大力發展航空智能制造 支撐高端裝備制造轉型升級

Develop the aviation intelligent manufacturing and support high-end equipment manufacturing transformation and upgrading

陶　永，李秋實，趙　罡

（北京航空航天大學，北京 100191）

TAO Yong,　LU Qiu-shi,　ZHAO Gang

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大力發展航空智能制造 支撐高端裝備制造轉型升級

Develop the aviation intelligent manufacturing and support high-end equipment manufacturing transformation and upgrading

陶永，李秋實，趙罡

（北京航空航天大學，北京 100191）

TAO Yong,LU Qiu-shi,ZHAO Gang

摘要：智能制造是我國搶占先進制造業制高點的主攻方向，航空產業作為我國高端裝備制造業的典型代表，智能制造推進航空工業轉型升級創新發展對我國高端裝備制造業發展具有重大典型引領示范作用。分析了智能制造的發展趨勢，闡述了我國航空工業轉型升級創新發展對智能制造的迫切需求，提出航空領域發展智能制造的思路和目標，并給出了相關發展重點和任務建議。

關鍵詞：智能制造；航空；智能工藝裝備；協同云制造；設計制造集成

0　引言

智能制造是我國搶占先進制造技術制高點的主攻方向，也是我國制造升級的推進器。智能制造作為國家戰略已列為“十五”規劃的重點內容，國務院印發《中國制造2025》提出，圍繞九項戰略任務和重點，完善八方面戰略支撐與保障，通過“步走”，到新中國成立100周年時進入世界制造強國前列[1]；強調信息技術和制造技術的深度融合是新輪產業競爭的制高點[2]，而智能制造則是搶占這制高點的主攻方向，其中還將突破發展的重點領域細化為包括航空產業在內的十大領域。

同時，政府提出“互聯網+”行動計劃，推動互聯網與航空領域的先進制造業的深度融合，使互聯網最新的信息技術、方法論和商業模式深度融合于制造業和服務業的各個領域之中，有助于促進制造業提質增效、轉型升級，推動服務型制造業和生產性制造業的發展[3]。

航空工業是典型的資金密集、技術密集、協作緊密型產業，具有高度壟斷、高技術的特性，是國家高端裝備制造業的典型代表。世界主要國家都將航空工業定義為國家戰略性產業，既是個國家國防安全的重要基礎，也體現了個國家的工業發展程度，是個國家綜合國力的體現。航空工業是帶動國民經濟發展的重要產業，先進航空產品的研制生產必然帶動尖端技術的發展，因此，航空工業是推動工業轉型升級的引擎。

以美國波音公司例，其始終保持全球領先的關鍵就是數字化的航空智能制造，其采用全球協同研制模式，主抓總體設計，詳細設計交給其全球伙伴完成，并向著基于知識的創新設計、以智能裝備為核心的數字工廠平臺、全球協同的智能制造方向發展[4,5]。

圖1　波音智能制造的發展歷程

在技術層面，制造業智能化是全球制造業的發展方向；在環境層面，制造業需要綠色化發展；在產業結構層面，制造業正在向服務化轉變。迫切需要加快發展智能制造裝備和產品，組織研發具有深度感知、智慧決策、自動執行功能的高檔數控機床、工業機器人、增材制造裝備等智能制造裝備以及智能化生產線，推進工程化和產業化。加快航空、機械、船舶等行業生產設備的智能化造，提高精準制造、敏捷制造能力。

2015年我國C919大型客機、大運等已總裝下線，標志著我國民用航空工業研制水平取得了巨大的進步，但我國航空工業基礎和技術水平相比國外先進民用航空工業還有定距離。在航空工業買不來、合不來、換不來的嚴峻現實下，要在較短的期間內，在日益激烈的國際民用航空工業競爭環境中占得席之地，趕上并超過發達國家航空工業研制和制造水平，依靠智能制造為代表的先進制造技術，有利于航空工業充分利用后發優勢，走自主創新之路，實現彎道超車。同時，智能制造推進航空工業轉型升級創新發展對我國高端裝備制造業發展也具有重大典型引領示范作用，帶動整個高端裝備制造業的轉型升級。

1　智能制造是航空工業轉型升級創新發展的迫切需求

1.1智能制造是新工業革命標志性技術和先進制造技術制高點

制造業在世界工業化進程中始終發揮著主導作用。當今，在經歷了經濟全球化和信息技術革命后，世界面臨資源短缺、金融危機、經濟衰退等諸多問題和挑戰。世界主要經濟體紛紛探索和出臺破解困局之策。

