智能制造是全球制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，智能制造系統(tǒng)作為智能制造技術(shù)的集成應(yīng)用環(huán)境，目前已成為主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家提早布局的重點(diǎn)。德國(guó)提出“工業(yè)4.0”概念，美國(guó)也推出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)企業(yè)等類似概念，其主要特征都是智能和物聯(lián)。根據(jù)德國(guó)“工業(yè)4.0”描繪的美好前景，在現(xiàn)代智能機(jī)器人、傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力成熟后，現(xiàn)有工廠將能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把供應(yīng)鏈、生產(chǎn)過(guò)程和倉(cāng)儲(chǔ)物流智能連接起來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程全自動(dòng)化、產(chǎn)品個(gè)性化、管理智能化。
工業(yè)4.0描述的智能工廠系統(tǒng)完全不同于傳統(tǒng)的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)，智能工廠采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)層面使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；在控制級(jí)采用信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）技術(shù)；上層的監(jiān)控管理層級(jí)連接到安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)，采用服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的方式提供服務(wù)。
我國(guó)制造業(yè)也將智能制造作為新一輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革的主要方向，致力于構(gòu)建自己的智能制造產(chǎn)業(yè)體系。智能裝備、智能工廠等未來(lái)生產(chǎn)手段和方式將廣泛替代傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。建立符合航空產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn)的智能車間/生產(chǎn)線，可以有效提升產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，并滿足多品種、小批量、柔性化生產(chǎn)需求。
生產(chǎn)線概述
生產(chǎn)線是按對(duì)象原則組織起來(lái)，完成產(chǎn)品工藝過(guò)程的一種生產(chǎn)組織形式。隨著產(chǎn)品制造精度、質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)柔性化的要求不斷提高，制造生產(chǎn)線正在向著自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。生產(chǎn)線的自動(dòng)化是通過(guò)機(jī)器代替人參與勞動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的；生產(chǎn)線的數(shù)字化主要解決制造數(shù)據(jù)的精確表達(dá)和數(shù)字量傳遞，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的精確控制和流程的可追溯；智能化解決機(jī)器代替或輔助人類進(jìn)行生產(chǎn)決策，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的預(yù)測(cè)、自主控制和優(yōu)化。
產(chǎn)品制造過(guò)程涉及物料、能源、軟硬件設(shè)備、人員以及相關(guān)設(shè)計(jì)方法、加工工藝、生產(chǎn)調(diào)度、系統(tǒng)維護(hù)、管理規(guī)范等。生產(chǎn)線配備的工藝裝備與生產(chǎn)的工藝要求相關(guān)，通常有加工設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、倉(cāng)儲(chǔ)和物料運(yùn)送設(shè)備，以及各種輔助設(shè)備和工具。自動(dòng)化生產(chǎn)線需配備機(jī)床上下料裝置、傳送裝置和儲(chǔ)料裝置以及相關(guān)控制系統(tǒng)。在人工智能技術(shù)的支持下，通過(guò)提升信息系統(tǒng)與物理制造過(guò)程的交互程度，形成智能化生產(chǎn)線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝和生產(chǎn)過(guò)程持續(xù)優(yōu)化、信息實(shí)時(shí)采集和全面監(jiān)控的柔性化可配置，是制造業(yè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
