黃 偉 許艾明 黎小華 彭 雨 高 鑫 陳 林

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司,四川 成都 610091)

近年來，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動傳統(tǒng)的制造模式向服務(wù)化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展[1]?！爸袊圃?025”強調(diào)以智能制造為突破口[2]，加快信息技術(shù)與制造技術(shù)、產(chǎn)品、裝備融合創(chuàng)新，推廣智能工廠和智能制造模式[3-6]。對于制造企業(yè)而言，數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展是新一輪工業(yè)革命的核心[7-9]，數(shù)字化智能化工藝是智能制造關(guān)鍵內(nèi)容，是助推中國智能制造戰(zhàn)略落地的核心技術(shù)[10]。在社會化大協(xié)同的大背景下，讓廣泛的社會優(yōu)勢資源和先進工藝能力能夠通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺參與到各類型號研制，有利于提升型號研制生產(chǎn)的效率；同時讓國防軍工企業(yè)的先進制造技術(shù)能夠向社會輸出，也有利于提升社會制造水平。

目前制造企業(yè)之間封閉離散型的工藝研發(fā)模式，存在工藝知識共享難、工藝技術(shù)研發(fā)重復(fù)性勞動大、核心能力難以創(chuàng)造更大價值等突出問題，嚴重制約社會工藝設(shè)計的成本、效率，在社會化協(xié)作的大背景下，也難以支撐國家重點型號研制。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合制造業(yè)社會化協(xié)作的發(fā)展趨勢，創(chuàng)新工藝設(shè)計工作模式，充分發(fā)揮社會資源優(yōu)勢，在解決自身工藝設(shè)計能力瓶頸的同時提升行業(yè)工藝設(shè)計水平，已經(jīng)成為當前行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實需求。

張定華等[11]針對航空復(fù)雜薄壁零件建模難度大問題，建立零件加工過程4維多態(tài)模型實現(xiàn)加工過程閉環(huán)控制和非線性差建模。Cao X等[12]針對現(xiàn)有加工仿真系統(tǒng)都是離線模式問題，提出了一種基于數(shù)字孿生的加工仿真系統(tǒng)。Yang Y等[13]為提高數(shù)控機床智能化程度，構(gòu)建了數(shù)控加工工藝方法知識庫以支撐工藝規(guī)劃決策。劉濤等[14]在分析云制造模式下凸輪軸磨削加工特征和工藝智能決策需求的基礎(chǔ)上，搭建了面向凸輪軸磨削加工的智能決策云服務(wù)平臺。韋濤等[15]針對航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工向云制造模式轉(zhuǎn)變的迫切需求，提出了一種面向零件加工過程的云制造服務(wù)生成方法。張霖等[16]面向復(fù)雜零件數(shù)控加工過程進行云制造服務(wù)組合優(yōu)化，提出了一種面向零件加工過程的云制造服務(wù)選取方法。楊琛等[17]針對起重機制造企業(yè)柔性制造能力、協(xié)同制造能力提升的現(xiàn)實需求，構(gòu)建了面向起重機企業(yè)的云制造服務(wù)平臺。Wang Y等[18]針對增材制造過程中云平臺對產(chǎn)品開發(fā)過程支持能力有限問題，構(gòu)建了一個面向設(shè)計、工藝規(guī)劃、打印全過程的物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

上述成果主要從工藝優(yōu)化、云制造模式、平臺支撐等方面解決制造企業(yè)內(nèi)部問題，側(cè)重零件加工制造過程單點技術(shù)突破。航空結(jié)構(gòu)件作為復(fù)雜航空裝備的重要組成部分[19]，在社會化協(xié)同背景下，如何整合復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件制造過程的社會優(yōu)勢資源和先進工藝能力方面的研究成果較少。為此，本文針對行業(yè)工藝技術(shù)現(xiàn)狀及痛點問題，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的背景和機遇下， 提出了一種基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能工藝應(yīng)用新模式，構(gòu)建了面向航空結(jié)構(gòu)件制造的智能工藝云平臺，一方面將先進企業(yè)內(nèi)部的先進工藝核心能力開放給社會，使先進的工藝工具、方法、知識得到高效利用，產(chǎn)生更多價值，促進整體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展；另一方面構(gòu)建良好工藝產(chǎn)業(yè)生態(tài)，打破信息壁壘，促進制造企業(yè)、工藝人員、團體、研究機構(gòu)等行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈各主體的協(xié)同工作，增進未來跨行業(yè)、跨地區(qū)的互動合作。

1 面向智能工藝的云平臺架構(gòu)