美國奧巴馬政府將“制造業復興”和“再工業化”視為走出經濟困境的重要路徑，通過《重振美國制造業政策框架》、《先進制造伙伴計劃》、《先進制造業國家戰略計劃》等綱領性文件和系列戰略性措施，從智能制造、增材制造、生物制造及納米制造等高、精、尖技術方向入手，引領制造模式創新和制造科技變革，占領21世紀國際制造業戰略制高點，圖謀強化先進制造發展，加快復興制造業實體經濟，重塑世界經濟格局，保持乃至進步增強國家競爭力。美國全力推進基于互聯網的智能制造，構建國家制造創新網絡，確保下代產品的本土發明和本土制造。以人工智能、機器人和數字化智能制造為抓手的美國“再工業化”進程有望演變為場新型產業革命[6,7]。

德國及歐盟、英國等加快發展可持續性制造和智能制造，以保持制造業傳統優勢，應對后危機時代[8,9]。歐盟提出“未來工廠”的設想，即在產品可變性不斷提高及產品產量不斷大幅度變化的背景下，降低成本，提高制造系統的績效，增加產能的驅動力[10]；歐盟致力于可持續性制造、應用信息通信技術的智能制造和高績效制造等高附加值技術的研究、開發和應用；德國政府出臺了名為“生產2000”的制造業戰略計劃，突出產品開發方法和制造方法、產品制造過程中的經濟學、面向制造的物流學、面向制造的信息技術等方面的研究與應用，以促進先進制造業的發展；特別是，2013年，德國提出的以基于信息物理系統的工業物聯網與工業服務網為核心、以智能工廠、智能生產、智能物流為主題的“工業4.0”計劃已經緊鑼密鼓地提上日程，成箭在弦上之勢[11]。

圖2　歷次工業革命的發展歷程

1.2智能制造是兩化深度融合發展核心目標和我國制造升級的推進器

我國經濟直面新工業革命的嚴峻挑戰和重大機遇。隨著土地、勞動力等要素成本快速上漲，資源環境約束進步增強，國內經濟轉入中速增長期，加上核心競爭力不足，我國制造業傳統的低成本競爭優勢不斷減弱，正面臨歐美發達國家“再工業化”和發展中國家低成本承接產業轉移的“雙重擠壓”。

圖3　智能化是工業化與信息化融合發展的關鍵

中國制造業由大變大而強，必須要實現由技術跟隨戰略向自主開發戰略轉變再向技術超越戰略轉變、由傳統制造向數字化網絡化智能化制造轉變、由粗放型制造向質量效益型制造轉變、由資源消耗型、環境污染型制造向綠色制造轉變、由生產型制造向生產+服務型制造轉變。

1.3智能制造推進航空工業轉型升級創新發展，對我國高端裝備制造業發展具有重大典型引領示范作用

航空工業是推動工業轉型升級的引擎。世界主要國家都將航空工業定義為國家戰略性產業，既是個國家國防安全的重要基礎，也體現了個國家的工業發展程度，是個國家綜合國力的體現。航空工業是帶動國民經濟發展的重要產業，先進航空產品的研制生產必然帶動尖端技術的發展。

世界工業發達國家無不高度重視和大力支持航空工業的發展。2002年，美國成立了“美國航空航天產業未來委員會”，強調“強大的航空航天工業是美國必須具備的”；歐盟認為，航空航天工業在確保歐洲的安全和繁榮方面有著關鍵的戰略作用，是提升歐洲民用和國防產品在國際市場競爭力的基礎，也是歐洲獨立和安全的重要保證；俄羅斯政府“俄羅斯2002年-2010年以及到2015年民用航空技術裝備發展”聯邦專項綱要指出“發展航空工業是國家的首要任務之”。

為適應國際戰略形勢和國家安全環境的變化，面向全球市場積極參與競爭，我國已經把航空工業的發展放在更加重要的位置，明確了我國航空工業由大向強轉變的戰略目標。在近十年中，我國航空裝備研制已經初步形成了數字樣機、異地協同、數字化制造的產業發展模式，些重點企業通過技術造配備了大量的高、精、尖設備及軟件系統，使得研制手段、單道工序和單臺設備的效能得到了定的提升，但是現有的“重節點、輕過程”的粗放式生產組織模式和以人工管控為主的運行管控手段無法從根本上解決裝備制造產能優化、產業鏈協同的問題，不能充分發揮先進生產設備及軟件工具的綜合優勢，嚴重制約了航空裝備的研制生產能力，難以滿足快速響應、高質量交付的發展需求。

發展航空裝備產業智能制造，是在繼續完善和發展已有的數字化設計與自動化制造等工業基礎之上，構建以智能工廠、智能產品為核心的制造體系，采用現代計算和通訊技術、自動化技術、工業互聯網等提升航空裝備產業的智能化處理能力，形成新型產業模式。具有“動態感知、實時分析、自主決策、精準執行”特征的智能化設備及制造系統、生產運行和集成自動化系統、產業鏈協同平臺等是支撐航空工業轉型升級和跨越式發展的關鍵基礎。