航空生產(chǎn)線主要按專業(yè)劃分并組織生產(chǎn)，分為機(jī)加生產(chǎn)線、裝配生產(chǎn)線、鈑金生產(chǎn)線、復(fù)材生產(chǎn)線等，目前不管是工藝方法、工藝裝備還是信息化環(huán)境等都與智能化存在較大差距。主要表現(xiàn)在:工藝方法存在經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)現(xiàn)象，熱成形、塑性變形、切削加工等制造過(guò)程中工藝方法和工藝參數(shù)的選擇以經(jīng)驗(yàn)為主，仿真計(jì)算的能力和工程化水平較低；工藝裝備的傳感器部署和智能決策規(guī)則尚不健全，不具備工況的感知和實(shí)時(shí)處理能力；機(jī)器人的集成應(yīng)用水平低，大量危險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作仍然由人完成；生產(chǎn)管控能力不足，導(dǎo)致生產(chǎn)線柔性不足、整體運(yùn)行效率低下。
智能生產(chǎn)線架構(gòu)
與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比，智能生產(chǎn)線的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在感知、互聯(lián)和智能3個(gè)方面。感知指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各種不同類型數(shù)據(jù)的感知和采集，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控；互聯(lián)指生產(chǎn)線所涉及的產(chǎn)品、工具、設(shè)備、人員互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合與交換；智能指在大數(shù)據(jù)和人工智能的支持下，實(shí)現(xiàn)制造全流程的狀態(tài)預(yù)知和優(yōu)化。
建設(shè)智能生產(chǎn)線需實(shí)現(xiàn)工藝的智能化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程的智能化管理、物料的智能化儲(chǔ)運(yùn)、加工設(shè)備的智能化監(jiān)控等。圖1為智能生產(chǎn)線方案架構(gòu)的示意圖。智能生產(chǎn)線由3層架構(gòu)組成，制造數(shù)據(jù)準(zhǔn)備層實(shí)現(xiàn)基于仿真優(yōu)化和制造反饋的工藝設(shè)計(jì)和持續(xù)優(yōu)化，主要針對(duì)制造過(guò)程的工藝、工裝和檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)劃并形成制造執(zhí)行指令；優(yōu)化與執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)管控，包括排產(chǎn)優(yōu)化、生產(chǎn)過(guò)程的集成控制、在線測(cè)量與質(zhì)量管理以及物料的儲(chǔ)運(yùn)管理；網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)化層實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線自動(dòng)化和智能化設(shè)備的運(yùn)行控制、互聯(lián)互通以及制造信息的感知和采集；基礎(chǔ)平臺(tái)的核心是提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一致性管理，各層級(jí)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)集成及設(shè)備自動(dòng)化集成；使能技術(shù)指支撐智能生產(chǎn)線建設(shè)和智能化運(yùn)行的使能基礎(chǔ)技術(shù)；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是構(gòu)建智能生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行環(huán)境的關(guān)鍵，基于該技術(shù)構(gòu)建的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、工具的互聯(lián)互通，并提供網(wǎng)絡(luò)化的信息感知和實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控環(huán)境；大數(shù)據(jù)技術(shù)用于對(duì)制造過(guò)程產(chǎn)生的海量制造數(shù)據(jù)的提取、歸納、分析，形成一套知識(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，指導(dǎo)制造工藝和生產(chǎn)過(guò)程的持續(xù)優(yōu)化；智能分析基于工藝知識(shí)、管控規(guī)則分析，監(jiān)控來(lái)自工藝、生產(chǎn)和設(shè)備層級(jí)的問(wèn)題，進(jìn)行預(yù)測(cè)、診斷和優(yōu)化決策。
圖1 智能生產(chǎn)線方案架構(gòu)
智能生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)
