航天典型殼段加工智能生產(chǎn)線總體方案探索

王 慶 陳 寧 劉 輝 董建濤 謝 辰 高 晶

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航天典型殼段加工智能生產(chǎn)線總體方案探索

王 慶 陳 寧 劉 輝 董建濤 謝 辰 高 晶

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

根據(jù)《中國(guó)制造2025》對(duì)航天裝備智能制造的發(fā)展要求，基于航天典型殼段產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過(guò)程特點(diǎn)，探討了典型殼段加工智能生產(chǎn)線的建設(shè)思路以及部分關(guān)鍵技術(shù)，并提出了典型殼段加工智能生產(chǎn)線總體框架與建設(shè)方案。

殼段加工; 智能制造; 智能生產(chǎn)線; 建設(shè)方案

1 引言

伴隨載人航天、月球探測(cè)等重大工程的開(kāi)展，我國(guó)航天工業(yè)重大工程型號(hào)種類和數(shù)量逐年增加、系統(tǒng)復(fù)雜程度越來(lái)越高、研制與生產(chǎn)并重形勢(shì)日益嚴(yán)峻。面對(duì)航天制造呈現(xiàn)出的研制周期短、多型號(hào)并舉、質(zhì)量可靠性要求高、研制和批產(chǎn)并存等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的航天研制生產(chǎn)模式已經(jīng)無(wú)法滿足生產(chǎn)要求，殼段產(chǎn)品加工能力瓶頸尤為突出[1，2]。

典型殼段屬航天產(chǎn)品的核心部件，質(zhì)量要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，性能優(yōu)劣直接影響飛行器的性能和飛行成敗，其加工質(zhì)量與效率一直制約著航天企業(yè)制造能力的提升。當(dāng)前國(guó)外航空航天與軍工企業(yè)在相關(guān)制造領(lǐng)域均已開(kāi)展智能制造能力建設(shè)，因此我國(guó)航天制造企業(yè)急需大力推進(jìn)智能化制造，通過(guò)智能生產(chǎn)線建設(shè)，提升典型產(chǎn)品快速研制能力[3～5]。

2 殼段加工智能生產(chǎn)線總體建設(shè)方案

航天典型殼段產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易變形且特征集成度高，長(zhǎng)期以來(lái)一直面臨多品種、小批量、研制與批產(chǎn)混線的生產(chǎn)現(xiàn)狀，屬典型的離散式制造模式，通過(guò)適用于離散制造模式的殼段加工智能生產(chǎn)線的建設(shè)與探索，可提高研制快速響應(yīng)速度及批產(chǎn)任務(wù)按需交付進(jìn)度。圖1所示為智能生產(chǎn)線總體框架，主要包括智能工藝、智能裝備、智能物流和智能管控等關(guān)鍵技術(shù)。

在智能生產(chǎn)線物聯(lián)信息采集系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程中，通過(guò)信息采集系統(tǒng)直接獲取制造資源的物理數(shù)據(jù)，感知系統(tǒng)狀態(tài)信息，并同步實(shí)施高維異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與分析。在高速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的支撐下，通過(guò)互聯(lián)互通技術(shù)在智能生產(chǎn)線各系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)縱向、橫向和端到端數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)為上下游部門(mén)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢與追蹤功能，為生產(chǎn)線智能決策與管控、制造資源狀態(tài)信息同步追蹤和產(chǎn)品全生命周期管理提供數(shù)據(jù)支持。智能管控系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)信息采集系統(tǒng)感知生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)并修正過(guò)程數(shù)據(jù)，自累積并完善工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，在智能決策的基礎(chǔ)上通過(guò)致動(dòng)器作用于物理世界，實(shí)施虛擬信息向現(xiàn)實(shí)世界的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)智能信息在整體殼段在制造過(guò)程中的成果應(yīng)用[6，7]，具體智能生產(chǎn)線總體架構(gòu)包括：

圖1 智能制造生產(chǎn)線總體框架圖

a. 智能工藝：包括生產(chǎn)線智能工藝流程設(shè)計(jì)、智能工藝數(shù)據(jù)庫(kù)與參數(shù)自學(xué)習(xí)、殼段典型特征識(shí)別與智能工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)、數(shù)控加工與檢測(cè)規(guī)劃仿真、切削過(guò)程物理仿真與切削參數(shù)自動(dòng)優(yōu)選等；

b. 智能裝備：包括多維感知的數(shù)控裝備自適應(yīng)控制系統(tǒng)、弱剛性零部件在線測(cè)量補(bǔ)償加工系統(tǒng)和智能診斷系統(tǒng)等；

c. 智能物流：包括自動(dòng)化物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、刀具管理系統(tǒng)、物料編碼自識(shí)別系統(tǒng)、物料自動(dòng)配送系統(tǒng)和面向航天產(chǎn)品機(jī)加特點(diǎn)的工位快換離線裝夾系統(tǒng)等[8]；

