航天器大型構件智能制造技術探索與推廣應用

“工業4.0”提出通過建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，使德國成為新一代工業生產技術的供應國和主導市場，提升其全球競爭力[1-2]；《中國制造2025》旨在實現制造業轉型升級和跨越發展，改變我國制造業“大而不強”的局面[3-4]。通過深入實施《中國制造2025》，推進軍民深度融合，走出一條成功的軍民融合之路。世界各國在制造業領域采取的一系列措施均表明以智能制造為代表的先進制造技術是未來的必然發展方向，也是我國實現軍民融合的重要手段[5-6]。

一、航天器大型構件產品智能制造需求

目前，航天器大型構件制造中的主要技術瓶頸可歸納如下[7-8]。

1）大構件產品的制造超出現有加工設備的能力范圍。航天器艙體構件尺寸大、重量大、轉運困難，艙體焊接、組合加工等超過現有加工技術能力，制造瓶頸日益突出，迫切需要獨立的、柔性化高智能加工裝備。

2）航天器產品制造過程復雜、工序繁多、任務繁重，周期性要求緊。航天器大型艙體產品構件復雜、種類繁多，且具有較差的繼承性。隨著我國航天器產品需求量攀升，造成了航天器制造業研制任務大幅增加的局面，迫使裝備的研制周期大為縮短。

3）大構件產品制造過程柔性、自動化水平需要提升。鑒于艙體大尺寸構件特性，其研制過程多為人工參與，易造成裝備的一致性差、品質不穩定。同時，多環節裝配過程對工人技能依賴大，人力占用多，導致生產效率低、產能不足。因此，需要高度自動化、智能化的裝備提升產品質量可靠性及生產效率。

4）生產過程多變，生產管控難度大，數據采集的完整性和及時性要求高。生產過程中大量存在設計更改、工藝變更、計劃調整等現象，且零件種類眾多，產品加工工藝路線不同，制造周期長短不一，管控難度大。生產現場實物與數據信息缺乏有機關聯，難以及時形成產品數據包。

5）車間物料齊套及時性要求高。單元化生產模式導致工序轉運距離長，對物料及時齊套要求高，以滿足車間任務功能多樣化、多型號并行、研制周期短等要求。

大型構件的民用產品有很多，如高鐵大型構件、船舶大型構件等，它們的智能制造需求同航天器大型構件類似，探討航天器大型構件智能制造技術的研究與應用，促進相應的技術方法和軟硬件系統的形成，對軍用技術向民用領域推廣具有重要的理論意義和實踐價值。

二、航天器大型構件智能制造探索與實踐

智能制造是制造技術與數字化技術、智能技術及新一代信息技術的交叉融合，面向產品全生命周期具有信息動態感知、實時優化分析、自主決策、精準執行控制的功能，旨在高效、優質、清潔、安全地制造產品、服務用戶的制造模式。利用多種傳感系統獲取制造過程中實時運行狀態信息和數據；通過高速網絡實現數據和信息的實時傳遞、存儲和分析；根據分析的結果，按照設定的規則或積累的知識通過人工智能方法做出判斷和決策；最后，再將結果反饋到制造過程，完成精確調整和處理。圍繞智能制造的感知、決策、控制及執行一體化特征，結合航天器大型構件體制造特點及技術瓶頸，以航天器大型構件制造數據服務為中心，重點從制造裝備智能、車間物流智能、生產管控智能、工藝設計智能等方面突破智能制造技術的研究與應用，建設一條管控全面信息化、物流配送精準化、作業高度自動化、決策智能化的制造脈動生產線。如圖l所示為航天器大型構件智能制造技術體系框架。

1.智能工藝設計

基于MBD模型打通全三維數字化設計制造的信息流，構建工藝設計智能化環境，實現工藝設計與工藝仿真應用的深入融合，從模型引入、工藝資源匹配、工藝智能決策、工藝資料數字化傳遞到加工及檢測結果反饋的全過程智能化管控。