智能工藝云是通過云平臺將企業(yè)先進工藝工具、方法、知識進行開放共享，實現(xiàn)社會優(yōu)勢工藝資源整合，進而提高產(chǎn)業(yè)鏈整體工藝水平和產(chǎn)品研制效率。本文主要以航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工智能工藝為核心，構(gòu)建了面向航空結(jié)構(gòu)件制造的智能工藝云平臺。如圖1所示，智能工藝云平臺的用戶主要包括三類，即工藝云運營者、資源供應(yīng)者和資源需求者，其中云平臺運營者主要負責平臺的運行與維護，在基礎(chǔ)云服務(wù)基礎(chǔ)上集成先進工藝設(shè)計工具、二次開發(fā)環(huán)境，為從用戶提供高安全、高可靠和高易用的工藝云平臺；資源供應(yīng)者是工藝設(shè)計工具、方法和知識提供者，可以將其已有的工藝資源按照云平臺標準格式要求接入，為供應(yīng)者提供資源獲取收益，同時也豐富了云平臺功能服務(wù)，也有助于構(gòu)建行業(yè)工藝生態(tài)和資源聚集；資源需求者是工藝設(shè)計工具、方法、知識使用者，通過云平臺發(fā)布工藝需求，獲取有效資源，并通過平臺向供應(yīng)者支付報酬。

如圖2所示，智能工藝云平臺能夠?qū)涌蛻粜枨?，對系統(tǒng)中用戶可見的服務(wù)納入統(tǒng)一的資源池管理，為用戶提供一體化的服務(wù)資源管理和服務(wù)接口，用戶可以通過服務(wù)目錄自動化獲取相應(yīng)的服務(wù)，得到全套工藝解決方案。平臺采用多重租賃技術(shù)，實現(xiàn)了在多用戶的環(huán)境下共用相同的系統(tǒng)或者程序組件，確保各個用戶數(shù)據(jù)的隔離性。云端計算資源池化，以便通過多租戶形式共享給多個客戶，能根據(jù)消費者的需求動態(tài)分配或再分配各種物理的和虛擬的資源。此外，平臺面向社會工藝資源和工藝需求，利用平臺的工藝工具APP和工藝知識資源，為兩者提供自發(fā)匹配的環(huán)境和資源。平臺作為工藝方案和工藝數(shù)據(jù)共享平臺和資源沉淀池，實現(xiàn)了已有工藝數(shù)據(jù)資源的最大化應(yīng)用。平臺將數(shù)控加工的工藝流程拆分為許多應(yīng)用服務(wù)，不同用戶可以根據(jù)自身實際情況進行組合，同時還可以根據(jù)需要對具體服務(wù)進行定制，在平臺上進行二次開發(fā)。采用以數(shù)據(jù)安全為核心的思路設(shè)計云平臺的信息安全防護體系。分析數(shù)據(jù)的全生命周期流程，面向數(shù)據(jù)生成環(huán)境，針對每個運行環(huán)境環(huán)節(jié)設(shè)計防護措施，最終形成完整的信息安全防護體系。

如圖3所示，面向航空結(jié)構(gòu)件制造的智能工藝云平臺主要包括云基礎(chǔ)服務(wù)層(IAAS)、開發(fā)服務(wù)層(PAAS)和應(yīng)用服務(wù)層(SAAS)，其中云基礎(chǔ)服務(wù)為開發(fā)云服務(wù)的提供基礎(chǔ)支撐平臺，為智能工藝云平臺提供WEB服務(wù)組件、數(shù)據(jù)服務(wù)組件、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件、運營服務(wù)組件及安全服務(wù)組件；開發(fā)云服務(wù)作為應(yīng)用服務(wù)的功能開發(fā)與測試、服務(wù)發(fā)布與部署、運行監(jiān)控與基礎(chǔ)引擎、外部系統(tǒng)交換的統(tǒng)一管理平臺，實現(xiàn)當前規(guī)劃模塊功能，支持未來模塊擴展及外部開發(fā)主體協(xié)同開發(fā)與功能發(fā)布；應(yīng)用服務(wù)層主要包括工藝設(shè)計核心應(yīng)用服務(wù)、平臺擴展應(yīng)用服務(wù)和平臺支撐服務(wù)，主要通過服務(wù)開放能力平臺為客戶提供服務(wù)。

2 智能化工藝云端整體集成服務(wù)

對于大型復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計而言，從單個維度無法實現(xiàn)最優(yōu)效果，工藝人員需要在不同工藝設(shè)計系統(tǒng)之間進行反復(fù)切換，影響工作效率。如圖4所示，通過云平臺的建設(shè)，可對原有各個單點應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)用集成，為用戶提供單點技術(shù)解決方案和集成解決方案。

2.1 基于特征的智能數(shù)控程編服務(wù)

以航空結(jié)構(gòu)件所包含的典型加工特征為基礎(chǔ)，運用特征自動識別、智能工藝決策，結(jié)合刀軌優(yōu)化思想，形成了航空結(jié)構(gòu)件智能程編服務(wù)，實現(xiàn)程編技術(shù)方案智能化生成。

2.2 通用后置處理服務(wù)

以構(gòu)建的通用軟件架構(gòu)和數(shù)學模型為基礎(chǔ)，根據(jù)不同格式的前置文件和機床，研究出不同的數(shù)學計算模型和軟件實現(xiàn)算法，獲得相應(yīng)的NC代碼、工具資源和切削時間等信息，并在通用平臺上實現(xiàn)快速擴展能力，針對后置NC代碼在計算過程中面臨的奇異區(qū)域等問題，采用NC代碼優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)NC代碼優(yōu)化方案輸出。