d. 智能管控：可分為智能決策支持和智能過(guò)程控制，智能決策包括產(chǎn)品質(zhì)量分析與控制、績(jī)效分析與決策支持、過(guò)程異常預(yù)測(cè)分析與控制、設(shè)備智能維護(hù)、工藝參數(shù)優(yōu)選與自學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化與自維護(hù)等；智能過(guò)程控制包括智能化生產(chǎn)線排產(chǎn)、生產(chǎn)線智能制造執(zhí)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、虛擬可視化仿真與優(yōu)化、物流智能管控與執(zhí)行、刀具優(yōu)化管理與配送、物料自動(dòng)編碼及過(guò)程質(zhì)量管理與控制等[9]；

除生產(chǎn)線核心構(gòu)成要素之外，智能生產(chǎn)線還包括物聯(lián)信息采集和環(huán)境基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)體系，智能生產(chǎn)線還包括物聯(lián)信息采集：實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線狀態(tài)信息自感知，具備異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸與存儲(chǔ)功能，包括DNC分布式數(shù)控系統(tǒng)、MDC設(shè)備信息采集系統(tǒng)、條碼掃描識(shí)別系統(tǒng)、RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)、PLC與傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和設(shè)備故障信息監(jiān)控系統(tǒng)；智能制造環(huán)境基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)體系：環(huán)境基礎(chǔ)包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、信息安全、監(jiān)控體系等，標(biāo)準(zhǔn)體系包括模型標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)體系標(biāo)準(zhǔn)、流程標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。

3 殼段加工智能生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智能工藝技術(shù)

生產(chǎn)線智能工藝決策主要包含工藝信息閉環(huán)采集、制造工藝實(shí)例表達(dá)與聚類、基于相似融合的工藝知識(shí)挖掘、基于綜合制造約束的工藝知識(shí)推理和虛擬環(huán)境數(shù)控加工仿真技術(shù)等。

具體系統(tǒng)架構(gòu)主要分為4個(gè)層面：最底層為支撐環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)軟硬件等；數(shù)據(jù)模型層是生產(chǎn)線工藝信息庫(kù)包括數(shù)控機(jī)床信息、刀具信息、材料信息、工藝實(shí)例庫(kù)以及挖掘獲得的工藝知識(shí)模型庫(kù)等；業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)核心功能層，包括軟件接口規(guī)范、特征集合獲取、相似加工特征分類、面向特征的工藝聚類、工藝知識(shí)模型挖掘、工藝推理約束設(shè)置、工藝知識(shí)模型推理、虛擬數(shù)據(jù)加工仿真模塊。其中軟件接口規(guī)范主要為了設(shè)置生產(chǎn)線智能工藝決策系統(tǒng)與CAD、CAM和虛擬數(shù)據(jù)加工仿真軟件的數(shù)據(jù)接口規(guī)范，支持從CAD中獲取加工特征集合，將推理獲得的加工工序輸入到CAM中進(jìn)行NC代碼生成，虛擬數(shù)控仿真系統(tǒng)從CAM中獲得NC代碼進(jìn)行加工仿真，并將最終修正的NC代碼錄入到工藝信息庫(kù)中。系統(tǒng)應(yīng)用層是提供給用戶的功能集合，包括零部件特征管理、工藝實(shí)例管理、工藝知識(shí)模型管理、工藝推理和工藝仿真5大功能區(qū)。

3.2 智能裝備技術(shù)

智能裝備的關(guān)鍵是智能化，主要特征包括：知道本系統(tǒng)的加工能力和狀態(tài)；能夠監(jiān)控和自主優(yōu)化加工過(guò)程；能夠自行度量工作（輸出）的質(zhì)量；能夠不斷持續(xù)學(xué)習(xí)和提高自己的能力。

3.2.1 多維感知的數(shù)控裝備智能制造技術(shù)

智能機(jī)床的智能化功能主要包括：智能化恒負(fù)載控制功能，對(duì)機(jī)床的負(fù)載、主軸功率等監(jiān)控，實(shí)時(shí)調(diào)整切削參數(shù)，獲得最大切削效率和恒定機(jī)床負(fù)載；智能化振動(dòng)防止功能，動(dòng)態(tài)振動(dòng)控制可大幅度抑制機(jī)床高速切削過(guò)程中的振動(dòng)影響，實(shí)現(xiàn)高速高精度加工；智能化熱位移補(bǔ)償功能，對(duì)熱位移進(jìn)行高精度補(bǔ)償，獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定的加工精度。

