黃 偉 許艾明 黎小華 彭 雨 高 鑫 陳 林

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司,四川 成都 610091)

近年來，信息技術的迅猛發(fā)展，推動傳統(tǒng)的制造模式向服務化、網絡化、數字化、智能化方向轉型發(fā)展[1]?！爸袊圃?025”強調以智能制造為突破口[2]，加快信息技術與制造技術、產品、裝備融合創(chuàng)新，推廣智能工廠和智能制造模式[3-6]。對于制造企業(yè)而言，數字化智能化轉型發(fā)展是新一輪工業(yè)革命的核心[7-9]，數字化智能化工藝是智能制造關鍵內容，是助推中國智能制造戰(zhàn)略落地的核心技術[10]。在社會化大協(xié)同的大背景下，讓廣泛的社會優(yōu)勢資源和先進工藝能力能夠通過工業(yè)互聯(lián)網平臺參與到各類型號研制，有利于提升型號研制生產的效率；同時讓國防軍工企業(yè)的先進制造技術能夠向社會輸出，也有利于提升社會制造水平。

目前制造企業(yè)之間封閉離散型的工藝研發(fā)模式，存在工藝知識共享難、工藝技術研發(fā)重復性勞動大、核心能力難以創(chuàng)造更大價值等突出問題，嚴重制約社會工藝設計的成本、效率，在社會化協(xié)作的大背景下，也難以支撐國家重點型號研制。利用工業(yè)互聯(lián)網，結合制造業(yè)社會化協(xié)作的發(fā)展趨勢，創(chuàng)新工藝設計工作模式，充分發(fā)揮社會資源優(yōu)勢，在解決自身工藝設計能力瓶頸的同時提升行業(yè)工藝設計水平，已經成為當前行業(yè)發(fā)展的現實需求。

張定華等[11]針對航空復雜薄壁零件建模難度大問題，建立零件加工過程4維多態(tài)模型實現加工過程閉環(huán)控制和非線性差建模。Cao X等[12]針對現有加工仿真系統(tǒng)都是離線模式問題，提出了一種基于數字孿生的加工仿真系統(tǒng)。Yang Y等[13]為提高數控機床智能化程度，構建了數控加工工藝方法知識庫以支撐工藝規(guī)劃決策。劉濤等[14]在分析云制造模式下凸輪軸磨削加工特征和工藝智能決策需求的基礎上，搭建了面向凸輪軸磨削加工的智能決策云服務平臺。韋濤等[15]針對航空復雜結構件數控加工向云制造模式轉變的迫切需求，提出了一種面向零件加工過程的云制造服務生成方法。張霖等[16]面向復雜零件數控加工過程進行云制造服務組合優(yōu)化，提出了一種面向零件加工過程的云制造服務選取方法。楊琛等[17]針對起重機制造企業(yè)柔性制造能力、協(xié)同制造能力提升的現實需求，構建了面向起重機企業(yè)的云制造服務平臺。Wang Y等[18]針對增材制造過程中云平臺對產品開發(fā)過程支持能力有限問題，構建了一個面向設計、工藝規(guī)劃、打印全過程的物聯(lián)網云平臺。

上述成果主要從工藝優(yōu)化、云制造模式、平臺支撐等方面解決制造企業(yè)內部問題，側重零件加工制造過程單點技術突破。航空結構件作為復雜航空裝備的重要組成部分[19]，在社會化協(xié)同背景下，如何整合復雜航空結構件制造過程的社會優(yōu)勢資源和先進工藝能力方面的研究成果較少。為此，本文針對行業(yè)工藝技術現狀及痛點問題，在工業(yè)互聯(lián)網快速發(fā)展的背景和機遇下， 提出了一種基于工業(yè)互聯(lián)網的智能工藝應用新模式，構建了面向航空結構件制造的智能工藝云平臺，一方面將先進企業(yè)內部的先進工藝核心能力開放給社會，使先進的工藝工具、方法、知識得到高效利用，產生更多價值，促進整體產業(yè)鏈的發(fā)展；另一方面構建良好工藝產業(yè)生態(tài)，打破信息壁壘，促進制造企業(yè)、工藝人員、團體、研究機構等行業(yè)產業(yè)鏈各主體的協(xié)同工作，增進未來跨行業(yè)、跨地區(qū)的互動合作。

