1、 飛機裝配智能制造是將物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術引入到飛機裝配的設計、生產、管理和服務中。建立飛機智能裝配體系,將有效提升飛機裝配系統的的自感知、自診斷、自優化、自決策和自執行能力。飛機智能裝配技術的應用,對打造高度智能化、柔性化的飛機智能裝配車間,建立航空智能制造工廠,全面提升航空制造業的整體水平具有重要的意義。中航工業江西洪都航空工業集團有限責任公司 宋利康 鄭堂介南京航空航天大學機電學院 黃少華 郭 宇南昌航空大學航空制造工程學院 朱永國飛機裝配智能制造體系構建及關鍵技術*Aircraft Intelligent Assembly Manufacture System Con

2、struction and ItsKey Technology業4.0”提出以信息物理系統(Cyber-Physical System為基礎的3大主題:“智能工廠”、“智能生產”和“智能物流”,其目的就是實現制造過程的智能化。而無論是德國的“工業4.0”,還是美國的“再工業化”、日本的“智能制造系統IMS”、歐盟的“IMS 2020計劃”,甚至我國提出的“中國制造2025”,這些戰略都告訴我們:隨著新一輪工業革命的到來,智能制造已成為全球制造業的發展趨勢。以飛機制造為代表的航空制造業是國家工業的尖端產業,具有技術密集度高、產業關聯范圍廣、輻射帶動效應大等特點,是國家工業發展、科技能力以及國防水

3、平的重要標志進入信息化時代,新型傳感技術、網絡技術、自動化技術、人工智能技術等先進技術的發展不斷推動著制造業生產方式的變革,以數字化為基礎的智能制造模式應運而生,也催生了以信息和知識為代表的新一代生產力,成為促進現代制造技術快速發展的關鍵因素和重要力量。2013年4月,德國政府在漢諾威工業博覽會上推出的“工業4.0”標志著新一輪工業革命的到來。德國定義的第四次工業革命是基于信息化的自動化生產,其實質是通過信息技術和制造技術深度融合使得自感知、自診斷、自優化、自決策、自執行的高度柔性生產方式成為可能。“工DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.13.040*基金項目:

4、國家科技支撐計劃(2013BAF02B00,江西省科技支撐計劃(CB201304085,20143ACE50008, 江西省自然基金(20142BAB206023, 江西省教育廳基金( GJJ14538。宋利康 工學博士,研究員級高工,中航工業江西洪都航空工業集團有限責任公司副總工程師、中國航空工業集團公司特級專家。江西省制造業信息化專家組組長、江西省計算機學會副理事長、江西省工程圖學學會副理事長、南昌航空大學兼職教授。從事飛機研制數字化技術研究,曾任L15飛機型號總信息師,先后主持國家863計劃、國防基礎科研等項目,獲多項省部級成果,2014年獲“2014全國百佳首席信息官”稱號。和綜合體現

5、。對于飛機裝配過程而言,由于其高復雜性和高精度的特點及其高質量和低周期的研制目標,對智能制造技術的應用需求已十分迫切,研究飛機裝配智能制造技術必將對飛機裝配水平的提升以及航空制造業的創新發展起到重要的推動作用。智能制造特征分析智能制造基于傳感技術、網絡技術、自動化技術、人工智能技術等先進技術,通過智能化的感知、人機交互、決策和執行,實現產品設計、生產、管理、服務等制造活動的智能化,是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成1。智能制造具有狀態感知、實時分析、自主決策、高度集成和精準執行等特征。1 狀態感知對制造車間人員、設備、工裝、物料、刀具、量具等多類制造要素進行全面感知,完成制造過

