面向智能制造的航空發動機數字化生產線建設研究

中國航發沈陽黎明航空發動機有限公司 亢亞敏 秦新冰 汪九佳

面向智能制造的航空發動機數字化生產線建設研究

中國航發沈陽黎明航空發動機有限公司 亢亞敏 秦新冰 汪九佳

借鑒國內外制造企業智能制造實施的先進經驗，通過搭建數字化生產線，研究利用數字化、智能化技術提升生產管理能力。數字化生產線建設是航空發動機企業實現全方位、高效率和穿透式管理的重要信息化手段，涵蓋了數字化工廠總體框架、數字化系統架構，以及面向智能化的關鍵數字化技術研究等。通過數字化、網絡化和智能化深度融合，使工程信息化技術與航空發動機制造技術深度融合，實現制造過程和產業模式變革。本文將重點闡述該面向智能制造的數字化生產線建設總體架構及建設內容。

一、引言

隨著中國制造2025的提出以及智能制造專項的推進，航空制造企業必須認清數字化、網絡化與智能化的發展方向。

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術的深度融合，貫穿設計、生產、管理和服務等制造活動的各個環節，是具有自感知、自學習、自決策、自執行和自適應等功能的新型生產方式。加快發展智能制造，是培育我國經濟增長新動能的必由之路，是搶占未來經濟和科技發展制高點的戰略選擇，對于推動我國制造業供給側結構性改革，打造我國制造業競爭新優勢，實現制造強國具有重要戰略意義。智能化是指延展人類認知過程和機器動力控制系統的自主化能力，基于賽博物理系統（CPS）實現對物理世界的感知、處理、決策和反饋，提升設計、制造、服務和管理等業務過程的自組織、自學習、自適應和自優化能力。

作為數字化與智能化制造的關鍵技術之一，數字化生產線是現代工業化與信息化融合的應用體現，也是實現智能制造的必經之路。數字化生產線借助于信息化和數字化技術，通過集成、仿真、分析和控制等手段，實現對制造工廠的生產全過程進行全面管控。面向智能制造的數字化生產線建設是航空發動機企業從信息化建設向數字化工廠邁進的重大措施。建立基于智能制造技術的數字化制造平臺，支持型號的研制與生產，為企業智能制造進行技術儲備，最終全面提升企業的制造能力與科學管理水平。

二、數字化工廠框架

數字化工廠是指以產品全生命周期的相關數據為基礎，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品全生命周期的新型生產組織方式。數字化工廠是現代數字化制造技術與計算機仿真技術相結合的產物，同時具有鮮明的特征，主要作為溝通產品設計和產品制造的橋梁。數字化生產線的建設需要采用先進的生產管理模式，并結合公司自身的生產特點進行突破和創新，實現生產管理的敏捷制造、準時交貨、精益高效和質量至上目標。基于數字化工廠的遠景，數字化工廠的總體框架參考國際標準ISA-95對企業架構層級定義，全面構建各個層級的能力，如圖1所示。

圖1 數字化工廠的ISA-95層級

現場層主要是生產線現場的各種設備、工裝、工具、測量儀器和物流設施等各方面的內容。控制層主要是接收操作層的指令，來實現現場層的各種硬件的自動化控制和驅動，確保其準確執行。操作層主要是執行和發布各種生產指令，實現產品、工藝、設備和測量儀器等各種數據的傳遞和采集。管理層主要是車間層面的監控與管理，實現生產訂單、在制品、質量、設備利用率、工裝、刀具和物料等全方位管控。企業層主要是產品研發PLM和企業管理ERP層面。尤其是應用PLM中的數字化制造技術，實現工廠的數字化建模和仿真分析，并基于虛擬工廠展現和操控生產，為數字化工廠奠定基礎。對于現場層、控制層和操作層這三個層級需要全面采用工業網絡實現其統一聯網，并最終與管理層和企業層的局域網貫通，為網絡化工廠奠定基礎。

三、數字化生產線信息系統框架

數字化工廠是全部產品制造人員的日常工作平臺，是開展智能制造工作的基礎。該平臺連接虛擬工廠與實物自動化工廠（虛擬的產品、工藝、生產線數據、生產指令數據和實物的產品全面貫通），制造工程師在虛擬工廠中開展工藝/工廠的設計、仿真和優化，同時監控和操控著由眾多賽博物理系統（CPS）構成的實物工廠/生產線，實現高效率、高質量的綠色制造。

把基于數字化工廠的五個層級的全面建設分解到數字化和信息化的視角，主要模塊有數字化工廠體系建設、數字化工藝設計管理和數字化制造執行及系統集成等。實施數字化系統的目的在于利用先進的數字化制造技術，打造具有工廠自身特色的數字化制造平臺，實現工廠的生產、技術、質量和經營等業務的全面信息化管理，并給管理人員及領導提供決策支持。

