大力发展航空智能制造支撑高端装备制造转型升级

2016-04-12Developtheaviationintelligentmanufacturingandsupporthighendequipmentmanufacturingtransformationandupgrading

制造业自动化 2016年3期

Develop the aviation intelligent manufacturing and support high-end equipment manufacturing transformation and upgrading

陶　永，李秋实，赵　罡

（北京航空航天大学，北京 100191）

TAO Yong,　LU Qiu-shi,　ZHAO Gang

大力发展航空智能制造支撑高端装备制造转型升级

Develop the aviation intelligent manufacturing and support high-end equipment manufacturing transformation and upgrading

陶永，李秋实，赵罡

（北京航空航天大学，北京 100191）

TAO Yong,LU Qiu-shi,ZHAO Gang

摘要：智能制造是我国抢占先进制造业制高点的主攻方向，航空产业作为我国高端装备制造业的典型代表，智能制造推进航空工业转型升级创新发展对我国高端装备制造业发展具有重大典型引领示范作用。分析了智能制造的发展趋势，阐述了我国航空工业转型升级创新发展对智能制造的迫切需求，提出航空领域发展智能制造的思路和目标，并给出了相关发展重点和任务建议。

关键词：智能制造；航空；智能工艺装备；协同云制造；设计制造集成

0　引言

智能制造是我国抢占先进制造技术制高点的主攻方向，也是我国制造升级的推进器。智能制造作为国家战略已列为“十五”规划的重点内容，国务院印发《中国制造2025》提出，围绕九项战略任务和重点，完善八方面战略支撑与保障，通过“步走”，到新中国成立100周年时进入世界制造强国前列[1]；强调信息技术和制造技术的深度融合是新轮产业竞争的制高点[2]，而智能制造则是抢占这制高点的主攻方向，其中还将突破发展的重点领域细化为包括航空产业在内的十大领域。

同时，政府提出“互联网+”行动计划，推动互联网与航空领域的先进制造业的深度融合，使互联网最新的信息技术、方法论和商业模式深度融合于制造业和服务业的各个领域之中，有助于促进制造业提质增效、转型升级，推动服务型制造业和生产性制造业的发展[3]。

航空工业是典型的资金密集、技术密集、协作紧密型产业，具有高度垄断、高技术的特性，是国家高端装备制造业的典型代表。世界主要国家都将航空工业定义为国家战略性产业，既是个国家国防安全的重要基础，也体现了个国家的工业发展程度，是个国家综合国力的体现。航空工业是带动国民经济发展的重要产业，先进航空产品的研制生产必然带动尖端技术的发展，因此，航空工业是推动工业转型升级的引擎。

以美国波音公司例，其始终保持全球领先的关键就是数字化的航空智能制造，其采用全球协同研制模式，主抓总体设计，详细设计交给其全球伙伴完成，并向着基于知识的创新设计、以智能装备为核心的数字工厂平台、全球协同的智能制造方向发展[4,5]。

图1　波音智能制造的发展历程

在技术层面，制造业智能化是全球制造业的发展方向；在环境层面，制造业需要绿色化发展；在产业结构层面，制造业正在向服务化转变。迫切需要加快发展智能制造装备和产品，组织研发具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线，推进工程化和产业化。加快航空、机械、船舶等行业生产设备的智能化造，提高精准制造、敏捷制造能力。

2015年我国C919大型客机、大运等已总装下线，标志着我国民用航空工业研制水平取得了巨大的进步，但我国航空工业基础和技术水平相比国外先进民用航空工业还有定距离。在航空工业买不来、合不来、换不来的严峻现实下，要在较短的期间内，在日益激烈的国际民用航空工业竞争环境中占得席之地，赶上并超过发达国家航空工业研制和制造水平，依靠智能制造为代表的先进制造技术，有利于航空工业充分利用后发优势，走自主创新之路，实现弯道超车。同时，智能制造推进航空工业转型升级创新发展对我国高端装备制造业发展也具有重大典型引领示范作用，带动整个高端装备制造业的转型升级。

1　智能制造是航空工业转型升级创新发展的迫切需求

1.1智能制造是新工业革命标志性技术和先进制造技术制高点

制造业在世界工业化进程中始终发挥着主导作用。当今，在经历了经济全球化和信息技术革命后，世界面临资源短缺、金融危机、经济衰退等诸多问题和挑战。世界主要经济体纷纷探索和出台破解困局之策。