6、程中的物與物、物與人及人與人之間的廣泛關聯,是實現智能制造的基礎。針對要采集的多源制造數據,通過配置各類傳感器和無線網絡,實現物理制造資源的互聯、互感,從而確保制造過程多源信息的實時、精確和可靠獲取,智能制造系統的感知互聯覆蓋全部制造資源以及制造活動全過程。2 實時分析制造數據是進行一切決策活動和控制行為的來源和依據。基于制造過程感知技術獲得各類制造數據,對制造過程中的海量數據進行實時檢測、實時傳輸與分發、實時處理與融合等是數據可視化和數據服務的前提。因此,對制造數據進行實時分析,將多源、異構、分散的車間現場數據轉化為可用于精準執行和智能決策的可視化制造信息,是智能制造的重要組成部分,對制造過

7、程的自主決策及精準控制起著決定性的作用。3 自主決策“智能”是知識和智力的總和,知識是實現智能的基礎,智力是獲取和運用知識求解的能力。智能制造不僅僅是利用現有的知識庫指導制造行為,同時具有自學習功能,能夠在制造過程中不斷地充實制造知識庫,更重要的是還有搜集與理解制造環境信息和制造系統本身的信息,并自行分析判斷和規劃自身行為的能力。在傳統的制造系統中,人作為決策智能體具有支配各類“制造資源”的制造行為,制造設備、工裝等并不具備分析、推理、判斷、構思和決策等高級的行為能力。而智能制造系統是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化系統,其“制造資源”具有不同程度的感知、分析與決策功能,能夠擁有或

8、擴展人類智能,使人與物共同組成決策主體,促使信息物理融合系統中實現更深層次的人機交互與融合。4 高度集成在實現制造業自動化、數字化和信息化的過程中,集成已成為制造系統重要的表現形式,涵蓋了硬件設備和控制軟件的集成、研發設計和制造的集成、管理和控制的集成、產供銷的集成以及PDM/ERP/CAPP/MES等企業信息系統的綜合集成。對于智能制造而言,集成的覆蓋面更加廣泛,不僅包括制造過程硬件資源間的集成、軟件信息系統的集成,還包括面向產品研發、設計、生產、制造、運營、管理、服務等產品全生命周期所有環節的集成,以及產品制造過程中所有的行為活動、實時的制造數據、豐富的制造知識之間的集成。智能制造將所有分

9、離的制造資源、功能和信息等集成到相互關聯的、統一和協調的系統之中,使所有資源、數據、知識達到充分共享,實現集中、高效、便利的管理。5 精準執行制造活動的精準執行是實現智能制造的最終落腳點,車間制造資源的互聯感知、海量制造數據的實時采集分析、制造過程中的自主決策都是為實現智能執行服務的。數字化、自動化、柔性化的智能加工設備、測試設備、裝夾設備、儲運設備是制造執行的基礎條件和設施2,通過傳感器、RFID等獲取的制造過程實時數據是制造精準執行的來源和依據,設備運行的監測控制、制造過程的調度優化、生產物料的準確配送、產品質量的實時檢測等是制造的表現形式。制造過程的精準執行是使制造過程以及制造系統處于最

10、優效能狀態的保障,也是實現智能制造的重要體現。飛機裝配智能制造體系構建針對飛機裝配具有的裝配工藝復雜、零部件數量眾多、裝配質量和精度要求高等特點及其推進精益生產的需求,飛機智能裝配技術主要側重于面向飛機裝配智能車間的應用系統和智能裝配工具的開發和集成,以解決飛機裝配過程數字化與自動化程度低、車間管理技術手段落后等問題。以物聯網、人工智能、大數據、云計算、計算機仿真以及網絡安全等關鍵共性技術作為支撐技術,提供飛機裝配過程中的智能裝配設備、制造要素動態組網、制造信息實時采集與管理、飛機裝配過程自主決策與執行優化的集成方案,解決面向飛機裝配過程的智能技術應用集成問題,形成可擴展、可配置的“飛機智能裝