1 面向智能工藝的云平臺架構

智能工藝云是通過云平臺將企業(yè)先進工藝工具、方法、知識進行開放共享，實現社會優(yōu)勢工藝資源整合，進而提高產業(yè)鏈整體工藝水平和產品研制效率。本文主要以航空結構件數控加工智能工藝為核心，構建了面向航空結構件制造的智能工藝云平臺。如圖1所示，智能工藝云平臺的用戶主要包括三類，即工藝云運營者、資源供應者和資源需求者，其中云平臺運營者主要負責平臺的運行與維護，在基礎云服務基礎上集成先進工藝設計工具、二次開發(fā)環(huán)境，為從用戶提供高安全、高可靠和高易用的工藝云平臺；資源供應者是工藝設計工具、方法和知識提供者，可以將其已有的工藝資源按照云平臺標準格式要求接入，為供應者提供資源獲取收益，同時也豐富了云平臺功能服務，也有助于構建行業(yè)工藝生態(tài)和資源聚集；資源需求者是工藝設計工具、方法、知識使用者，通過云平臺發(fā)布工藝需求，獲取有效資源，并通過平臺向供應者支付報酬。

如圖2所示，智能工藝云平臺能夠對接客戶需求，對系統(tǒng)中用戶可見的服務納入統(tǒng)一的資源池管理，為用戶提供一體化的服務資源管理和服務接口，用戶可以通過服務目錄自動化獲取相應的服務，得到全套工藝解決方案。平臺采用多重租賃技術，實現了在多用戶的環(huán)境下共用相同的系統(tǒng)或者程序組件，確保各個用戶數據的隔離性。云端計算資源池化，以便通過多租戶形式共享給多個客戶，能根據消費者的需求動態(tài)分配或再分配各種物理的和虛擬的資源。此外，平臺面向社會工藝資源和工藝需求，利用平臺的工藝工具APP和工藝知識資源，為兩者提供自發(fā)匹配的環(huán)境和資源。平臺作為工藝方案和工藝數據共享平臺和資源沉淀池，實現了已有工藝數據資源的最大化應用。平臺將數控加工的工藝流程拆分為許多應用服務，不同用戶可以根據自身實際情況進行組合，同時還可以根據需要對具體服務進行定制，在平臺上進行二次開發(fā)。采用以數據安全為核心的思路設計云平臺的信息安全防護體系。分析數據的全生命周期流程，面向數據生成環(huán)境，針對每個運行環(huán)境環(huán)節(jié)設計防護措施，最終形成完整的信息安全防護體系。

如圖3所示，面向航空結構件制造的智能工藝云平臺主要包括云基礎服務層(IAAS)、開發(fā)服務層(PAAS)和應用服務層(SAAS)，其中云基礎服務為開發(fā)云服務的提供基礎支撐平臺，為智能工藝云平臺提供WEB服務組件、數據服務組件、網絡服務組件、運營服務組件及安全服務組件；開發(fā)云服務作為應用服務的功能開發(fā)與測試、服務發(fā)布與部署、運行監(jiān)控與基礎引擎、外部系統(tǒng)交換的統(tǒng)一管理平臺，實現當前規(guī)劃模塊功能，支持未來模塊擴展及外部開發(fā)主體協(xié)同開發(fā)與功能發(fā)布；應用服務層主要包括工藝設計核心應用服務、平臺擴展應用服務和平臺支撐服務，主要通過服務開放能力平臺為客戶提供服務。

2 智能化工藝云端整體集成服務

對于大型復雜航空結構件的工藝設計而言，從單個維度無法實現最優(yōu)效果，工藝人員需要在不同工藝設計系統(tǒng)之間進行反復切換，影響工作效率。如圖4所示，通過云平臺的建設，可對原有各個單點應用系統(tǒng)實現應用集成，為用戶提供單點技術解決方案和集成解決方案。

2.1 基于特征的智能數控程編服務

以航空結構件所包含的典型加工特征為基礎，運用特征自動識別、智能工藝決策，結合刀軌優(yōu)化思想，形成了航空結構件智能程編服務，實現程編技術方案智能化生成。

2.2 通用后置處理服務

以構建的通用軟件架構和數學模型為基礎，根據不同格式的前置文件和機床，研究出不同的數學計算模型和軟件實現算法，獲得相應的NC代碼、工具資源和切削時間等信息，并在通用平臺上實現快速擴展能力，針對后置NC代碼在計算過程中面臨的奇異區(qū)域等問題，采用NC代碼優(yōu)化技術，實現NC代碼優(yōu)化方案輸出。