智能制造推進航空工業轉型升級創新發展對我國高端裝備制造業發展也具有重大典型引領示范作用，帶動整個高端裝備制造業的轉型升級。

2　航空智能制造發展策略

2.1發展思路和目標

針對國家智能制造發展的契機，推動中國制造2025在航空制造業的實施與示范，提升航空領域制造業數字化、網絡化、智能化水平，加強產業鏈協作。按照“突出重點、提升質量”原則，圍繞大型飛機、通用航空、航空發動機等航空領域科技創新和重大工程，在航空領域圍繞批標志性、帶動性強的航空領域重點產品和重大裝備，著力提升自主設計水平和系統集成能力，攻克共性關鍵技術與工程化、產業化瓶頸技術，加快推進智能制造裝備的工程應用、數字化車間/工廠、生產制造過程及供應鏈智能管控的示范工程，組織示范應用具有深度感知、智慧決策、自動執行功能的高檔數控機床、工業機器人、增材制造裝備等智能制造裝備以及智能化生產線，推進智能制造、大規模個性化定制、網絡化協同制造和服務型制造的發展，加快形成航空領域制造業網絡化產業生態體系，促進我國航空高端裝備制造業的發展與轉型升級。

2.2發展重點

1）搭建航空裝備產業智能制造體系與總體架構

分析研究航空裝備產業全價值鏈的基本組成、核心要素、支撐環境、關鍵技術、處理對象等，參考國內外先進制造模式和企業控制系統集成方面標準，依據《國家智能制造標準體系建設指南》，梳理航空裝備產業智能制造的基本要素、相互關系、環境要求等，提出面向航空裝備產業的智能制造體系與總體架構。

2）攻克航空裝備產業智能制造關鍵技術

梳理航空裝備產業智能制造的瓶頸問題和關鍵技術，分析產品研制過程的感知、分析、決策和執行要求，研究具有動態感知、實時分析、自主決策、精準執行特征的高檔數控機床、工業機器人、增材制造等智能制造設備的研制需求和發展途徑，攻克基于工業云的賽博物理融合系統（ICPS）、基于網絡的協同制造、數字化設計制造集成技術，提出航空裝備研制生產所需的智能生產線/車間、智能企業以及企業聯盟所涉及的關鍵技術研究、工程化應用與產業化發展途徑。

3）提出航空裝備企業智能制造2025發展戰略和應用示范工程

圍繞航空裝備產業典型產品研制過程，梳理和凝練提升自主研制水平、系統集成能力、產業鏈協同能力的核心要素，基于航空智能制造體系和總體架構，研究國外先進制造模式及演進歷程，分析研究航空裝備產業智能制造發展趨勢和要求，開展的共性關鍵技術和自主工業軟件開發應用、智能制造裝備與工程化、產業化瓶頸攻關等技術攻關，提出航空產業典型智能制造應用示范工程。

3　航空智能制造的重點任務

3.1研發航空領域關鍵智能工藝裝備

1）基于智能控制的航空數控加工工藝裝備

研究數控切削加工過程智能在線監測、高效高精數控切削加工振動智能控制、曲面直接插補智能數控系統等關鍵技術，包括高檔數控機床伺服、主軸刀具系統及整機動態特性現場快速測試、分析系統，實現數控銑削加工工藝系統狀態的準確識別、快速預報與切削參數的自適應調整，以提升數控機床使用效能；研究具有智能自適應、自學習功能的控制算法以提高機械系統精度、增強系統特性以及采用智能技術進行運動誤差補償等，實現數控銑削加工振動控制的高效化、智能化與通用化。

圖4　航空數控加工智能控制

2） 航空智能裝配機器人關鍵裝備

重點開展航空智能制孔機器人、智能噴涂機器人、基于多機器人協同的裝配等研究。針對制孔機器人體積大、成本高、自動化程度低、加工精度不穩定、致性差等不足，突破智能制孔機器人關鍵技術瓶頸，并開展面向機器人雙臂協同裝配關鍵技術研究。開展航空機器人噴涂工藝和設備的研究，突破機器人力控制和精密在線測量等關鍵技術難題，研究面向整機的智能噴涂機器人系統與空間多維導軌設計、復雜形面的噴涂軌跡規劃及糾偏技術、新型涂料的高精度變流量輸送技術、多基體材料組合機身表面涂裝優化技術等，實現自動化、智能化的航空噴涂機器人，提升我國航空工業制造的質量和效率。