11、配”應用系統,實現飛機裝配過程和管理的自動化、數字化與可視化,從價值鏈、企業層、車間層和設備層4個層面。提升航空裝備制造系統的狀態感知、實時分析、自主決策和精準執行水平,為航空制造業推進智能制造技術奠定堅實的技術基礎。面向飛機裝配的智能制造體系如圖1所示,主要由關鍵技術支撐層、智能設備載體層、數據采集分析層、制造執行與 優化層和企業信息系統集成層構成。1 智能設備載體層智能設備載體層包括飛機智能對接平臺、智能牽引及支撐平臺、智能發動機安裝平臺、智能座椅安裝平臺、智能起落架安裝平臺、智能檢測及故障診斷系統、智能工具管理系統、智能物料配送系統和激光雷達測量系統等,為飛機的智能裝配、智能測量、智能管

12、理等提供必備設施,是飛機智能裝配的硬件載體。2 數據采集分析層數據采集分析層針對要采集的多源制造數據,通過配置符合飛機裝配需求的各類傳感器、電子標簽,實現對裝配現場制造要素的各類狀態、運行、控制等參數的采集,實現物理制造資源的互聯、互感,確保飛機裝配過程多源信息的實時、精確和可靠獲取。另外,在獲得生產過程制造數據的基礎上,將源自異構傳感器上多源、分散的現場數據轉化為可被制造執行過程決策利用的標準制造信息3。通過定義多源數據關系、構建實時數據模型,建立信息整合規則,完成多源數據在制造執行環境中的融合處理,實現多源數據在制造執行環境中的最終整合,并轉換為可直接為制造執行過程監控與優化服務的標準制造

13、信息。3 制造執行與優化層制造執行與優化層基于采集到的各類制造數據,進行多種制造活動,包括飛機數字化裝配、裝配過程建模與仿真優化、生產過程實時監控、設備運行監測控制、物料的配送管理、飛機裝配質量的實時檢測等。4 系統集成層系統集成層是實現與企業現有的CAPP、ERP、PDM、MES等系統的集成,達到所有資源、數據、知識的高度共享。飛機裝配智能制造關鍵技術1 飛機數字化裝配技術飛機數字化裝配技術是數字化裝配工藝技術、數字化柔性裝配工裝技術、光學檢測與反饋技術及數字化的集成控制技術等多種先進技術的綜合應用,以實現裝配過程的數字化、柔性化、信息化、模塊化和自動系統集成CAPP飛機數字化裝配ERP裝配

14、過程仿真優化PDM生產過程實時監控MES物料配送管理制造質量監控執行與優化多元數據關系定義數據檢測分析與融合處理數據挖掘與分析制造信息共享標準數據采集分析感知技術物聯對象RFID人員工具物料運輸設備測試設備工裝計量器具傳感器UWB攝像機智能設備載體關鍵技術支撐發動機智能安裝平臺起落架智能安裝平臺飛機對接、支撐和移動智能平臺智能檢測及故障診斷系統智能物料配送工具激光雷達智能測量設備物聯網大數據云計算企業信息集成計算機仿真人工智能圖1 飛機裝配智能制造體系架構化,提高產品質量、適應快速研制和生產、降低制造成本為目標。根據復雜航空產品具有的結構復雜、零部件組成數量龐大、裝配精度高等裝配特點,飛機數字

15、化裝配技術的體系如圖2所示。飛機數字化裝配技術主要實現4個基本功能:飛機裝配建模、裝配序列建模、裝配路徑規劃和裝配過程分析4。在飛機裝配建模模塊中,首先要建立飛機的三維裝配模型,然后進行公差、約束和裝配力分析;其次,建立飛機裝配體的初始裝配序列,規劃飛機裝配路徑;再次,以飛機某個關鍵零件為參照,對其余零部件進行運動仿真,從而使得飛機裝配過程可視,以此檢驗飛機裝配過程是否合理,進而實現裝配過程的優化。2 飛機裝配過程建模與仿真優化 技術根據飛機裝配過程的實際需求,提出其制造過程建模與仿真優化技術的體系結構,如圖3所示。飛機裝配過程建模與仿真優化技術作為先進的系統評價與優化工具,可以對整個制造系統

