中國離“智慧無人工廠”之夢還有多遠？

　　“智慧工廠”的提出、發(fā)展和實現(xiàn)，為傳統(tǒng)的制造型廠商提出了新的發(fā)展方向。通過清楚掌握資源運轉流程，提高生產過程的可控性，減少人工堆生產線運行的干預、及時準確地采集工廠運行數(shù)據，以及合理的生產編排等，達到提升航空制造企業(yè)核心競爭力及提高生產效率的目的。智慧工廠的實現(xiàn)，離不開技術創(chuàng)新的支持和信息技術的應用。

　　先進數(shù)控加工技術是當代航空制造業(yè)的關鍵技術之一，也是柔性制造技術的基礎。我國航空事業(yè)的發(fā)展壯大，給航空制造業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機遇。飛機結構件數(shù)控加工企業(yè)高端數(shù)控裝備明顯增加，飛機結構件的產量也顯著提升。由于飛機結構件結構設計趨于復雜化、幾何尺寸趨于大型化、基體材料趨于多樣化，對數(shù)控加工技術提出了更高的要求。于此同時，傳統(tǒng)的生產組織管理、資源協(xié)調調度的效率和控制方法，已經難以滿足產品發(fā)展對生產能力的需求。

　　在這樣的背景下，經過多年信息化與工業(yè)化的融合建設，我國航空制造數(shù)控加工技術已取得了長足的進步。例如，以特征技術為基礎的飛機結構件CAD/CAPP/CAM 集成系統(tǒng)技術、智能化CAPP 技術、車間級的生產組織管理與調度技術、分布式的DNC 技術、數(shù)據庫及專家知識庫等有了很大的提高。

　　但是，與工業(yè)發(fā)達的國家相比，特別是與以德國、美國、日本為代表的制造業(yè)強國相比，在高端數(shù)控機床、智能化工藝技術、先進物流體系及數(shù)字化管控平臺建設等方面尚有差距。因此，如何依靠信息技術與工業(yè)技術的融合，進一步提升我國航空制造企業(yè)的自動化水平，以及人與物、人與生產的有機結合，實現(xiàn)飛機結構件數(shù)控加工技術質的提高，是我國航空制造業(yè)必須思考和經歷的智慧工廠之路。

　　航空制造技術發(fā)展趨勢

　　1 以數(shù)字化為核心

　　數(shù)字化制造是制造技術、計算機技術、網絡技術與管理科學的交叉、融合、發(fā)展和應用結果。對制造企業(yè)而言，各種信息均以數(shù)字形成通過網絡在企業(yè)內傳遞。在虛擬現(xiàn)實、快速原型、數(shù)據庫等多種數(shù)字化技術的支持下，對產品信息、工藝信息和資源信息進行分析、規(guī)劃與重組，實現(xiàn)對產品設計和產品功能的仿真、加工過程和生產組織過程的仿真，或完成原型制造，從而實現(xiàn)生產過程的快速重組與對產品需求的快速響應。

　　2 以自動化為基礎

　　隨著數(shù)字技術的發(fā)展，“自動化”技術已從單純的自動控制、自動調節(jié)、自動補償、自動辨識，發(fā)展到自學習、自組織、自維護、自修復等更高的自動化水平。自動控制的內涵與技術水平也已在控制理論、控制技術、控制系統(tǒng)、控制元件等方面得到了的全面發(fā)展。通過可靠的自動化技術，可以實現(xiàn)對數(shù)控裝備、車間物流系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)開展運行模式升級，以適應生產過程柔性、高效、智能化的需求。因此，自動化是先進制造技術發(fā)展的前提條件。

　　3 以集成化為措施

　　現(xiàn)代航空制造數(shù)控加工企業(yè)的集成，是融合了機電一體化技術、先進傳感技術、智能加工技術、先進工藝技術、數(shù)字處理技術的有機體系。它打破了傳統(tǒng)的生產工段、工藝技術、信息處理、輔助資源等單獨運轉的模式，將加工企業(yè)作為一個有機整體將生產信息、生產功能、生產過程等進行集成，實現(xiàn)運行模式的轉變，提高產品生產效率及對產品質量的控制。

