通過WAVE Link功能關(guān)聯(lián)引用設(shè)計模型或其他工序模型，通過NX同步建模功能對模型直接修改，比如增加加工余量、刪除加工孔或槽等，方便快捷地建立工序模型。在NX中通過PMI功能進(jìn)行3D制造信息標(biāo)注，比如尺寸公差要求、加工區(qū)域標(biāo)識、操作說明和檢驗要求等。需要展示內(nèi)部細(xì)節(jié)時，可通過PMI剖視圖展示。復(fù)雜工序可根據(jù)表達(dá)需要增加標(biāo)注視圖。對于熱工藝，表現(xiàn)形式可根據(jù)加工特點作相應(yīng)調(diào)整，一般情況下形狀變化不多，尺寸公差信息較少，工藝參數(shù)較多。

（3）數(shù)字化快速工裝設(shè)計?；谥悄芄S實現(xiàn)三維工裝設(shè)計與管理，將模塊化設(shè)計的理念應(yīng)用到工裝設(shè)計中。通過對工裝的模塊化分類應(yīng)用，實現(xiàn)工裝設(shè)計知識和經(jīng)驗的積累和重用，促進(jìn)工裝的創(chuàng)新設(shè)計。基于三維工序模型/零件模型設(shè)計工裝，相比二維設(shè)計方法，設(shè)計結(jié)果更容易被重用到數(shù)控仿真、檢測仿真和生產(chǎn)線仿真等環(huán)節(jié)。通過設(shè)計數(shù)據(jù)重用及設(shè)計的智能和自動化，形成工裝設(shè)計知識和經(jīng)驗積累與重用的機(jī)制，不斷豐富和完善工裝設(shè)計知識庫，促進(jìn)技術(shù)人員設(shè)計水平的提高。同時，將部分工裝設(shè)計知識通過NX軟件二次開發(fā)的形式置入NX軟件應(yīng)用系統(tǒng)，提高工裝創(chuàng)新設(shè)計的能力。

3.數(shù)字化制造系統(tǒng)管理

智能化的生產(chǎn)計劃管理，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)插單和訂單進(jìn)度跟蹤等業(yè)務(wù)活動。實時分析生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)進(jìn)度的匹配情況，并在異常情況發(fā)生時（如設(shè)備宕機(jī)、物料短缺等）進(jìn)入自動運(yùn)算模式，對當(dāng)前的任務(wù)隊列進(jìn)行動態(tài)排產(chǎn)，最大程度地降低生產(chǎn)變化對計劃的影響和沖擊。

智能化的生產(chǎn)現(xiàn)場管理，包括物料控制，電子看板功能和產(chǎn)品追溯的管理。通過物料控制將投料環(huán)節(jié)、零件加工環(huán)節(jié)和產(chǎn)品交付環(huán)節(jié)綜合管控，并對過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計和分析。

智能化的在制品管理。通過條碼技術(shù)在毛坯進(jìn)入工段到產(chǎn)品交付的整個生產(chǎn)過程中，對在制品的流轉(zhuǎn)行為進(jìn)行智能化監(jiān)控和記錄。實時查看在制品的位置、數(shù)量和狀態(tài)信息，提供統(tǒng)計分析功能，對在制品的種類、數(shù)量等進(jìn)行統(tǒng)計，方便在制品的隨時清點和臺帳的查看，并根據(jù)在制品實時情況提供智能決策建議，提高產(chǎn)品的可控能力。

智能化的制造資源管理。通過建立統(tǒng)一的資源庫，對工裝、刀具等資源信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括資源的維護(hù)保養(yǎng)、借用和維修等信息。采用條碼技術(shù)對制造資源進(jìn)行標(biāo)識，實現(xiàn)刀具、工裝等制造資源的出入庫管理，并實時記錄刀具工裝的報損信息和盤點記錄。制造資源出現(xiàn)短缺或非正常損耗時能夠做出自動提醒和建議。

4.PDM/ERP/MES與生產(chǎn)線系統(tǒng)集成

通過生產(chǎn)線集成系統(tǒng)實現(xiàn)生產(chǎn)線控制單元、加工單元、輔助加工單元、質(zhì)量檢測單元和中央刀庫等設(shè)備之間的物理連接，構(gòu)建可支撐整條生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)資料物流系統(tǒng)和信息傳輸系統(tǒng)，同時與公司級的PDM系統(tǒng)、ERP等系統(tǒng)進(jìn)行集成。

五、結(jié)語

以智能制造為核心的“工業(yè)4.0”，強(qiáng)調(diào)賽博物理融合（CPS），認(rèn)為虛擬與物理是一對“雙胞胎”，以數(shù)字驅(qū)動的數(shù)字化系統(tǒng)理念與“工業(yè)4.0”一致。所有的管理要素必須被數(shù)字化準(zhǔn)確定義，通過數(shù)字化系統(tǒng)有效地控制實際生產(chǎn)過程，為后續(xù)企業(yè)智能制造提供了支撐。數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)完成后，可有效提高航空發(fā)動機(jī)制造技術(shù)優(yōu)勢和生產(chǎn)能力，提高產(chǎn)品的制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，縮短產(chǎn)品制造周期，促進(jìn)數(shù)字化制造技術(shù)在型號研制各環(huán)節(jié)中的推廣應(yīng)用，從而帶動產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新、制造方法與制造工具的創(chuàng)新、型號管理模式的創(chuàng)新以及單位間協(xié)作關(guān)系的創(chuàng)新。實現(xiàn)傳統(tǒng)研制模式向先進(jìn)的數(shù)字化研制模式的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)研制基于智能工廠的協(xié)同數(shù)字化、工藝數(shù)字化、制造數(shù)字化以及經(jīng)營管理數(shù)字化。為全面實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計制造和管理的信息化、生產(chǎn)過程控制的智能化以及協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)化奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)我國制造業(yè)綜合競爭能力的提升。