16、進行深入地分析評價與優化。首先,結合飛機裝配工藝路徑規劃、裝配物料清單和實際的裝配路線布局,采用多粒度建模方式對飛機裝配線進行11虛擬建模,通過仿真評估模塊對仿真模型進行有效性評估,保證所建立的飛機裝配模型能滿足后續的在線仿真和優化的需要。其次,分析和評估該裝配的制造能力,確定裝配瓶頸環節。然后,根據要求進行優化,根據優化結果修改模型,直到方案滿足給定要求。最后,對滿足條件的飛機裝配過程仿真模型進行在線仿真,實時數據由MES 系統采集得到,包括人員工作狀態信息、物料狀態信息、工件狀態信息、測試設備狀態信息、物流狀態信息和裝配進度信息等,由這些實時數據驅動仿真模型運行,并實時比對當前的工作進度和

17、仿真進度。3 智能物料配送技術飛機裝配系統是由一系列離散型工位和物料配送系統組成的,物料配送在產品裝配過程中具有非常重要的作用。車間在物料配送過程中要求智能配送小車以裝配工具包為單元,并選擇最短移動路徑運輸。為實現物料的自動配送和配送路徑的智能選擇,提出采用基于實時定位的物料配送技術,其結構如圖4所示。(1車間定位。飛機裝配車間定位采用區域定位和精確定位相結合的方式,利用區域定位技術采集物料、工裝等的區域位置信息,精確定位信息實現物料配送車輛的導航和追蹤。(2車間數據模型。車間數據模型主要將車間裝配過程中數據進行分類與匹配,建立標準化模型,形成有效的生產系統數據管理模型,通過屬性特征來表征基礎

18、圖2 飛機數字化裝配技術體系結構標準體系管理標準STEP標準支撐標準信息安全標準設計標準基礎架構服務器計算機操作系統網絡通信操作環境公共服務數據庫功能模塊軟件集成參數化零件庫產品裝配模型庫裝配過程模型庫裝配環境模型庫裝配知識庫裝配建模序列規劃裝配仿真與分析路徑規劃SOA架構CADCAMCAECAPP圖3 飛機裝配過程建模與仿真優化技術體系結構評估、分析和優化建模規范生產能力優化算法建模向導關鍵參數優化內容評估準則瓶頸環節優化目標評估分析優化車間布局工藝數據產品數據生產計劃人員安排仿真建模總裝生產線分解分解融合融合部裝站位零件加工在線仿真生產線仿真裝配過程仿真物流仿真實時監控生產調度三維作業指導

19、書管理人員調度人員一線作業人員反饋輸出MES系統(動態數據采集輸入輸入人員狀態信息工件狀態信息物流狀態信息物料狀態信息設備狀態信息生產進度信息 數據,動作特征來反映產品裝配過程的動態數據,并將這些數據實時反饋在數字化車間電子地圖中,為物料配送系統的功能執行層提供實時可靠的數據支持。(3 配送系統執行。基于實時定位的物料配送的功能執行是實現物料動態配送優化的一個關鍵。通過接收配送任務,根據數字化車間地圖提供的實時數據信息,規劃出物料配送的最優路徑,并在配送過程中及時響應車間生產要素的臨時變動,通過調用不同的動態優化策略,實現物料配送過程的二次優化配置。(4 配送任務接口。配送任務接口實現與企業現

20、有的信息化系統進行集成,如ERP 系統、MES 系統、CAPP 系統等。(5 企業系統管理。企業系統管理主要負責根據生產任務和訂單生成相應的生產計劃和工藝路徑等信息,并將這些信息下發到配送任務接口層,利用集成接口將工藝數據轉換為可識別的配送任務數據。4 基于物聯網的飛機裝配車間智能感知技術將物聯網技術融入到飛機裝配車間。針對目前飛機裝配車間現場制造數據采集手段落后、生產狀態反饋滯后、裝配過程不透明等問題,提供飛機裝配過程中的裝配要素動態組網、裝配信息實時采集與管理、裝配過程狀態對應評估的集成方案,解決面向飛機裝配過程自動化的物聯網應用集成問題,形成可擴展、可配置的“物聯網飛機裝配車間”應用系統