美国奥巴马政府将“制造业复兴”和“再工业化”视为走出经济困境的重要路径，通过《重振美国制造业政策框架》、《先进制造伙伴计划》、《先进制造业国家战略计划》等纲领性文件和系列战略性措施，从智能制造、增材制造、生物制造及纳米制造等高、精、尖技术方向入手，引领制造模式创新和制造科技变革，占领21世纪国际制造业战略制高点，图谋强化先进制造发展，加快复兴制造业实体经济，重塑世界经济格局，保持乃至进步增强国家竞争力。美国全力推进基于互联网的智能制造，构建国家制造创新网络，确保下代产品的本土发明和本土制造。以人工智能、机器人和数字化智能制造为抓手的美国“再工业化”进程有望演变为场新型产业革命[6,7]。

德国及欧盟、英国等加快发展可持续性制造和智能制造，以保持制造业传统优势，应对后危机时代[8,9]。欧盟提出“未来工厂”的设想，即在产品可变性不断提高及产品产量不断大幅度变化的背景下，降低成本，提高制造系统的绩效，增加产能的驱动力[10]；欧盟致力于可持续性制造、应用信息通信技术的智能制造和高绩效制造等高附加值技术的研究、开发和应用；德国政府出台了名为“生产2000”的制造业战略计划，突出产品开发方法和制造方法、产品制造过程中的经济学、面向制造的物流学、面向制造的信息技术等方面的研究与应用，以促进先进制造业的发展；特别是，2013年，德国提出的以基于信息物理系统的工业物联网与工业服务网为核心、以智能工厂、智能生产、智能物流为主题的“工业4.0”计划已经紧锣密鼓地提上日程，成箭在弦上之势[11]。

图2　历次工业革命的发展历程

1.2智能制造是两化深度融合发展核心目标和我国制造升级的推进器

我国经济直面新工业革命的严峻挑战和重大机遇。随着土地、劳动力等要素成本快速上涨，资源环境约束进步增强，国内经济转入中速增长期，加上核心竞争力不足，我国制造业传统的低成本竞争优势不断减弱，正面临欧美发达国家“再工业化”和发展中国家低成本承接产业转移的“双重挤压”。

图3　智能化是工业化与信息化融合发展的关键

中国制造业由大变大而强，必须要实现由技术跟随战略向自主开发战略转变再向技术超越战略转变、由传统制造向数字化网络化智能化制造转变、由粗放型制造向质量效益型制造转变、由资源消耗型、环境污染型制造向绿色制造转变、由生产型制造向生产+服务型制造转变。

1.3智能制造推进航空工业转型升级创新发展，对我国高端装备制造业发展具有重大典型引领示范作用

航空工业是推动工业转型升级的引擎。世界主要国家都将航空工业定义为国家战略性产业，既是个国家国防安全的重要基础，也体现了个国家的工业发展程度，是个国家综合国力的体现。航空工业是带动国民经济发展的重要产业，先进航空产品的研制生产必然带动尖端技术的发展。

世界工业发达国家无不高度重视和大力支持航空工业的发展。2002年，美国成立了“美国航空航天产业未来委员会”，强调“强大的航空航天工业是美国必须具备的”；欧盟认为，航空航天工业在确保欧洲的安全和繁荣方面有着关键的战略作用，是提升欧洲民用和国防产品在国际市场竞争力的基础，也是欧洲独立和安全的重要保证；俄罗斯政府“俄罗斯2002年-2010年以及到2015年民用航空技术装备发展”联邦专项纲要指出“发展航空工业是国家的首要任务之”。

为适应国际战略形势和国家安全环境的变化，面向全球市场积极参与竞争，我国已经把航空工业的发展放在更加重要的位置，明确了我国航空工业由大向强转变的战略目标。在近十年中，我国航空装备研制已经初步形成了数字样机、异地协同、数字化制造的产业发展模式，些重点企业通过技术造配备了大量的高、精、尖设备及软件系统，使得研制手段、单道工序和单台设备的效能得到了定的提升，但是现有的“重节点、轻过程”的粗放式生产组织模式和以人工管控为主的运行管控手段无法从根本上解决装备制造产能优化、产业链协同的问题，不能充分发挥先进生产设备及软件工具的综合优势，严重制约了航空装备的研制生产能力，难以满足快速响应、高质量交付的发展需求。