2.3 一鍵式仿真服務(wù)

通過研究工序間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，制定了數(shù)控程編規(guī)則，實現(xiàn)數(shù)控程編規(guī)則輸出；通過研究零件、工裝自動定位和轉(zhuǎn)換方法，完成仿真環(huán)境的自動建立，實現(xiàn)仿真環(huán)境方案輸出；通過制定仿真機床建立規(guī)則和刀具自動創(chuàng)建技術(shù)，建立了統(tǒng)一的仿真機床數(shù)據(jù)庫和仿真刀具庫，實現(xiàn)數(shù)控加工過程資源信息匹配和檢測方案的輸出。

2.4 智能化工藝集成云平臺

智能化工藝集成云平臺以智能程編系統(tǒng)為集成平臺，對數(shù)控程編、后置處理和仿真等服務(wù)進行有序集成，搭建高效的數(shù)字化工藝支撐環(huán)境，使系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換和配置自動化。如圖6所示，集成后，該平臺可針對用戶需求在工藝準備階段提供工藝知識重用、工藝工具APP服務(wù)，在工藝執(zhí)行階段通過機床監(jiān)控入云實現(xiàn)加工過程實時監(jiān)控、支撐工藝優(yōu)化改進，推動實現(xiàn)工藝的全流程閉環(huán)控制。

3 云端工藝眾智創(chuàng)客空間

智能工藝云平臺的關(guān)鍵就是實現(xiàn)工藝資源的開放共享。通過建立工藝交易平臺，實現(xiàn)工藝需求對接，保證交易安全、正常完成。如圖7所示，智能工藝云的云端工藝眾智創(chuàng)客空間主要包括用戶需求交互、相似方案匹配、工藝知識共享、工藝資源推送、解決方案設(shè)計及評價機制建立等功能，一方面通過眾智眾創(chuàng)，充分調(diào)動行業(yè)工藝技術(shù)資源，提升工藝研制效率，實現(xiàn)行業(yè)工藝知識共享和社會工藝資源的優(yōu)化配置；另一方面，以平臺化的方式將先進的工藝質(zhì)量控制經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為面向工藝全過程的閉環(huán)質(zhì)量控制體系，支撐工藝設(shè)計、優(yōu)化、執(zhí)行全過程的質(zhì)量提升。

4 案例介紹

智能化工藝相關(guān)技術(shù)不僅可以提升零件工藝設(shè)計質(zhì)量，進而減少零件不合格率，還可以提升零件加工效率。其中特征程編服務(wù)和一鍵式仿真服務(wù)可有效減少工藝員在零件程編中的重復(fù)勞動，對提高零件數(shù)控程編的效率和質(zhì)量具有重要作用；后置處理服務(wù)可適用于不同的機床類型，并針對機床特殊功能進行深度快速定制，將數(shù)字化工藝融入到后置處理中，使數(shù)控程序能夠更好地匹配機床的最佳性能。智能工藝云通過云平臺的方式將先進企業(yè)內(nèi)部的先進工藝核心能力開放給社會，一方面可以使先進的工藝工具、方法、知識得到高效利用，產(chǎn)生更多價值，另一方面可以構(gòu)建良好的工藝產(chǎn)業(yè)生態(tài)，打破信息壁壘，促進等行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈各主體的協(xié)同工作，提升行業(yè)整體工藝研制效率。

目前，智能化工藝相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)通過平臺在航空結(jié)構(gòu)件制造供應(yīng)商中進行推廣，形成技術(shù)輻射，如圖8所示。另外，基于特征的智能編程服務(wù)、基于通用后置處理技術(shù)的定制化軟件服務(wù)等技術(shù)服務(wù)也在國內(nèi)外機床企業(yè)、加工制造企業(yè)獲得了應(yīng)用，如表1所示。

5 結(jié)語

面向航空結(jié)構(gòu)件制造的智能工藝云平臺能有效解決航空行業(yè)研發(fā)模式封閉、工藝知識共享難度大等行業(yè)問題，實現(xiàn)行業(yè)先進工藝能力的整合，不僅能夠顯著提升數(shù)字化工藝程序的質(zhì)量和效率，也可作為企業(yè)工藝知識的載體，有效促進工藝知識積累和繼承、提升協(xié)同制造能力、縮短產(chǎn)品制造周期。本文以此重點探討了智能工藝云構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)，包括面向智能工藝的云平臺架構(gòu)、智能化工藝云端整體集成服務(wù)和云端工藝眾智創(chuàng)客空間，通過案例介紹驗證了該平臺的實用性，也為其他行業(yè)工藝能力共享和工藝產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建提供參考。

表1 智能工藝云平臺應(yīng)用案例

目前智能工藝云平臺已在企業(yè)供應(yīng)鏈上下游企業(yè)進行了推廣，下一步將結(jié)合航空制造特點，將研究復(fù)雜航空裝備制造場景下的典型工藝知識標準化上云問題，為社會化大協(xié)同背景下的航空制造企業(yè)賦能，同時也提高智能工藝云平臺的完備性。