2.3 一鍵式仿真服務

通過研究工序間的轉換關系，制定了數控程編規(guī)則，實現數控程編規(guī)則輸出；通過研究零件、工裝自動定位和轉換方法，完成仿真環(huán)境的自動建立，實現仿真環(huán)境方案輸出；通過制定仿真機床建立規(guī)則和刀具自動創(chuàng)建技術，建立了統(tǒng)一的仿真機床數據庫和仿真刀具庫，實現數控加工過程資源信息匹配和檢測方案的輸出。

2.4 智能化工藝集成云平臺

智能化工藝集成云平臺以智能程編系統(tǒng)為集成平臺，對數控程編、后置處理和仿真等服務進行有序集成，搭建高效的數字化工藝支撐環(huán)境，使系統(tǒng)間的數據交換和配置自動化。如圖6所示，集成后，該平臺可針對用戶需求在工藝準備階段提供工藝知識重用、工藝工具APP服務，在工藝執(zhí)行階段通過機床監(jiān)控入云實現加工過程實時監(jiān)控、支撐工藝優(yōu)化改進，推動實現工藝的全流程閉環(huán)控制。

3 云端工藝眾智創(chuàng)客空間

智能工藝云平臺的關鍵就是實現工藝資源的開放共享。通過建立工藝交易平臺，實現工藝需求對接，保證交易安全、正常完成。如圖7所示，智能工藝云的云端工藝眾智創(chuàng)客空間主要包括用戶需求交互、相似方案匹配、工藝知識共享、工藝資源推送、解決方案設計及評價機制建立等功能，一方面通過眾智眾創(chuàng)，充分調動行業(yè)工藝技術資源，提升工藝研制效率，實現行業(yè)工藝知識共享和社會工藝資源的優(yōu)化配置；另一方面，以平臺化的方式將先進的工藝質量控制經驗轉化為面向工藝全過程的閉環(huán)質量控制體系，支撐工藝設計、優(yōu)化、執(zhí)行全過程的質量提升。

4 案例介紹

智能化工藝相關技術不僅可以提升零件工藝設計質量，進而減少零件不合格率，還可以提升零件加工效率。其中特征程編服務和一鍵式仿真服務可有效減少工藝員在零件程編中的重復勞動，對提高零件數控程編的效率和質量具有重要作用；后置處理服務可適用于不同的機床類型，并針對機床特殊功能進行深度快速定制，將數字化工藝融入到后置處理中，使數控程序能夠更好地匹配機床的最佳性能。智能工藝云通過云平臺的方式將先進企業(yè)內部的先進工藝核心能力開放給社會，一方面可以使先進的工藝工具、方法、知識得到高效利用，產生更多價值，另一方面可以構建良好的工藝產業(yè)生態(tài)，打破信息壁壘，促進等行業(yè)產業(yè)鏈各主體的協(xié)同工作，提升行業(yè)整體工藝研制效率。

目前，智能化工藝相關應用已經通過平臺在航空結構件制造供應商中進行推廣，形成技術輻射，如圖8所示。另外，基于特征的智能編程服務、基于通用后置處理技術的定制化軟件服務等技術服務也在國內外機床企業(yè)、加工制造企業(yè)獲得了應用，如表1所示。

5 結語

面向航空結構件制造的智能工藝云平臺能有效解決航空行業(yè)研發(fā)模式封閉、工藝知識共享難度大等行業(yè)問題，實現行業(yè)先進工藝能力的整合，不僅能夠顯著提升數字化工藝程序的質量和效率，也可作為企業(yè)工藝知識的載體，有效促進工藝知識積累和繼承、提升協(xié)同制造能力、縮短產品制造周期。本文以此重點探討了智能工藝云構建的關鍵技術，包括面向智能工藝的云平臺架構、智能化工藝云端整體集成服務和云端工藝眾智創(chuàng)客空間，通過案例介紹驗證了該平臺的實用性，也為其他行業(yè)工藝能力共享和工藝產業(yè)生態(tài)構建提供參考。

表1 智能工藝云平臺應用案例

目前智能工藝云平臺已在企業(yè)供應鏈上下游企業(yè)進行了推廣，下一步將結合航空制造特點，將研究復雜航空裝備制造場景下的典型工藝知識標準化上云問題，為社會化大協(xié)同背景下的航空制造企業(yè)賦能，同時也提高智能工藝云平臺的完備性。