21、,實現飛機裝配過程狀態和制造質量信息的可視化。基于物聯網的飛機裝配車間智能感知技術結構如圖5所示。基于物聯網的飛機裝配車間智能感知技術,為車間提供基于物聯網的飛機裝配現場制造信息采集、建模、存儲、查詢、交換、分析和使用的系統解決途徑和工具,有效實現裝配現場裝配要素的實時監控、飛機裝配企業內部管理系統PDMERPMESCAPP基于實時定位物料系統集成接口基于實時定位的智能配送車輛運動導航控制系統輸出接口配送路徑規劃位置信息推送RFID 識別技術局部避障策略歷史軌跡追溯位置預警機制動態調度算法策略庫企業系統管理配送任務接口配送系統執行離散制造系統數據模型設備數據工位數據車輛數據人員數據機床數據車間

22、布局環境數據物料數據數字化車間地圖車間數據模型飛機裝配車間實時定位系統WebServiceUbisense 定位引擎Ubisense 服務平臺精確定位區域定位RFID 中間件初步定位LANDMARC 算法盲區定位實時定位系統中間件數據庫車間定位圖4 智能物料配送技術體系結構Intelligent Manufacturing Technology for Aviation Industry 航空智能制造技術 性能計算設備和企業單元制造系統 等。面向飛機協同設計裝配的云服 務技術能夠支持樣機設計裝配一體 傳感器 傳感器 傳感器 傳感器 化， 各部門通過企業網絡可隨時隨地 電子標簽 電子標簽 電子標

23、簽 電子標簽 電子標簽 按需獲取云制造系統中的各類設計 和生產服務資源， 實現基于流程的跨 讀寫器 讀寫器 讀寫器 讀寫器 讀寫器 階段協同裝配。 6 PDM/ERP/CAPP/MES 等信息 基于物聯網的飛機裝配現場制造數據協同管理平臺 系統的無縫集成技術 現場數據 制造數據 制造數據 制造數據 制造數據 制造數據 數據安全 應用集成 采集 存儲 過程管理 查詢 分析 更改 控制 接口 基于物聯網的飛機裝配車間智 能感知技術為 PDM、 ERP、 CAPP 和 CAPP CAM MES CAQ MES 系 統 提 供 原 始 數 據。 根 據 典 型應用系統的集成需求， 設計基于 XML 技

24、術的信息集成方案， 以統一、 PDM ERP 手持式電子看板 工位智能終端 可擴展的方式解決跨語言、 跨應用的 應用系統間集成問題， 降低其系統集 圖5 基于物聯網的飛機裝配車間智能感知技術體系結構 成的耦合度， 提高集成的適應性。如 全過程的跟蹤與追溯以及完整和準 力虛擬化、 服務化， 構成制造資源和 圖 7 所示為飛機裝配車間數字化平 確的裝配現場裝配信息提供， 對推動 制造能力的服務云池， 并進行統一、 臺數據集成需求。 企業實現智能化裝配具有重要的意 集中的優化管理和經營， 用戶只要通 根據集成層次的不同， 可以將應 義。 過云端就能隨時隨地按需獲取制造 用系統與信息化平臺的集成模式劃