四、數字化生產線建設內容

1.數字化工廠體系建設

數字化工廠生產管理模式的建設目標是快速響應、準時交貨、精益高效和質量至上。其中，快速響應要求智能工廠能夠敏捷響應市場需求的多樣性變化，具有支持多品種、小批量生產的動態調整能力。準時交貨則要求智能工廠能夠有效縮短產品的研制、生產周期，做到按照用戶要求的交貨期保質保量完成任務。精益高效代表智能工廠追求精益的生產效率和管理能力，通過精細化管理以最小的投入達到最大的產出。質量至上則要求智能工廠通過全過程在線質量監控及“六西格瑪”質量管理，實現一次性成功投產并滿足用戶的質量要求。智能工廠的建設需要采用先進的生產管理模式，并結合公司自身的生產特點進行突破和創新。

2.數字化工藝設計管理

（1）設計制造協同。設計制造協同以型號任務需求為牽引，以型號研制體制創新、機制創新和技術創新為動力，實現型號設計、制造和維護保障過程中，設計單位與制造單位的緊密協同和數據共享，打造貫通設計制造全過程的信息鏈，在各個階段的各種信息能夠被準確地定義到以模型為核心的技術數據包中，并始終保持上游的技術數據包能夠被下游直接重用，一直拓展到生產現場或維修現場，從而提高型號質量管理體系的運行效率，實現產品研制全過程技術狀態的有效管理與控制，不斷提升產品設計、生產、維護和協同能力，增強型號自主創新和可持續發展能力。

（2）基于MBD可視化工藝設計。基于MBD的工藝設計，不同于傳統的工藝規程設計方式方法。傳統的工藝規程設計，直接在工藝卡片中完成，工藝員手工填寫所需的設備、工裝和工具，手工填寫工藝內容，手工添加工藝簡圖。基于MBD的工藝設計，要求各種資源的填寫、工藝內容的編制及工藝簡圖的設計完全基于三維模型，實現結構化和可視化的工藝輸出，其中工序模型基于PMI的智能數控編程和檢測編程，以及模板化工裝設計和管理。甚至實現了檢驗卡基于MBD模型PMI的自動生成能力。完全滿足了工藝規程設計的需要。在數字化工藝平臺中的工藝、工序對象上創建NX數據集。進入NX中通過WAVE Link功能關聯引用設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功能進行3D制造信息標注，比如尺寸公差要求、加工區域標識、操作說明和檢驗要求等。需要展示內部細節時，可通過PMI剖視圖展示。復雜工序可根據表達需要增加標注視圖。對于熱工藝，表現形式可根據加工特點作相應調整，一般情況下形狀變化不多，尺寸公差信息較少，工藝參數較多。

（3）數字化快速工裝設計。基于智能工廠實現三維工裝設計與管理，將模塊化設計的理念應用到工裝設計中。通過對工裝的模塊化分類應用，實現工裝設計知識和經驗的積累和重用，促進工裝的創新設計。基于三維工序模型/零件模型設計工裝，相比二維設計方法，設計結果更容易被重用到數控仿真、檢測仿真和生產線仿真等環節。通過設計數據重用及設計的智能和自動化，形成工裝設計知識和經驗積累與重用的機制，不斷豐富和完善工裝設計知識庫，促進技術人員設計水平的提高。同時，將部分工裝設計知識通過NX軟件二次開發的形式置入NX軟件應用系統，提高工裝創新設計的能力。

3.數字化制造系統管理

智能化的生產計劃管理，包括訂單的創建和維護、生產批次管理、生產派工、工程變更管理、生產插單和訂單進度跟蹤等業務活動。實時分析生產計劃和生產進度的匹配情況，并在異常情況發生時（如設備宕機、物料短缺等）進入自動運算模式，對當前的任務隊列進行動態排產，最大程度地降低生產變化對計劃的影響和沖擊。

智能化的生產現場管理，包括物料控制，電子看板功能和產品追溯的管理。通過物料控制將投料環節、零件加工環節和產品交付環節綜合管控，并對過程數據進行實時數據采集、統計和分析。

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

智能化的制造資源管理。通過建立統一的資源庫，對工裝、刀具等資源信息進行統一管理，包括資源的維護保養、借用和維修等信息。采用條碼技術對制造資源進行標識，實現刀具、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與生產線系統集成

通過生產線集成系統實現生產線控制單元、加工單元、輔助加工單元、質量檢測單元和中央刀庫等設備之間的物理連接，構建可支撐整條生產線運轉的生產資料物流系統和信息傳輸系統，同時與公司級的PDM系統、ERP等系統進行集成。

五、結語

以智能制造為核心的“工業4.0”，強調賽博物理融合（CPS），認為虛擬與物理是一對“雙胞胎”，以數字驅動的數字化系統理念與“工業4.0”一致。所有的管理要素必須被數字化準確定義，通過數字化系統有效地控制實際生產過程，為后續企業智能制造提供了支撐。數字化生產線建設完成后，可有效提高航空發動機制造技術優勢和生產能力，提高產品的制造效率和產品質量，降低制造成本，縮短產品制造周期，促進數字化制造技術在型號研制各環節中的推廣應用，從而帶動產品設計的創新、制造方法與制造工具的創新、型號管理模式的創新以及單位間協作關系的創新。實現傳統研制模式向先進的數字化研制模式的轉變，實現航空發動機研制基于智能工廠的協同數字化、工藝數字化、制造數字化以及經營管理數字化。為全面實現產品設計制造和管理的信息化、生產過程控制的智能化以及協作的網絡化奠定基礎，促進我國制造業綜合競爭能力的提升。