发展航空装备产业智能制造，是在继续完善和发展已有的数字化设计与自动化制造等工业基础之上，构建以智能工厂、智能产品为核心的制造体系，采用现代计算和通讯技术、自动化技术、工业互联网等提升航空装备产业的智能化处理能力，形成新型产业模式。具有“动态感知、实时分析、自主决策、精准执行”特征的智能化设备及制造系统、生产运行和集成自动化系统、产业链协同平台等是支撑航空工业转型升级和跨越式发展的关键基础。

智能制造推进航空工业转型升级创新发展对我国高端装备制造业发展也具有重大典型引领示范作用，带动整个高端装备制造业的转型升级。

2　航空智能制造发展策略

2.1发展思路和目标

针对国家智能制造发展的契机，推动中国制造2025在航空制造业的实施与示范，提升航空领域制造业数字化、网络化、智能化水平，加强产业链协作。按照“突出重点、提升质量”原则，围绕大型飞机、通用航空、航空发动机等航空领域科技创新和重大工程，在航空领域围绕批标志性、带动性强的航空领域重点产品和重大装备，着力提升自主设计水平和系统集成能力，攻克共性关键技术与工程化、产业化瓶颈技术，加快推进智能制造装备的工程应用、数字化车间/工厂、生产制造过程及供应链智能管控的示范工程，组织示范应用具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线，推进智能制造、大规模个性化定制、网络化协同制造和服务型制造的发展，加快形成航空领域制造业网络化产业生态体系，促进我国航空高端装备制造业的发展与转型升级。

2.2发展重点

1）搭建航空装备产业智能制造体系与总体架构

分析研究航空装备产业全价值链的基本组成、核心要素、支撑环境、关键技术、处理对象等，参考国内外先进制造模式和企业控制系统集成方面标准，依据《国家智能制造标准体系建设指南》，梳理航空装备产业智能制造的基本要素、相互关系、环境要求等，提出面向航空装备产业的智能制造体系与总体架构。

2）攻克航空装备产业智能制造关键技术

梳理航空装备产业智能制造的瓶颈问题和关键技术，分析产品研制过程的感知、分析、决策和执行要求，研究具有动态感知、实时分析、自主决策、精准执行特征的高档数控机床、工业机器人、增材制造等智能制造设备的研制需求和发展途径，攻克基于工业云的赛博物理融合系统（ICPS）、基于网络的协同制造、数字化设计制造集成技术，提出航空装备研制生产所需的智能生产线/车间、智能企业以及企业联盟所涉及的关键技术研究、工程化应用与产业化发展途径。

3）提出航空装备企业智能制造2025发展战略和应用示范工程

围绕航空装备产业典型产品研制过程，梳理和凝练提升自主研制水平、系统集成能力、产业链协同能力的核心要素，基于航空智能制造体系和总体架构，研究国外先进制造模式及演进历程，分析研究航空装备产业智能制造发展趋势和要求，开展的共性关键技术和自主工业软件开发应用、智能制造装备与工程化、产业化瓶颈攻关等技术攻关，提出航空产业典型智能制造应用示范工程。

3　航空智能制造的重点任务

3.1研发航空领域关键智能工艺装备

1）基于智能控制的航空数控加工工艺装备

研究数控切削加工过程智能在线监测、高效高精数控切削加工振动智能控制、曲面直接插补智能数控系统等关键技术，包括高档数控机床伺服、主轴刀具系统及整机动态特性现场快速测试、分析系统，实现数控铣削加工工艺系统状态的准确识别、快速预报与切削参数的自适应调整，以提升数控机床使用效能；研究具有智能自适应、自学习功能的控制算法以提高机械系统精度、增强系统特性以及采用智能技术进行运动误差补偿等，实现数控铣削加工振动控制的高效化、智能化与通用化。