25、 5 面向飛機協同設計裝配的云服務 資源與能力服務， 進而智慧地完成其 分為封裝模式、 接口模式和緊密集成 5 技術 制造全生命周期的各類活動 ， 其體 模式。緊密集成模式是最高層次的 面向飛機協同設計裝配的云服 系結構如圖 6 所示。 集成。在這一層次中， 各應用程序被 務技術， 結合現有信息化制造 （信息 面向飛機協同設計裝配的云服 視為信息化平臺系統的組成部分， 對 化設計、 生產、 試驗、 仿真、 管理和集 務技術的重點在于支持飛機裝配資 所有類型的信息， 信息化平臺都提供 成）技術與云計算、 物聯網、 服務計 源的動態共享與協同。飛機裝配資 了全自動的雙向相關交換， 使用戶能 算、

26、智能科學和高效能計算等新興信 源包括設計分析軟件、 仿真試驗環 夠在前后一致的環境里工作， 真正實 息技術。將各類制造資源和制造能 境、 測試試驗環境、 各類測試設備、 高 現一體化。采用緊密集成模式， 需要 對應用工具的數據和集成工作平臺 云端服務 的產品結構數據進行詳細分析， 制定 服務 支持單主體 支持多主體 支持多主體協 支持多主體 應用 完成某階段 統一的產品數據之間的結構關系， 只 協同完成某 同完成跨階段 按需獲得制造 模式 制造模式 階段制造模式 制造模式 能力模式 要其中之一的結構關系發生了變化， 另一個會自動隨之改變， 始終保持應 高效能云監控和管理支撐平臺門戶 平臺 用工

27、具和集成平臺的產品數據的同 門戶 服務提供者 平臺運營者 服務使用者 步。 物料 工件 設備 工裝 人員 云安全中心 （訪問控制、 加密傳輸、 安全存儲） 云監控管理平臺 / 系統標準規范 云功 能層 中間 件層 資 源 層 服務部署 / 注冊 服務組合 / 調度 服務監控 / 評估 服務運行 / 容錯 服務搜索 / 匹配 結束語 飛機裝配智能制造是將物聯網、 大數據、 云計算、 人工智能等技術引 入到飛機裝配的設計、 生產、 管理和 服務中。建立飛機智能裝配體系， 將 有效提升飛機裝配系統的的自感知、 自診斷、 自優化、 自決策和自執行能 （下轉第 50 頁） 2015 年第 13 期航空制

28、造技術 感知 / 虛擬化 / 服務化 / 協同中間件 虛擬化設計制造資源 設計 資源 仿真 資源 生產 資源 試驗 資源 集成 資源 能力 資源 管理 資源 圖6 面向飛機協同設計裝配的云服務技術體系結構 45 論壇 FORUM MBD 模型 仿真優化 工藝 加工指令 智能化裝備 智能管控系統 工藝設計 虛擬數字 工廠 實體工廠 ERP PLM SCM 自動化生產線 制造過程信息反饋 工程設計 知識工程 透明化車間 圖4 智能工廠基本架構 地域、 跨行業的協同， 實現資源共享， 密切協作。隨著賽博物理系統、 工業 互聯網、 物聯網與務聯網等一系列概 念的提出， 業界對智能聯盟的認識也 逐漸清晰

29、。 智能聯盟以物聯網和務聯網為 依托， 成員企業具有獨特性、 分散性、 動態性等特點， 而聯盟的運作具有靈 活性、 動態性等特點。目前來看， 智 能制造聯盟的運作模式包括供應鏈 式、 插入兼容式以及虛擬合作、 合資 經營式、 轉包加工式等多種模式。 在智能聯盟中， 首先需要解決的 就是聯盟企業之間的協同問題。智 能聯盟協作平臺不僅應支持單個企 （上接第 45 頁） 制造執行系統 （MES） 訂單進度 裝配進度 物料消耗 在制品庫存 設備負荷 裝配質量 工時統計 人員分配 企業資源計劃 （ERP） 主生產計劃 裝配計劃 BOM/ 圖紙 工藝文件 加工指令 裝配資源 工作日歷 庫存信息 此外， 各不同制造企業的技術基礎水 平之間存在明顯的差異， 在發展智能 制造的過程中， 企業自身對智能制造 的發展需求、 發展方向和重點， 以及