　　4 以網絡化、智能化為道路

　　制造技術的網絡化、智能化是航空制造數(shù)控加工技術發(fā)展的必由之路。依靠成熟的網絡化技術，新型的虛擬制造組織已經完成了諸如A380、Boeing787、F35 等先進民用、軍用飛機的制造，虛擬制造組織內部的各企業(yè)致力于各自的核心業(yè)務，實現(xiàn)優(yōu)勢互補以及資源優(yōu)化動態(tài)組合與共享。智能化制造模式的基礎是智能制造系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)既是智能和技術的集成而形成的應用環(huán)境，也是智能制造模式的載體。以一種高度柔性與集成的方式，借助計算機模擬的人類專家的智能活動，進行分析、判斷、推理、構思和決策，同時完成信息和數(shù)據的收集、存儲、處理、完善、共享、繼承和發(fā)展，支撐龐大的制造工廠的智慧化運行。航空制造技術發(fā)展趨勢圖如圖1 所示。

　　行業(yè)現(xiàn)狀

　　作為國民經濟發(fā)展的支柱工業(yè)，航空制造業(yè)已經成為決定國家發(fā)展水平的最基本因素之一。以美國、德國為代表的世界領先工業(yè)國家紛紛制定了相應的制造業(yè)發(fā)展計劃，來支持其工業(yè)的進一步發(fā)展。國際金融危機后，美國提出經濟增長必須回歸實體經濟，因此，將“再工業(yè)化”作為重塑競爭優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略，使美國制造商致力于制造業(yè)里最高端、最高附加值的領域，全力強化技術優(yōu)勢。德國設計的“工業(yè)4.0”概念，提出了以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，認為智能工廠是構成未來工業(yè)體系的一個關鍵特征，這一戰(zhàn)略將推動德國制造業(yè)的轉型以及整個德國工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。我國也制定了《中國制造2025》發(fā)展規(guī)劃，在重視轉型升級之外，還有工業(yè)化、信息化“兩化深度融合”，大力支持對國民經濟、國防建設和人民生活休戚相關的數(shù)控機床與基礎制造裝備、航空裝備、海洋工程裝備與船舶、汽車、節(jié)能環(huán)保等戰(zhàn)略必爭產業(yè)優(yōu)先發(fā)展。近年來，在航空制造數(shù)控加工技術領域，開展了有效的先進數(shù)控加工技術和數(shù)值模擬與仿真技術的研究與應用，能夠實現(xiàn)對真實生產環(huán)境和生產過程幾何特征的精確仿真。在航空難加工材料大型結構件的加工中，已經綜合應用專用高速刀具、高速切削技術、切削過程物理仿真優(yōu)化技術、機床運行監(jiān)測技術等，實現(xiàn)了飛機結構件加工過程的高速、高效、平穩(wěn)和無人工干預。

　　在高端數(shù)控機床的智能化應用和維護領域，通過對數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)、機床運動部件和結構部件傳感器優(yōu)化布置、機床運行專家知識庫的構建，已經實現(xiàn)了數(shù)控機床自動化運行、狀態(tài)實時監(jiān)控、誤差自動補償、機床故障預警及狀態(tài)維護等技術的工程化應用，顯著提升了機床運行效率。特別是在車間級數(shù)字化管控等方面取得了階段性成果，建立了車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(ManufacturingExecution Systems，MES)、分布式數(shù)字控制系統(tǒng)(Distribution NumericalControl，DNC)，并通過管理駕駛艙技術實現(xiàn)了對工廠運行狀態(tài)的顯性化實施監(jiān)控，具備了良好的工廠數(shù)字化基礎。

　　目前，所開展的數(shù)字化工作基本實現(xiàn)了數(shù)字化技術工作環(huán)節(jié)中的應用。但是，沒有深入到系統(tǒng)內部去改變傳統(tǒng)的設計、制造、試驗和管理的模式、方法、手段、流程和生產組織，距離智慧化的現(xiàn)代數(shù)控加工工廠尚有很大距離。

　　發(fā)展思路

　　“智慧工廠”的提出、發(fā)展和實現(xiàn)，為傳統(tǒng)的制造型廠商提出了新的發(fā)展方向。通過清楚掌握資源運轉流程，提高生產過程的可控性，減少人工堆生產線運行的干預、及時準確地采集工廠運行數(shù)據，以及合理的生產編排等，達到提升航空制造企業(yè)核心競爭力及提高生產效率的目的。智慧工廠的實現(xiàn)，離不開技術創(chuàng)新的支持和信息技術的應用。

