智能制造技術在航空制造產業中的應用

張連進

中國航發成都發動機有限公司，四川成都，610000

0 引言

作為一個典型的高新技術和尖端制造產業，航空制造業位于裝備制造工業的最前沿，其特點是對專業技術能力具有高度的要求，具有廣闊的潛在銷售市場和極為廣泛的行業覆蓋面，代表了一個國家的綜合制造業發展水平，是綜合國力的直接體現和映射，并能夠反過來促進社會經濟建設，推動國家國防水平以及科技能力的提升。近幾十年來，我國的航空制造工業發展勢頭十分迅猛，相關科研水平和產品質量都出現了跨越式的提升，但同時我們也要看到未來制造業的發展方向將是朝著智能化前進，其相關技術已經逐步成熟并開始投入使用，為了緊跟發展的步伐并在國際競爭中保持領先的趨勢，我國航空制造業也要主動開始進行智能化轉型的探索和落實。智能制造工業主要采用和糅合了網絡集成技術，海量信息處理，人工智能控制和虛擬制造等諸多方面的技術和研究成果，并在此基礎上有機結合構成了人際一體化的專業制造系統，將整個航空制造工藝轉向智能化、自動化和環保化，實現了傳統制造產業的現代化升級，已經成為了我國新時代產業改革的重要調整方向。

1 智能制造技術簡述

智能制造是工業技術和信息科技互相結合后形成的先進工藝，我國政府已經關注到了其所具有的重要價值，并制定發布了相關行動規劃，從政策等方面支持和推動相關產業的進一步發展。各個相關企業應當緊緊抓住政策優勢的窗口期，基于原有的制造工藝，升級智能化設計，從而實現航空制造業的整體智能化程度提升。隨著航空制造技術的不斷發展，航空業用戶企業需求持續升級，為了滿足對相關產品日益復雜的要求，航空制造企業就需要不斷提升自身的工藝制造水平，通過各種方式引進和發展新的制造技術，通過智能化系統等手段推動技術變革和制造能力的更新換代。所謂的智能制造技術，是指通過網絡信息技術和人工智能系統，讓機械設備自動驅動和進行制造的工藝手段，其是機械制造業的未來發展方向，具有加工效率高、產品質量高、生產成本低等優勢。因此，航空制造業必須要對其具有充分的了解，并應用于本身制造過程之中，讓其發揮出價值和作用。

智能制造要在制造過程的各個環節和流程中形成一套完整的系統，通過自主分析、學習等方式增強制造決策和協調控制水平，能夠根據實際的環境和情況及時調整制造的流程和方式，從而實現更好的制造效果。眼下，通過相關專家的研究和探索，航空制造業已經形成了初具雛形的智能制造架構，從生產管理、控制執行和企業管理等多個層面打造具備實時分析決策和精準執行能力的現代化智能制造系統，同時將產品從設計到制造落地的全部流程進行打通，形成能夠互相促進，協調發展的新式模式。在其中，需要全面感知和監控制造鏈路全流程的實時工作狀態；對各種狀態參數和運行數據進行及時的分析，并根據分析結果和預設的規則進行判斷決策；最終精準地在生產線和供應鏈等環節執行調整后的結果[1]。

2 智能制造工廠的組織架構

現代化的智能制造工藝，是多個領域的技術結晶融合而成的一體化架構，通常會涉及到網絡信息技術、自動化決策技術、人工智能機器人技術和傳統制造工藝等。其在航空制造業中的組織架構通常會包括如下幾個方面。

2.1 決策支持

決策層是智能制造的中樞和大腦，在其運營流程中承擔著分析決策的角色，其實現技術包括云計算和大數據處理等技術，面對現在的制造環境，因其復雜的流程和環節，涉及到海量數據的采集、統計、處理和分析，數據量級遠超TB級別，同時因制造過程的實際需求，整合頻率和計算時間也將向著毫秒級發展。為了滿足以上需求，就要建設完善的數據處理系統，包括分布式數據平臺等基礎設施，避免因為軟硬件設備落后或迭代速度緩慢而導致的使用效果不佳等情況。此外，為了提升數據使用和計算效果，還可以將智能分析所需要的采集、處理等流程操作系統轉移至云端設備，這樣既可以節省搭建的資金成本，也能夠控制運營費用，提高投入產出比。

2.2 應用落實

航空制造業中第二個重要的流程環節便是其應用層，其涉及到大量的具體操作和實施節點，包括生產、組裝和檢測等等，在實現智能化的過程中，就要引入智能物料配送技術、3D打印技術和零覆蓋噴涂技術等智能化手段，提升其制造效果。

（1）3D打印技術，又可以被稱作增材制造技術，是一種新式的制造工藝，其能夠通過電腦虛擬預先設計和快速定型各種復雜的工業構件，有效降低制造成本，提升工藝成品的質量，并具備快速實現個性化和定制化等功能的優勢，在新式智能制造過程中發揮出了極大的價值。