圖5　航空智能裝配機器人

3）航空柔性智能工裝裝備

重點開展盒式連接可重構柔性裝配工裝、導管裝焊柔性智能工裝、飛機部件自適應無應力裝配工裝等關鍵技術攻關，突破航空盒式連接可重構裝配型架的標準件分類與編碼、智能配置設計、穩定性分析與激光測控等關鍵技術，形成整套可重構柔性型架的配置設計、安裝、性能驗證技術及規范，支持航空產品的柔性智能裝配；開展面向多根管路整體裝焊的柔性管接頭定位夾持器、定位器自動配置與工作空間分析、基于力傳感和視覺測量數據反饋的導管智能夾持、調姿與對齊等關鍵技術研究，實現不同規格、尺寸范圍、空間走向的復雜管路的快速工藝準備與裝焊，為航空復雜管路智能制造提供先進工裝技術保障。

圖6　航空柔性智能工裝

3.2基于工業互聯網的航空協同云制造

1）基于工業云服務模式的航空協同制造

重點開展航空工業云服務協同制造、制造資源虛擬化與云端適配接入、工業云資源能力服務聚合等關鍵技術攻關，研究基于Web的應用系統、獨立應用系統等制造軟件資源虛擬化與云端適配接入技術、數控加工設備、檢測設備等制造設備資源虛擬化與云端適配接入技術以及數據知識資源虛擬化與云端適配接入技術，研究針對制造任務分散、不確定、多粒度等特點的制造服務智能匹配與發現技術和制造服務動態統籌與服務組合優化技術；針對集團內企業交互頻繁、協作緊密的特點，研究多學科協同設計服務、工藝-資源匹配優化服務、快速排產與動態調度服務、測試試驗服務、供應協作服務等集團企業工業云業務協作服務技術。

圖7　航空云服務模式協同制造

2） 航空制造集團企業的云服務平臺構建

重點開展工集團企業云服務平臺與異構信息系統綜合集成技術、航空制造集團企業云服務平臺開發與實施技術攻關，為實現工業云服務平臺與現有企業信息化系統平臺的集成，實現企業內外部各類信息與平臺的交換共享，研究多樣化異構信息統描述與識別技術、異構信息動態關聯與轉換技術、多種層次集團企業內合法異構信息共享技術以及基于Web服務的企業應用系統集成技術等。面向航空制造集團企業，定制開發集團企業工業云服務平臺，開展典型示范應用，聚合企業制造資源，支撐企業核心業務發展，促進航空企業集成化服務能力提升。

3.3基于數字化設計制造集成的航空智能制造

圖8　全三維設計制造一體化

2）基于全生命周期管理的航空智能制造

重點開展面向產品全生命周期信息建模與管理、基于模型的產品生命周期管理、設計制造體化集成協同等關鍵技術攻關，研究面向復雜航空產品全生命周期的過程與數據的集成與管理、支持知識密集型研發的數字化產品與過程建模技術；研究MBD標準及其在復雜航空產品研發中的應用方法，研究基于模型的數字化產品定義、變更、傳遞及應用的產品生命周期管理系統構建方法；研究支持復雜航空產品全生命周期各階段產品與過程信息的有效共享和信息傳遞，實現信息的可追溯的設計制造體化集成協同技術，建立設計制造體化集成協同平臺，形成多應用系統之間產品模型數據和過程管理數據綜合集成的可持續發展機制。

3）基于工程知識管理的航空智能制造

重點開展航空知識型企業創新研發模式、航空產品裝備創新研制工程知識管理、航空產品裝備創新研制工程知識管理平臺的關鍵技術攻關，針對航空制造企業轉型升級的需求，研究能充分發揮企業員工和組織智慧促進技術創新的航空知識型企業模型和項目推動式航空知識型企業管理模式，研究符合航空知識型企業業務與管理要求的工程知識管理實施方法論和標準規范體系，保障工程知識管理在航空企業能夠得以實施，促進工程知識管理對研發業務產生積極的變革作用。

圖9　航空智能制造的全生命周期管理

圖10　工程知識管理技術

4　結束語

本文分析了智能制造的國內外發展趨勢，從智能制造是新工業革命標志性技術、兩化深度融合發展核心目標、航空工業轉型升級創新發展的引擎等角度，總結了發展航空智能制造的迫切需求和必然趨勢，提出了航空智能制造發展的思路、目標與側重點，進而詳細闡述了航空智能制造的重點任務。

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作者簡介：陶永（1979 -），男，河北新樂人，工學博士，主要研究領域為工業機器人柔性機械臂技術、嵌入式機電控制技術與飛機柔性裝配制造技術。

收稿日期：2015-12-18

中圖分類號：V241.05獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)03-0106-06