　　1 先進感測器廣泛應用

　　先進傳感器是使工業(yè)系統(tǒng)及裝備具備智能化特征的基本構成要素。先進傳感器的發(fā)展得益于微處理器的進步和人工智慧技術的發(fā)展，包括運用神經網絡、遺傳算法、混沌控制等智能控制技術，能夠使加工裝備、控制系統(tǒng)具備數(shù)據收集、分析、狀態(tài)感知、動作判斷等智慧化的功能。而借助專家控制系統(tǒng)(Expert ControlSystem，ECS)強大的專家知識庫，對先進傳感器獲得的數(shù)字信號進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，解決那些需要人類專家才能解決好的復雜問題，實現(xiàn)工業(yè)裝備運行的“智慧化”。

　　2 軟件系統(tǒng)智能化

　　隨著模塊化、開放式軟件平臺的逐漸成熟，傳統(tǒng)的依賴單一的計算機輔助軟件開展工藝設計的工作模式，將逐漸被基于知識的、高度集成的軟件工程輔助系統(tǒng)所代替，即具備智能特征的軟件系統(tǒng)。數(shù)字量表達、信息獲取和處理知識的能力是智能軟件與傳統(tǒng)軟件的主要區(qū)別之一，它能通過這種能力，對在軟件環(huán)境中運行的相應操作進行感知、學習、推理、判斷并做出相應的反應，具備智能化的自組織性和自適應性。

　　3 控制系統(tǒng)網絡化

　　在制造型工廠運行控制領域，數(shù)字化的應用和服務逐漸向云端運算模式轉移，資料保存和運算位置的主要模式都已經改變。隨著制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)以及生產計劃系統(tǒng)(Production Planning Systems，PPS)的智能化，以及生產設備之間通信、數(shù)據交換程度的提高，生產設備不再是單一獨立的個體，而是在統(tǒng)一的網絡化的控制系統(tǒng)下運行的生產體系的終端，其生產狀態(tài)將被網絡化控制系統(tǒng)實時感知，使工廠內部所有裝備形成有機整體。

　　智慧工廠需突破的關鍵技術

　　為迎接智慧工廠的挑戰(zhàn)，需重點突破與飛機結構件數(shù)控加工密切相關的機床、工藝、物流、生產管控等關鍵技術，如圖2 所示。

　　1 智慧機床

　　數(shù)控機床可以看作未來智慧工廠的“肢體”，強有力的肢體是保證智慧工廠良好運行的關鍵要素和基本條件。作為智慧工廠最基本的組成部分，數(shù)控機床的可靠性是其最主要的考核指標。同時，智慧工廠對機床的適應性也提出了更高的要求，比如能夠通過自身分布配備的傳感器收集機床和其他設備復雜的基礎數(shù)據，實現(xiàn)對自身狀態(tài)的實時感知，從而與遠程診斷系統(tǒng)進行數(shù)據交流并開展分析，提供富有洞察力的、可指出原因的分析結論，使無故障平均時間最長且用于修理維護的周期最短。

　　在這個過程中，機床能夠與人、管控系統(tǒng)進行實時的數(shù)據共享，及時與數(shù)控設備專家知識庫進行“溝通”，通過數(shù)控系統(tǒng)控制模塊對運動部件出現(xiàn)的不平衡及誤差進行補償;并對產品的在機加工狀態(tài)進行實時監(jiān)控，通過數(shù)控系統(tǒng)自適應模塊優(yōu)化切削過程，保證產品質量和加工安全性。同時，智慧化數(shù)控系統(tǒng)的構架是開放式的，具有結構化的系統(tǒng)、子系統(tǒng)、功能模塊，能夠根據機床傳感器采集數(shù)據分析、判斷機床狀態(tài)，并做出相應的“反應”。智能數(shù)控系統(tǒng)通過對影響加工精度和效率的物理量進行檢測、特征提取、自動感知加工系統(tǒng)的內部狀態(tài)及外部環(huán)境，快速做出實現(xiàn)最佳目標的智能決策，對主軸轉速、進給速度、切削深度等工藝參數(shù)進行實時控制，使機床運行過程處于最佳狀態(tài)。

