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

（首都航天機械公司，北京 100076）

根據(jù)《中國制造2025》對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)加工過程特點，探討了典型殼段加工智能生產(chǎn)線的建設思路以及部分關鍵技術，并提出了典型殼段加工智能生產(chǎn)線總體框架與建設方案。

殼段加工; 智能制造; 智能生產(chǎn)線; 建設方案

1 引言

伴隨載人航天、月球探測等重大工程的開展，我國航天工業(yè)重大工程型號種類和數(shù)量逐年增加、系統(tǒng)復雜程度越來越高、研制與生產(chǎn)并重形勢日益嚴峻。面對航天制造呈現(xiàn)出的研制周期短、多型號并舉、質量可靠性要求高、研制和批產(chǎn)并存等特點，傳統(tǒng)的航天研制生產(chǎn)模式已經(jīng)無法滿足生產(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，質量要求高、結構復雜、生產(chǎn)周期長，性能優(yōu)劣直接影響飛行器的性能和飛行成敗，其加工質量與效率一直制約著航天企業(yè)制造能力的提升。當前國外航空航天與軍工企業(yè)在相關制造領域均已開展智能制造能力建設，因此我國航天制造企業(yè)急需大力推進智能化制造，通過智能生產(chǎn)線建設，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)線總體建設方案

航天典型殼段產(chǎn)品結構復雜、易變形且特征集成度高，長期以來一直面臨多品種、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，通過適用于離散制造模式的殼段加工智能生產(chǎn)線的建設與探索，可提高研制快速響應速度及批產(chǎn)任務按需交付進度。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鍵技術。

在智能生產(chǎn)線物聯(lián)信息采集系統(tǒng)的構建過程中，通過信息采集系統(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，并同步實施高維異構數(shù)據(jù)處理、結構轉換、存儲與分析。在高速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的支撐下，通過互聯(lián)互通技術在智能生產(chǎn)線各系統(tǒng)之間實現(xiàn)縱向、橫向和端到端數(shù)據(jù)傳輸，同時為上下游部門提供數(shù)據(jù)服務，實現(xiàn)產(chǎn)品的狀態(tài)數(shù)據(jù)實時查詢與追蹤功能，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)通過物聯(lián)信息采集系統(tǒng)感知生產(chǎn)線運行狀態(tài)，實時學習并修正過程數(shù)據(jù)，自累積并完善工藝數(shù)據(jù)庫，在智能決策的基礎上通過致動器作用于物理世界，實施虛擬信息向現(xiàn)實世界的轉化，實現(xiàn)智能信息在整體殼段在制造過程中的成果應用[6，7]，具體智能生產(chǎn)線總體架構包括：

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)線智能工藝流程設計、智能工藝數(shù)據(jù)庫與參數(shù)自學習、殼段典型特征識別與智能工藝設計系統(tǒng)、數(shù)控加工與檢測規(guī)劃仿真、切削過程物理仿真與切削參數(shù)自動優(yōu)選等；

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

c. 智能物流：包括自動化物流倉儲系統(tǒng)、刀具管理系統(tǒng)、物料編碼自識別系統(tǒng)、物料自動配送系統(tǒng)和面向航天產(chǎn)品機加特點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程控制，智能決策包括產(chǎn)品質量分析與控制、績效分析與決策支持、過程異常預測分析與控制、設備智能維護、工藝參數(shù)優(yōu)選與自學習、數(shù)據(jù)庫優(yōu)化與自維護等；智能過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、物料自動編碼及過程質量管理與控制等[9]；

除生產(chǎn)線核心構成要素之外，智能生產(chǎn)線還包括物聯(lián)信息采集和環(huán)境基礎與標準體系，智能生產(chǎn)線還包括物聯(lián)信息采集：實現(xiàn)智能生產(chǎn)線狀態(tài)信息自感知，具備異構數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸與存儲功能，包括DNC分布式數(shù)控系統(tǒng)、MDC設備信息采集系統(tǒng)、條碼掃描識別系統(tǒng)、RFID射頻識別系統(tǒng)、PLC與傳感器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和設備故障信息監(jiān)控系統(tǒng)；智能制造環(huán)境基礎與標準體系：環(huán)境基礎包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、高性能計算平臺、數(shù)據(jù)庫、信息安全、監(jiān)控體系等，標準體系包括模型標準、質量體系標準、評價體系標準、評價體系標準、流程標準、數(shù)據(jù)標準、通信協(xié)議標準和關鍵技術標準等。