智能制造的核心是信息物理融合（CPS）技術(shù)，其中的“信息”指算法、3D模型、仿真模型、工藝指令等能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)和收集到的數(shù)據(jù)和信息，其中的 “物理”指在生產(chǎn)系統(tǒng)中的人、自動(dòng)化模塊、物料等物理工具和設(shè)施。智能制造的目的就是要為制造系統(tǒng)構(gòu)建完整的生產(chǎn)與信息的回路，使得制造系統(tǒng)具有自我學(xué)習(xí)、自我診斷、自主決策等智能化的行為和能力。
智能生產(chǎn)線將先進(jìn)工藝技術(shù)、先進(jìn)管理理念集成融合到生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的工藝和生產(chǎn)過(guò)程全面優(yōu)化、基于模型的產(chǎn)品全過(guò)程數(shù)字化制造以及基于信息流物流集成的智能化生產(chǎn)管控，以提高車間/生產(chǎn)線運(yùn)行效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。實(shí)施智能生產(chǎn)線，需要解決生產(chǎn)線規(guī)劃、工藝優(yōu)化、生產(chǎn)線智能管控、裝備智能化和生產(chǎn)線的智能維護(hù)保障等關(guān)鍵技術(shù)。
1 生產(chǎn)線建模仿真技術(shù)
生產(chǎn)線作為一種特殊的產(chǎn)品，也有自己的生命周期，包括設(shè)計(jì)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)和報(bào)廢。其中生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)規(guī)劃直接關(guān)系到后續(xù)生產(chǎn)線的運(yùn)行能效。在生產(chǎn)線規(guī)劃時(shí)，應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品對(duì)象的工藝要求進(jìn)行相關(guān)設(shè)備、物流及各種輔助設(shè)施的規(guī)劃建模與模擬運(yùn)行，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)流程、每臺(tái)設(shè)備的利用率、生產(chǎn)瓶頸等進(jìn)行分析評(píng)估。生產(chǎn)線建模的細(xì)化程度、每道工序的時(shí)間估算、裝夾等人力時(shí)間的計(jì)算以及物料工具的配送方式等都影響仿真評(píng)估的結(jié)果。
2 基于仿真計(jì)算和制造反饋的工藝設(shè)計(jì)技術(shù)
航空產(chǎn)品的加工和成形工藝復(fù)雜，工藝技術(shù)的改進(jìn)及工藝參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于產(chǎn)品的制造精度和質(zhì)量穩(wěn)定性有決定性作用。在產(chǎn)品試制階段進(jìn)行工藝、工裝、檢驗(yàn)的規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，大量工藝參數(shù)和變形補(bǔ)償基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和工藝試驗(yàn)來(lái)確定，造成研制周期長(zhǎng)、成本高昂、質(zhì)量穩(wěn)定性差等問(wèn)題。究其原因，一方面，產(chǎn)品制造工藝過(guò)程的幾何仿真及物理仿真技術(shù)還不能滿足工程應(yīng)用；另一方面，沒(méi)有對(duì)制造過(guò)程的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析和提煉，工藝經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和決策規(guī)則不成體系、碎片化，不足以支持工藝的智能化設(shè)計(jì)過(guò)程。基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、仿真計(jì)算和制造反饋的工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，可提高工藝設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度，降低人為因素的影響，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)范程度和設(shè)計(jì)效率，并形成持續(xù)改進(jìn)的工藝優(yōu)化機(jī)制。
3 生產(chǎn)線的智能化管控技術(shù)
智能化生產(chǎn)線的運(yùn)行具有柔性化、自適應(yīng)、自決策等特點(diǎn)，生產(chǎn)線的智能化管控包括智能排產(chǎn)、物料工具的自動(dòng)配送、制造指令的即時(shí)推送、制造過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集處理等。支持智能化生產(chǎn)的決策規(guī)則的定義、決策依據(jù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)采集是智能化生產(chǎn)線正常運(yùn)行的基礎(chǔ)；基于生產(chǎn)線資源占用情況、生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行反饋情況以及生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整而進(jìn)行的動(dòng)態(tài)化生產(chǎn)調(diào)度排產(chǎn)是保證生產(chǎn)線正常運(yùn)行的前提。