（2）智能物料配送技術，是依托于工業物聯網而搭建形成的物流管理平臺，其能夠按照制造流程中的工序和要求將原材料需求進行分解，并安排適當的人員和次序進行配給，從而實現更加透明規范的運輸過程。通過AGV車輛在物理上實現計劃好的材料運輸，能夠按時保量地完成材料配置工作，滿足標準化的產品制造工藝所需。

（3）零覆蓋噴涂技術的應用，能夠給航空制造工業帶來新的競爭優勢，其借助使用激光定位技術，機器人自動操作，表面特殊材料的制造和噴涂等先進手段，從工藝上實現不同航空配件的零覆蓋噴涂工作，成品具有一次定型的效果，能夠極大地提升產品噴涂效果，減少返工可能性，有效控制噴涂成本，增強產品在市場上的競爭力[2]。

2.3 信息傳遞

信息層是航空制造業智能化的動脈和血液，其對智能化的各個環節進行整合，形成高效互通的制造網絡，涉及技術包括工業物聯網，垂直系統整合等。借助工業物聯網在實際生產中的運用，能夠提升不同生產流水線之間的信息和資源共享水平，并通過數據整合連通各個操作系統，進行集成化處理，進而有效地將過去傳統的被動信息整合模式轉化為主動整合模式，促進相關生產數據自動精確的處理，實現人機一體化生產。

2.4 物理設施

物理層是航空工藝制造的最終實現環節，其能夠通過各種機械設備將智能制造技術進行完整的落實。在實際的生產中，就要不斷引入和采購各種新式的智能生產設備，如智能傳感器和機器人等，從而滿足優化制造工藝和提升產品質量的需要，同時降低產品生產費用，增強市場競爭力。

3 航空制造企業中的智能制造關鍵技術

目前，智能制造工藝中最重要的幾個技術包括實時定位、網絡安全、信息物理融合和系統協同等，結合航空制造業的實際需求和特點，其行業的智能制造技術核心點包括數字線索技術、CPS賽博物理生產和人工智能增強技術三個方面。在其中，數字線索技術是將軟件、模型和信息傳遞等科技進行集成化形成的全生命周期管理架構，從而完成數據到實際操作的無縫連接；CPS技術是智能制造工藝中最重要的環節，其能夠對生產過程中的數據和信息進行實時采集、歸納和分析，按照分析結果與各種預設規則作出精確決策，并自動操作機械執行精確動作，最后還能夠采集執行結果的信息進行進一步的自我學習提升未來的決策效果。人工智能增強技術則是在數字線索技術的基礎上，將復雜的系統操作和實施流程進行分解及細化，加強操作人員對系統實施效果的把握程度，進而確保各種任務和流程能夠執行到位，滿足高精度的生產需要。

3.1 數字線索技術的研究

智能制造工藝要完整落地，離不開從上至下的全流程管理。只能自始至終做好每一個節點和過程的管理工作，才能保證加工鏈條不出現斷裂或是難以滿足精密操作的需求。在此方面，數字探索技術能夠有效增強制造工藝全生命周期的管理效果，其通過尖端建模和虛擬仿真技術建立起詳細周密的實施流程，提供對各個制造階段的數據信息進行歸納和分析的能力，讓制造企業能夠利用高度精確的虛擬模型和技術數據，對生產項目的成本、進度計劃，產品質量和過程風險等要素進行模擬，并分析和評估潛在的問題以做出實時的調整和優化。基于數字探索技術能夠建立起虛擬設計—仿真模擬—數字生產—實際成品這一套完整的新式生產模式，通過對現實生產系統進行采樣和模擬，建立起科學合理的數據預測模型，從而有效預判整個制造生命周期的風險隱患和生產效果。

舉例來說，美國空軍曾在2013年的相關規劃文件中指出，數字線索和數字孿生技術是能夠改變整個制造業游戲規則的顛覆性創新，并在2014年的時候組織波音、通用電氣和洛克希德馬丁等世界著名的航天產品制造商開展實施了許多相關的應用項目研究和探索，并取得了諸多成果。通過數字線索技術的實用化，美國空軍能夠對E8攻擊機、T-X高級教練機和遠程空射巡航導彈等尖端航空產品做出進一步的迭代和升級，提升其實戰效果。此外，諾斯羅普·格魯門公司還借助數字線索和數字孿生技術，對F35機身的生產流程進行優化，通過對成品質檢流程搭建數字線索系統，結合三維可視化模型，實現了生產成品質量的快速自動化精確分析，有效降低了不良品的發現和處理時長，優化問題特征反饋效率，提高制造工藝和模具改進工藝的修改效率，最終將F35進氣道加工缺陷的修復時間縮短了百分之三十五以上，顯著提升了產出效果。另一方面，波音公司與美國空軍協作開發的數字孿生模型采用了先進的建模和仿真技術，對F15C等機型建立起了精確的結構尺寸，能夠有效預估該等機型的材料微觀缺陷，剩余使用壽命和運行載荷等情況，幫助波音公司提升了對其進行檢查和修改的效率。