如圖2所示為航天器大型構件智能工藝設計平臺。通過模型智能比對工具，輔助設計與制造雙方的會簽協同，提高模型檢查效率。重點服務于面向車間現場智能裝備的構件化智能工藝規劃和管理。既有的模型實例及與模型相配套的工藝實例被作為知識存儲與維護在工藝規劃系統內。利用航天典型產品的相對相似性與穩定性，通過檢索參數、特征或幾何構件等信息，關聯查詢到可復用的工藝文件，在此工藝文件的基礎上適當調整，以滿足新模型的工藝設計需求。在編制工藝過程中，支持關聯產品、資源、工廠研制能力等數據，實現對工藝數據的權限、版本、配置及流程管理，利用現有典型工藝、工序、工步等標準化模板知識，提高工藝編制效率。最終，實現面向智能裝備的工藝信息輸出，為智能裝備的運行提供技術支持。構建基于三維環境構建虛擬仿真環境，為加工仿真、裝配仿真、數字工裝、工廠布局仿真優化提供了技術保障；實現工藝的智能化工裝協同設計，提高工裝設計效率和重用率。

圖1 航天器大型構件智能制造技術體系框架

圖2 航天器大型構件智能工藝設計平臺

2.智能生產管控

以數字化生產管理體系為支撐，研究數字化車間智能管控技術。通過考慮航天器大型構件智能數字化車間設備能力，以主生產流程模型為驅動，以多源信息感知網絡采集的過程實時數據為輸入，并實現同步實時監控，研究多品種生產作業，多因素擾動背景下的智能排產與優化調度，以高效運轉等相關性能指標為優化目標，得到航天器大型構件智能數字化車間完整高效的運轉方案，并實現虛擬化仿真驗證。如圖3所示為智能生產管控系統功能構件圖。

為提高制造周期，研究以計劃驅動的物資配送技術、精細化管控技術、數字化標識技術等關鍵技術。智能生產管控系統不僅能夠實現物料快速定位及追蹤，縮短物料準備周期，降低運輸和管理成本，而且能夠實現從宏觀到微觀、從整體到細節、宏觀微觀結合的型號產品進度監控和數據分析應用，大幅度縮短了生產準備時間，還能夠基于條碼或無線射頻識別（RFID）技術實現對產品、物料、托盤和包裝箱等車間生產要素的數字化標識、快速定位和信息查詢。

圖3 智能生產管控系統功能構件圖

3.智能物流與倉儲

如圖4所示為航天器大型構件智能物流與倉儲系統。物流管理信息系統主要是通過對倉儲物料信息的實時同步與自動配送實現對生產物料需求的及時響應，通過生產物流運行與生產計劃調度的協同實現對生產物流的智能管理；物料數據智能感知是采用條碼/RFID等技術，實現在庫數據的快速采集，在途位置的動態跟蹤，在用信息的實時反饋，實現生產物料在庫、在途、在用各環節信息的及時采集和精細化管理；物流信息智能處理是根據生產計劃與物料消耗自主生成物料需求，對物料需求的到達時機進行優化調度形成配送指令，對到達工位的物料種類、狀態、數量進行自動核對，對工位物料消耗進行隨時監控，對缺料、故障等情況進行及時提示和預警；物流過程智能執行是采用堆垛機高層貨架系統，實現快速動態盤庫，根據物料上嵌入的條碼或者RFID芯片，實現對物料出入庫信息的快速處理，采用智能平臺車作為搬運設備，實現運送過程的自動導航和隨時追蹤等。

4.智能制造裝備

智能制造裝備是工業技術與信息技術“兩化深度融合”的載體，依據航天器大型構件智能制造技術需求，研發具有感知、決策、控制、執行一體化功能的制造裝備，以實現先進制造技術、信息技術與智能技術的集成與深度融合。