對(duì)于自動(dòng)化程度較高的生產(chǎn)線，生產(chǎn)過(guò)程中人機(jī)的協(xié)同，如物料的配送、裝夾、工序檢驗(yàn)等這些可能的人工環(huán)節(jié)與設(shè)備自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)的協(xié)同與集成是保證準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的關(guān)鍵，而生產(chǎn)環(huán)節(jié)的防錯(cuò)及質(zhì)量保證措施，在線檢測(cè)的智能化、檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集處理等措施可以有效提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量。生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料、人員、設(shè)備、工具的集成運(yùn)行與信息流、物流的融合，還要實(shí)現(xiàn)與車間級(jí)信息系統(tǒng)、企業(yè)級(jí)信息系統(tǒng)的信息交互與集成。
4 工藝裝備的智能化技術(shù)
智能裝備的特點(diǎn)是將專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)融合到生產(chǎn)制造過(guò)程中。工藝裝備不僅本身需要具備感知決策和精準(zhǔn)執(zhí)行能力，同時(shí)工藝裝備的智能化集成應(yīng)用水平也有著舉足輕重的作用。深度感知是裝備智能化的首要條件，基于感知信息的分析決策是體現(xiàn)裝備智能化的關(guān)鍵，而支持分析決策過(guò)程的計(jì)算、推理、判斷和人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)等密不可分；基于感知、決策、執(zhí)行的閉環(huán)控制單元技術(shù)是信息物理系統(tǒng)的精髓。面向航空產(chǎn)品特定需求開(kāi)發(fā)研制智能化工藝裝備，需要在理清應(yīng)用環(huán)境、產(chǎn)品對(duì)象、工藝特點(diǎn)等的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地研究傳感器部署方案、感知數(shù)據(jù)的采集方案、分析決策機(jī)制的構(gòu)架方法、反饋執(zhí)行的精準(zhǔn)和即時(shí)性等。
5 生產(chǎn)線的維護(hù)保障技術(shù)
先進(jìn)的生產(chǎn)線維護(hù)保障技術(shù)是降低制造成本、增加效益的最直接、最有效的途徑。對(duì)于集成度和產(chǎn)能要求更高的智能生產(chǎn)線，單點(diǎn)的故障和意外停機(jī)有可能導(dǎo)致生產(chǎn)線的整體癱瘓，所以智能化維護(hù)技術(shù)是未來(lái)發(fā)展制造服務(wù)業(yè)的重要方向。生產(chǎn)線的維護(hù)保障包括針對(duì)單臺(tái)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、故障診斷與預(yù)警，也包括針對(duì)生產(chǎn)線的整體運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)、分析、優(yōu)化等。
與傳統(tǒng)維護(hù)維修方法相比，智 能維護(hù)是一種主動(dòng)的按需監(jiān)測(cè)維護(hù)模式，需要重點(diǎn)解決信息分析及性能衰減的智能預(yù)測(cè)及維護(hù)優(yōu)化問(wèn)題。因此，按需的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)維護(hù)機(jī)制和決策支持知識(shí)庫(kù)是生產(chǎn)線維護(hù)保障的基礎(chǔ)技術(shù)。
開(kāi)展生產(chǎn)線維護(hù)保障技術(shù)的研究，除了降低運(yùn)行故障率，同時(shí)也可以對(duì)生產(chǎn)線上每臺(tái)設(shè)備的使用效率、生產(chǎn)線的瓶頸進(jìn)行分析，達(dá)到提升生產(chǎn)線綜合運(yùn)行效率的目的。
結(jié)束語(yǔ)
實(shí)施智能生產(chǎn)線，需要在借鑒國(guó)外智能制造先進(jìn)理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)航空制造業(yè)現(xiàn)狀，深入開(kāi)展中航特色的智能生產(chǎn)線體系架構(gòu)和運(yùn)行模式的研究。
航空智能生產(chǎn)線的建設(shè)既要有專業(yè)特色又要有一定的產(chǎn)品針對(duì)性，智能生產(chǎn)線的建設(shè)應(yīng)以需求牽引，不能盲目追求全自動(dòng)化和智能化。物料跟蹤、適應(yīng)性加工、拉式生產(chǎn)、在線檢測(cè)、誤差補(bǔ)償、成形過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)和工藝優(yōu)化、動(dòng)態(tài)生產(chǎn)管控等將是智能生產(chǎn)線的建設(shè)重點(diǎn)，需根據(jù)實(shí)際情況有所側(cè)重。
實(shí)施智能生產(chǎn)線應(yīng)首先突破共性關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小范圍示范應(yīng)用，然后逐步推廣。
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