3.2 CPS賽博物理系統

CPS賽博物理系統是囊括了數據計算、網絡傳導和物理實現等多個結構在內的復雜系統，其通過3C技術、人機交互接口等技術的實用化，能夠讓智能化終端實時遠程操作物理制造設備，安全可靠地完成各種生產流程。其技術架構包括連接層、網絡層、配置層等多個層級，具備資源液化、資源集成、智能分析和數據增值等多方面的能力，從而可以實現裝備信息自動檢測，工廠制造智能決策和材料配置自動化等不同的功能[3]。

在實際實現的過程中，各個具備相應能力的國家對CPS技術有著不同的理解和應用方向。德國提出了工業4.0戰略方針，其CPS化的主要對象為生產設備，使得各種生產設備能夠靈敏感知產品類別，并根據實際情況對生產控制參數進行自適應化調整。而美國通用電氣公司則提出了工業互聯網的概念，其CPS話的主要目標為產品。舉例來說，其能夠將航空發動機進行CPS化，采集其運行數據并同步至云端，在云端平臺完成相關數據的整理和分析，隨后給出運行優化意見并實時反饋。需要注意的是，CPS化智能制造的實體不單單包括設備和產品在內，而是應該將涉及產品生產的人類、機械、材料、工藝、環節和檢測等進行全面的CPS化，從而真正滿足智能制造的需要。比方說，在制造過程中讓工人攜帶RFID設備，采集其軌跡并進行分析，優化操作流程規范和物流配送效率。此外，還可以對制造現場的各種參數進行采集和統計分析，指導和優化制造流程，提升生產質量[4]。

我國企業在智能化升級的改革中，更加傾向于采納美國的工業互聯網概念，對許多具有高度附加值的產品進行了CPS化，如遠程監控設備和運行維護系統等。同時也在不斷根據實際情況，分析其裝備水平和投入產出比等數據，以此決策下一步的CPS改造目標，并分配資金和專業人員逐步實現制造流程的智能化轉型。

4 智能制造在航空制造產業中的具體應用

4.1 優化制造工藝過程

通過智能制造工藝，基于傳統的制造流程和材料，能夠針對性地研究各種零件的制造流程，優化其工藝效果，減少資源消耗，并在成組技術的基礎上形成更加規范的工裝結構和規程，進而提升生產管理、操作管理和生產過程控制的實際效果，進一步優化資源配置，優化生產質量，使得企業產品在市場上更加具備競爭力。

4.2 實現制造工件的快速裝卸

通過設置交換式工作臺能夠進一步滿足智能生產線的效率要求，其可以在原有的數控設備基礎上進行改裝，使機床可以在加工零件的同時在另一個工作臺上對零件進行裝夾，兩邊工作同步推進，大大縮短了機床的制造工時，提升了產出效率。通常來說，單機智能生產線能夠操作兩個工作臺，而多機共同操作則能夠采用更多工作臺。依靠配置交換工作臺，能夠明顯地降低各種復雜零件的制作耗時，減少機床空置率，縮短整個制造周期。

4.3 建立制造現場的數據采集和可視化動態監控

數據采集與分析系統能夠對生產線上正在運行的設備數據進行收集與監控，通過分析其參數，能夠快速判斷質控系統，刀具系統和物料運輸系統等設備的運行狀態，并及時作出調整。

4.4 利用物流倉儲自動化實現物料配送

每一個航空器的制造都涉及成千上萬個零件，過程中包括了大量原材料，半成品和成品的運輸與周轉，還有加工刀具和夾具等設備的更換和使用。其運輸流程非常地復雜，而通過現代物流倉儲技術，能夠有效簡化其操作流程。

各個企業可以根據生產線的需求，在各個位置建立材料和工具的自動化庫站，并根據庫區大小，出入布局和貨物倉位等情況，確定合理的貨物分配和周轉計劃，并在生產線中鋪設自動運輸軌道與各個庫站聯通，通過AGV小車等運輸工具實現材料和工具在倉庫、機床之間的流通[5]。

同時，依靠條形碼和RFID技術能夠對各種物流進行電子標識，并將其錄入對應的信息管理系統，從而落實所有物料的全流程數據采集和使用情況監控。

4.5 依靠APS系統自動制定生產計劃

APS系統（高級排程），能夠根據產品的制造流程、物料儲備情況，設備運行情況和交貨時間等參數，自動編制和安排產品生產計劃，并對各種資源和人力進行合理的調配與使用，從而實現資源和勞動力的最大程度優化利用。

5 結語

綜上所述，智能制造技術是隨著時代發展和科技進步而逐步出現的一種尖端技術，其是制造業未來的發展方向，并在航空制造領域得到了廣泛應用。為了更好的促進企業自身的發展，增強制造實力和研發能力，企業要根據自身情況及時進行智能化轉型升級，以解決實際問題和滿足使用者需求為導向，配置集成化的智能生產系統，從而規范生產流程，降低人工干預和犯錯的可能性，提高生產成品的質量，提升各種物流資源的配置和使用效率，最終有效地增強制造企業的產品在市場上的競爭力，降低企業生產成品，推動企業和國家綜合實力的不斷增強。