圖2 恒切削力自適應(yīng)控制系統(tǒng)示意圖

具體智能化恒負(fù)載控制功能原理如圖2所示，通過(guò)該技術(shù)可有效提高數(shù)控設(shè)備切削效率，降低刀具、工具和機(jī)床的損壞，同時(shí)監(jiān)測(cè)刀具磨損，提高刀具利用率，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)加工過(guò)程。

3.2.2 面向典型殼段的自動(dòng)檢測(cè)與自適應(yīng)補(bǔ)償加工技術(shù)

典型殼段內(nèi)型復(fù)雜，尺寸要求高，精加工試切后，需人工測(cè)量尺寸，人工調(diào)整刀具或坐標(biāo)系，補(bǔ)償加工保證尺寸。不僅打斷了加工流程，影響工序節(jié)拍量化，且極易引起操作失誤，造成質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)在線測(cè)量補(bǔ)償加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找正、自動(dòng)對(duì)刀、產(chǎn)品測(cè)量、補(bǔ)償加工自動(dòng)化，降低人為干預(yù)率，提高工序節(jié)拍量化程度，有效保障智能生產(chǎn)線運(yùn)行效果，在殼段生產(chǎn)過(guò)程中主要涉及網(wǎng)格壁厚自動(dòng)測(cè)量與補(bǔ)償加工技術(shù)和形位尺寸測(cè)量與自適應(yīng)補(bǔ)償加工技術(shù)。

壁厚測(cè)量及補(bǔ)償加工系統(tǒng)主要包括CAM軟件專用后置處理，測(cè)量程序生成、在線測(cè)厚數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償加工程序生成以及超聲探頭夾持測(cè)量設(shè)備等，具體殼段網(wǎng)格壁厚控制流程如圖3所示。

圖3 測(cè)厚補(bǔ)償流程圖

3.3 智能物流技術(shù)

3.3.1 物料智能存儲(chǔ)與感知技術(shù)

殼段加工生產(chǎn)線所用制造資源種類繁多，通過(guò)智能物流系統(tǒng)建設(shè)，可使物流作業(yè)自動(dòng)化，任務(wù)下發(fā)智能化和配送工具先進(jìn)化，最終實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的智能物流。

a. 倉(cāng)儲(chǔ)資源優(yōu)化整合

集成優(yōu)化WMS等庫(kù)存管理系統(tǒng)以及二維碼技術(shù)，保證各庫(kù)存之間信息共享，為整個(gè)生產(chǎn)線物料供應(yīng)提供支持，使物料存儲(chǔ)位置合理化，提高配送效率，減少錯(cuò)誤和重復(fù)作業(yè)，提高快速響應(yīng)能力。

b. 呆滯物料處理

對(duì)現(xiàn)有倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的呆滯物料（主要為中心倉(cāng)庫(kù)的采購(gòu)件）進(jìn)行處理，對(duì)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)用需求的物料，根據(jù)相應(yīng)的物料處理辦法清理出庫(kù)，為其它物料存儲(chǔ)騰出可用空間。

c. 改善庫(kù)存水平

建立庫(kù)存感知決策系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)庫(kù)存與物料過(guò)程信息，通過(guò)數(shù)據(jù)決策優(yōu)化改善庫(kù)存水平，提升庫(kù)存質(zhì)量，保證生產(chǎn)線物料的合理需求，形成穩(wěn)定的物料消耗速率，借助信息化手段使各倉(cāng)庫(kù)及時(shí)響應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需求，縮短物料配送準(zhǔn)備時(shí)間，降低安全庫(kù)存，對(duì)制造資源存儲(chǔ)狀態(tài)提前預(yù)警。

3.3.2 物料編碼與智能配送技術(shù)

殼段加工生產(chǎn)線所用制造資源種類繁多，通過(guò)物料編碼與信息智能關(guān)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線所有制造資源信息快速編碼與過(guò)程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。同時(shí)在基于簡(jiǎn)單的物流配送路徑規(guī)劃基礎(chǔ)上，構(gòu)建模糊工位預(yù)約時(shí)間條件下的多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，在模糊工位預(yù)約時(shí)間窗上進(jìn)行改進(jìn)，縮小時(shí)間窗以保證工位物料配送的最低滿意度。

通過(guò)生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)物流自動(dòng)配送，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料按需配送、過(guò)程追蹤、預(yù)警以及線內(nèi)全生命周期管理，提升物流配送效率，降低生產(chǎn)等待時(shí)間。

3.4 智能管控技術(shù)