3 殼段加工智能生產(chǎn)線關鍵技術

3.1 智能工藝技術

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

具體系統(tǒng)架構主要分為4個層面：最底層為支撐環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)軟硬件等；數(shù)據(jù)模型層是生產(chǎn)線工藝信息庫包括數(shù)控機床信息、刀具信息、材料信息、工藝實例庫以及挖掘獲得的工藝知識模型庫等；業(yè)務邏輯層是系統(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、工藝知識模型挖掘、工藝推理約束設置、工藝知識模型推理、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代碼進行加工仿真，并將最終修正的NC代碼錄入到工藝信息庫中。系統(tǒng)應用層是提供給用戶的功能集合，包括零部件特征管理、工藝實例管理、工藝知識模型管理、工藝推理和工藝仿真5大功能區(qū)。

3.2 智能裝備技術

智能裝備的關鍵是智能化，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)化加工過程；能夠自行度量工作（輸出）的質量；能夠不斷持續(xù)學習和提高自己的能力。

3.2.1 多維感知的數(shù)控裝備智能制造技術

智能機床的智能化功能主要包括：智能化恒負載控制功能，對機床的負載、主軸功率等監(jiān)控，實時調(diào)整切削參數(shù)，獲得最大切削效率和恒定機床負載；智能化振動防止功能，動態(tài)振動控制可大幅度抑制機床高速切削過程中的振動影響，實現(xiàn)高速高精度加工；智能化熱位移補償功能，對熱位移進行高精度補償，獲得長期穩(wěn)定的加工精度。

圖2 恒切削力自適應控制系統(tǒng)示意圖

具體智能化恒負載控制功能原理如圖2所示，通過該技術可有效提高數(shù)控設備切削效率，降低刀具、工具和機床的損壞，同時監(jiān)測刀具磨損，提高刀具利用率，并實時監(jiān)測整個加工過程。

3.2.2 面向典型殼段的自動檢測與自適應補償加工技術

典型殼段內(nèi)型復雜，尺寸要求高，精加工試切后，需人工測量尺寸，人工調(diào)整刀具或坐標系，補償加工保證尺寸。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，造成質量問題。通過在線測量補償加工技術可實現(xiàn)自動找正、自動對刀、產(chǎn)品測量、補償加工自動化，降低人為干預率，提高工序節(jié)拍量化程度，有效保障智能生產(chǎn)線運行效果，在殼段生產(chǎn)過程中主要涉及網(wǎng)格壁厚自動測量與補償加工技術和形位尺寸測量與自適應補償加工技術。

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

圖3 測厚補償流程圖

3.3 智能物流技術

3.3.1 物料智能存儲與感知技術

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

a. 倉儲資源優(yōu)化整合

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

b. 呆滯物料處理

對現(xiàn)有倉庫內(nèi)的呆滯物料（主要為中心倉庫的采購件）進行處理，對已經(jīng)不能滿足現(xiàn)用需求的物料，根據(jù)相應的物料處理辦法清理出庫，為其它物料存儲騰出可用空間。

c. 改善庫存水平

建立庫存感知決策系統(tǒng)，統(tǒng)計庫存與物料過程信息，通過數(shù)據(jù)決策優(yōu)化改善庫存水平，提升庫存質量，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庫及時響應生產(chǎn)現(xiàn)場需求，縮短物料配送準備時間，降低安全庫存，對制造資源存儲狀態(tài)提前預警。

3.3.2 物料編碼與智能配送技術

殼段加工生產(chǎn)線所用制造資源種類繁多，通過物料編碼與信息智能關聯(lián)，可實現(xiàn)智能生產(chǎn)線所有制造資源信息快速編碼與過程數(shù)據(jù)關聯(lián)。同時在基于簡單的物流配送路徑規(guī)劃基礎上，構建模糊工位預約時間條件下的多目標數(shù)學規(guī)劃模型，在模糊工位預約時間窗上進行改進，縮小時間窗以保證工位物料配送的最低滿意度。