為提高航天器大型構件裝配調試工作效率和裝配精度，通過研究多軸伺服電機控制技術、雙車拼接聯動控制技術、基于視覺的自動導航技術、超聲避障技術、獨立懸掛減振技術和大承載全向輪設計技術等多項關鍵技術，自主研發高端智能載荷平臺車（如圖5a所示）。并設計多樣式的升降模塊、多自由度姿態調整模塊、高精度導航定位模塊，以支持多樣化產品制造需求。結合串并聯式機器人，構建全向智能移動機器人（如圖5b所示），融合數字化測量技術、智能控制技術及數字化網絡技術，實現航天器大型構件的支架安裝面和安裝孔組合加工及輻射器焊接等操作。通過對機床切削力、振動、溫度等信號進行分析，建立信號特征量變化與航天器大型構件損耗之間的關系，實現對機床故障的預警與診斷，并提供智能化的維修方案與維修計劃。

圖4 航天器大型構件智能物流與倉儲系統

三、大型構件智能制造技術推廣應用

以航天器大型構件為研究對象所形成的智能制造技術成果，可進行一系列的功能擴展，應用于不同的民用產品。

1） 參照航天器大型構件智能工藝設計平臺，提煉基于特征的快速編程、大型五軸數據加工工藝與仿真、高硬度材料精密特種加工等方法，將其推廣應用于機電產品中的陀螺、渦旋壓縮機、諧波減速器等產品核心部件的制造加工，以實現加工工藝改進。基于生產線規劃與仿真方法，完成軌道交通大型構件工藝規劃與仿真，實現以物理生產裝備和數字化系統深入融合，從整體上縮短工藝準備周期，提高工藝質量。

2）依托航天器大型構件智能生產管控系統技術，推廣應用于通信行業的大型鐵塔制造過程中，實現對于不同地域、不同塔型、不同管型的管理，完成生產節拍的快速響應，進而以支持決策者能夠掌握自身的生產能力、生產資源以及所生產的產品，能夠調整產品的生產流程與工藝方法，并能夠根據市場、客戶需求等動態信息做出快速、智能的決策。

3）采用航天器大型構件智能物流與倉儲系統相關技術，設計電商、快消等行業倉儲物流線解決方案，構建通過計劃自動分解與下達、調度派工管理、裝配現場管理、物料管理、工具管理、設備管理、人員管理和質量管理等一系列功能，實現物料配送的精準化、高效化和柔性化。完成軌道交通大型核心部件物流與倉儲功能，采用RFID等技術，實現物料的精細化標識，實現物料的在庫存儲、在途運輸、在線使用等狀態數據的實時感知和及時處理，滿足了生產制造的高時效性要求。

4）開展智能專用裝備、智能傳感器、智能控制系統研究，完成先進制造技術、信息技術與智能技術的集成與深度融合。提煉多智能裝備集成協同、閉環反饋控制、軌跡跟蹤等技術，實現基于可移動式制孔串聯機器人的大型飛機壁板自動鉆孔加工，實現基于可移動式焊接串聯機器人的海洋大型鉆井平臺鋼構件焊接，實現基于可移動式并聯調姿裝備的大型飛機艙段調姿對接/裝備。通過集成雙車級聯及激光同步測控系統，實現高鐵車輛等超大型產品的廠房內外轉運。雙車組合承載能力50t，雙車同步精度±1mm，運行速度0.6m/s，通過采用24軸協同控制系統能夠實現26m長超大產品的廠房外靈活轉運，包括橫向平移、斜向行駛及原地零回轉半徑運動等。

圖5 典型高端智能制造裝備

四、結束語

通過對航天器大型構件智能制造技術的探索，實現了制造模式轉型、提升了高端裝備制造能力，完成了信息技術、網絡技術同先進制造技術的深度融合。通過提出航天器大型構件智能制造技術體系框架，提煉關鍵技術，推廣研究技術到其他民用制造領域，完成了軌道交通大型核心部件物流與倉儲系統、通信行業的大型鐵塔制造管控系統及高鐵車輛等超大型產品智能移動裝備系統等軟硬件研制，取得了可觀的應用結果，為我國軍民融合的發展積累了成功案例。

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