生產(chǎn)線智能控制執(zhí)行的總體架構(gòu)主要由生產(chǎn)線物理信息分系統(tǒng)集成、基于過(guò)程數(shù)據(jù)的虛擬單元重構(gòu)、過(guò)程數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)與智能排產(chǎn)以及智能制造執(zhí)行系統(tǒng)組成，其中單元重構(gòu)和智能排產(chǎn)通過(guò)專家?guī)臁⒅R(shí)推理和算法優(yōu)化等方法輸出優(yōu)化排產(chǎn)計(jì)劃；虛擬可視化仿真系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)方案性能分析和結(jié)果回饋，與排產(chǎn)系統(tǒng)組成閉環(huán)，調(diào)控排產(chǎn)精度，滿足生產(chǎn)線預(yù)設(shè)運(yùn)行閾值與指標(biāo)；智能制造執(zhí)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)指令分解下發(fā)、過(guò)程信息采集以及制造過(guò)程數(shù)據(jù)分析與閉環(huán)控制；物理信息分系統(tǒng)集成主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各物理與信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及控制質(zhì)量下發(fā)與反饋功能，是殼段加工智能生產(chǎn)線精準(zhǔn)執(zhí)行的動(dòng)作器和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.4.1 基于過(guò)程數(shù)據(jù)的虛擬單元重構(gòu)技術(shù)

虛擬制造單元重構(gòu)是根據(jù)制造任務(wù)迅速整合各種資源，對(duì)制造單元進(jìn)行重新組態(tài)的過(guò)程。重構(gòu)過(guò)程可分為產(chǎn)品族聚類、生成虛擬訂單、單元組態(tài)分析、單元重構(gòu)等步驟。通過(guò)該技術(shù)可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)特點(diǎn)及生產(chǎn)線資源狀態(tài)、制造能力等信息，進(jìn)行虛擬單元快速重構(gòu)，從而提高生產(chǎn)線柔性，快速擴(kuò)展生產(chǎn)能力。

3.4.2 過(guò)程數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)與智能排產(chǎn)技術(shù)

由于生產(chǎn)作業(yè)、機(jī)器與資源之間緊密耦合，生產(chǎn)線處在自組織臨界狀態(tài)，動(dòng)態(tài)事件的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致不同規(guī)模的生產(chǎn)癱瘓。通過(guò)在過(guò)程數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上探索重調(diào)度與逆調(diào)度的適用規(guī)律，以柔性工藝、預(yù)估加工時(shí)間和設(shè)備狀態(tài)為輸入，構(gòu)建重調(diào)度-逆調(diào)度的混合生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，形成生產(chǎn)線管控系統(tǒng)的性能指標(biāo)與約束機(jī)制，有效規(guī)避動(dòng)態(tài)事件導(dǎo)致的生產(chǎn)癱瘓。

3.4.3 智能制造執(zhí)行系統(tǒng)

智能制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES-Manufacturing Execution System）在智能生產(chǎn)線中位于上層計(jì)劃管理與底層工業(yè)控制之間，承上啟下，具有信息樞紐的作用。它是面向現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)綜合管理的集成系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)MES具備工藝管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)管理、數(shù)控傳輸?shù)然A(chǔ)上，集成了高級(jí)排產(chǎn)和過(guò)程虛擬仿真優(yōu)化功能，具備基于數(shù)據(jù)感知的業(yè)務(wù)流程智能優(yōu)化與精準(zhǔn)控制自執(zhí)行能力，可通過(guò)虛擬仿真系統(tǒng)預(yù)測(cè)執(zhí)行結(jié)果并實(shí)時(shí)修正控制指令，使整個(gè)生產(chǎn)線智能控制執(zhí)行系統(tǒng)達(dá)到最佳執(zhí)行狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)航天典型殼段產(chǎn)品生產(chǎn)加工過(guò)程，在現(xiàn)有數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)之上，依托智能工藝、智能裝備、智能物流、智能管控等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)典型殼段智能加工生產(chǎn)線建設(shè)總體方案進(jìn)行了探索。通過(guò)對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)研究以及相關(guān)系統(tǒng)信息融合與集成，可提升制造過(guò)程動(dòng)態(tài)管控一體化能力，實(shí)現(xiàn)過(guò)程制造的自感知、自學(xué)習(xí)、自決策與自控制，有效提升航天產(chǎn)品核心結(jié)構(gòu)件的加工質(zhì)量和制造效率，同時(shí)，探索了智能制造應(yīng)用模式，對(duì)推動(dòng)智能工廠落地，促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重大意義。

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Exploration on Overall Scheme of Intelligent Production Line for Typical Shell Machining in Aerospace

Wang Qing Chen Ning Liu Hui Dong Jiantao Xie Chen Gao Jing

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

According to the intelligent manufacturing development requirements on aerospace equipment of "Made in China 2025”, and based on the characteristics of production and processing of typical aerospace shell products, the construction idea and some key technologies of the typical shell segment machining intelligent production line are discussed. Moreover, the frame and construction scheme of an intelligent typical shell production line are put forward.

shell segment processing；intelligent manufacturing；intelligent production line；construction scheme

王慶（1972），碩士，材料工程專業(yè)；研究方向：數(shù)字化制造。

2017-12-07