通過生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)與現(xiàn)場物流自動配送，可實現(xiàn)生產(chǎn)線物料按需配送、過程追蹤、預警以及線內(nèi)全生命周期管理，提升物流配送效率，降低生產(chǎn)等待時間。

3.4 智能管控技術

生產(chǎn)線智能控制執(zhí)行的總體架構主要由生產(chǎn)線物理信息分系統(tǒng)集成、基于過程數(shù)據(jù)的虛擬單元重構、過程數(shù)據(jù)自學習與智能排產(chǎn)以及智能制造執(zhí)行系統(tǒng)組成，其中單元重構和智能排產(chǎn)通過專家?guī)?、知識推理和算法優(yōu)化等方法輸出優(yōu)化排產(chǎn)計劃；虛擬可視化仿真系統(tǒng)負責生產(chǎn)方案性能分析和結果回饋，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)線預設運行閾值與指標；智能制造執(zhí)行系統(tǒng)負責指令分解下發(fā)、過程信息采集以及制造過程數(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，以及控制質量下發(fā)與反饋功能，是殼段加工智能生產(chǎn)線精準執(zhí)行的動作器和關鍵環(huán)節(jié)。

3.4.1 基于過程數(shù)據(jù)的虛擬單元重構技術

虛擬制造單元重構是根據(jù)制造任務迅速整合各種資源，對制造單元進行重新組態(tài)的過程。重構過程可分為產(chǎn)品族聚類、生成虛擬訂單、單元組態(tài)分析、單元重構等步驟。通過該技術可根據(jù)生產(chǎn)任務特點及生產(chǎn)線資源狀態(tài)、制造能力等信息，進行虛擬單元快速重構，從而提高生產(chǎn)線柔性，快速擴展生產(chǎn)能力。

3.4.2 過程數(shù)據(jù)自學習與智能排產(chǎn)技術

由于生產(chǎn)作業(yè)、機器與資源之間緊密耦合，生產(chǎn)線處在自組織臨界狀態(tài)，動態(tài)事件的發(fā)生會導致不同規(guī)模的生產(chǎn)癱瘓。通過在過程數(shù)據(jù)自學習的基礎上探索重調(diào)度與逆調(diào)度的適用規(guī)律，以柔性工藝、預估加工時間和設備狀態(tài)為輸入，構建重調(diào)度-逆調(diào)度的混合生產(chǎn)線動態(tài)調(diào)度模型，形成生產(chǎn)線管控系統(tǒng)的性能指標與約束機制，有效規(guī)避動態(tài)事件導致的生產(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、質量管理、生產(chǎn)管理、數(shù)控傳輸?shù)然A上，集成了高級排產(chǎn)和過程虛擬仿真優(yōu)化功能，具備基于數(shù)據(jù)感知的業(yè)務流程智能優(yōu)化與精準控制自執(zhí)行能力，可通過虛擬仿真系統(tǒng)預測執(zhí)行結果并實時修正控制指令，使整個生產(chǎn)線智能控制執(zhí)行系統(tǒng)達到最佳執(zhí)行狀態(tài)。

4 結束語

本文針對航天典型殼段產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程，在現(xiàn)有數(shù)字化與網(wǎng)絡化基礎之上，依托智能工藝、智能裝備、智能物流、智能管控等關鍵技術，對典型殼段智能加工生產(chǎn)線建設總體方案進行了探索。通過對各關鍵技術研究以及相關系統(tǒng)信息融合與集成，可提升制造過程動態(tài)管控一體化能力，實現(xiàn)過程制造的自感知、自學習、自決策與自控制，有效提升航天產(chǎn)品核心結構件的加工質量和制造效率，同時，探索了智能制造應用模式，對推動智能工廠落地，促進企業(yè)轉型升級具有重大意義。

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9 陳容，陳映波. 基于CPS的智能控制生產(chǎn)線框架設計[J]. 電子設計工程，2017，25(11)：97～101

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