　　2 智能工藝設計

　　智能工藝設計是智慧工廠的“神經系統(tǒng)”，是控制智慧工廠制造裝備按指令進行生產的神經信號。智能工藝設計不再局限于傳統(tǒng)的工藝編程，而是以工藝知識及影響工藝設計因素為基礎的綜合的智能化工藝流程系統(tǒng)，容納了零件設計、工藝決策、工藝編程、工藝實施、工藝優(yōu)化等功能，從而實現(xiàn)整個工藝準備過程的無人工干預，及高效、高質量運行。

　　在數(shù)控程序編制階段，基于飛機結構件快速編程系統(tǒng)的應用，增強零件特征識別模塊、工藝設計及判斷模塊、程序優(yōu)化模塊功能，使編程系統(tǒng)能夠根據零件幾何特征，自動完成加工原點、工序/ 工步、刀具選擇、參數(shù)優(yōu)化等編程工作。同時，基于當前成熟的VeriCut 幾何仿真平臺進行二次開發(fā)，融合切削力、切削溫度、動態(tài)響應、機床加工精度、表面粗糙度等物理仿真模塊，實現(xiàn)仿真過程參數(shù)的自動化設置，并全面評價加工過程中

　　可能出現(xiàn)的切削力/ 溫度突變、切削顫振、加工誤差、表面加工質量等問題，將可能出現(xiàn)問題的程序段反饋回智能編程系統(tǒng)，對程序開展優(yōu)化的同時，學習出現(xiàn)問題的程序段，以防止類似問題的再次發(fā)生。在數(shù)控程序運行階段，加工過程仿真系統(tǒng)與機床數(shù)控系統(tǒng)進行NC程序的“微提前量”同步運行。通過仿真系統(tǒng)對加工環(huán)境的精確仿真，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下對真實生產過程的復現(xiàn)，仿真環(huán)境內部程序運行略提前于機床加工，實現(xiàn)對真實加工過程中可能出現(xiàn)質量隱患等問題的預判。

　　3 智能物流

　　智能物流作為智慧工廠的“循環(huán)系統(tǒng)”，需要將生產相關的資源不斷送達工廠各部位。

　　典型智能物流系統(tǒng)的構建基礎是物聯(lián)網技術與物流系統(tǒng)的有效集成，同時物聯(lián)網也是企業(yè)實現(xiàn)信息化建設的重要內容之一。建立智能物流系統(tǒng)的基礎，是建立車間內部全面、準確、實時共享的基礎信息數(shù)據庫。這就需要物流系統(tǒng)具備對物流運行數(shù)據進行采集、跟蹤和分析的能力，并建立相應的物流感知系統(tǒng)。目前，物流系統(tǒng)信息采集技術主要包含RFID 射頻識別技術和Savant( 傳感器數(shù)據處理中心) 系統(tǒng)組成，RFID會將收集到的整個物流系統(tǒng)的實時運行數(shù)據及時傳遞到Savant 系統(tǒng)，同時Savant 系統(tǒng)會將收到的數(shù)據與工廠管控中心進行數(shù)據共享和實時互動，實現(xiàn)物流系統(tǒng)在智慧工廠內部的安全、高效、精確運轉，如圖3 所示。

　　4 智能管控中心

　　智能管控中心無疑是智慧工廠的“大腦”，工廠內部所有資源、數(shù)據的運行和使用均需要依賴智慧的大腦進行分析、判斷、管理和控制。智能管控中心構建的基礎是制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、生產計劃系統(tǒng)(PPS)、分布式數(shù)控(DNC)的建立，對工廠內部設備運行數(shù)據、生產資料狀態(tài)數(shù)據、物流系統(tǒng)運轉數(shù)據實時監(jiān)控，結合虛擬現(xiàn)實技術，以顯性化的模式在管控中心進行集成化顯示。智能管控中心不是簡單的數(shù)據堆砌，而是融合了生產基礎知識庫的智能化控制體系，對工廠內部系統(tǒng)運轉過程中面臨的生產資源調配、設備故障預警、設備運轉效率、工廠經營指標等開展統(tǒng)計、分析、優(yōu)化、決策。

　　結束語

　　智慧工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，我國航空制造企業(yè)已經取得了長足的進步，但是，與德、美、日等制造強國相比，仍存在技術上的巨大差距。只有打牢信息化基礎、依托先進制造裝備、發(fā)展智能化軟件系統(tǒng)，堅持基礎技術與信息技術的有效融合，才能走出具有我國特色的飛機結構件數(shù)控加工智慧工廠之路。