图4　航空数控加工智能控制

2）航空智能装配机器人关键装备

重点开展航空智能制孔机器人、智能喷涂机器人、基于多机器人协同的装配等研究。针对制孔机器人体积大、成本高、自动化程度低、加工精度不稳定、致性差等不足，突破智能制孔机器人关键技术瓶颈，并开展面向机器人双臂协同装配关键技术研究。开展航空机器人喷涂工艺和设备的研究，突破机器人力控制和精密在线测量等关键技术难题，研究面向整机的智能喷涂机器人系统与空间多维导轨设计、复杂形面的喷涂轨迹规划及纠偏技术、新型涂料的高精度变流量输送技术、多基体材料组合机身表面涂装优化技术等，实现自动化、智能化的航空喷涂机器人，提升我国航空工业制造的质量和效率。

图5　航空智能装配机器人

3）航空柔性智能工装装备

重点开展盒式连接可重构柔性装配工装、导管装焊柔性智能工装、飞机部件自适应无应力装配工装等关键技术攻关，突破航空盒式连接可重构装配型架的标准件分类与编码、智能配置设计、稳定性分析与激光测控等关键技术，形成整套可重构柔性型架的配置设计、安装、性能验证技术及规范，支持航空产品的柔性智能装配；开展面向多根管路整体装焊的柔性管接头定位夹持器、定位器自动配置与工作空间分析、基于力传感和视觉测量数据反馈的导管智能夹持、调姿与对齐等关键技术研究，实现不同规格、尺寸范围、空间走向的复杂管路的快速工艺准备与装焊，为航空复杂管路智能制造提供先进工装技术保障。

图6　航空柔性智能工装

3.2基于工业互联网的航空协同云制造

1）基于工业云服务模式的航空协同制造

重点开展航空工业云服务协同制造、制造资源虚拟化与云端适配接入、工业云资源能力服务聚合等关键技术攻关，研究基于Web的应用系统、独立应用系统等制造软件资源虚拟化与云端适配接入技术、数控加工设备、检测设备等制造设备资源虚拟化与云端适配接入技术以及数据知识资源虚拟化与云端适配接入技术，研究针对制造任务分散、不确定、多粒度等特点的制造服务智能匹配与发现技术和制造服务动态统筹与服务组合优化技术；针对集团内企业交互频繁、协作紧密的特点，研究多学科协同设计服务、工艺-资源匹配优化服务、快速排产与动态调度服务、测试试验服务、供应协作服务等集团企业工业云业务协作服务技术。

图7　航空云服务模式协同制造

2）航空制造集团企业的云服务平台构建

重点开展工集团企业云服务平台与异构信息系统综合集成技术、航空制造集团企业云服务平台开发与实施技术攻关，为实现工业云服务平台与现有企业信息化系统平台的集成，实现企业内外部各类信息与平台的交换共享，研究多样化异构信息统描述与识别技术、异构信息动态关联与转换技术、多种层次集团企业内合法异构信息共享技术以及基于Web服务的企业应用系统集成技术等。面向航空制造集团企业，定制开发集团企业工业云服务平台，开展典型示范应用，聚合企业制造资源，支撑企业核心业务发展，促进航空企业集成化服务能力提升。

3.3基于数字化设计制造集成的航空智能制造

图8　全三维设计制造一体化

2）基于全生命周期管理的航空智能制造

重点开展面向产品全生命周期信息建模与管理、基于模型的产品生命周期管理、设计制造体化集成协同等关键技术攻关，研究面向复杂航空产品全生命周期的过程与数据的集成与管理、支持知识密集型研发的数字化产品与过程建模技术；研究MBD标准及其在复杂航空产品研发中的应用方法，研究基于模型的数字化产品定义、变更、传递及应用的产品生命周期管理系统构建方法；研究支持复杂航空产品全生命周期各阶段产品与过程信息的有效共享和信息传递，实现信息的可追溯的设计制造体化集成协同技术，建立设计制造体化集成协同平台，形成多应用系统之间产品模型数据和过程管理数据综合集成的可持续发展机制。

3）基于工程知识管理的航空智能制造

重点开展航空知识型企业创新研发模式、航空产品装备创新研制工程知识管理、航空产品装备创新研制工程知识管理平台的关键技术攻关，针对航空制造企业转型升级的需求，研究能充分发挥企业员工和组织智慧促进技术创新的航空知识型企业模型和项目推动式航空知识型企业管理模式，研究符合航空知识型企业业务与管理要求的工程知识管理实施方法论和标准规范体系，保障工程知识管理在航空企业能够得以实施，促进工程知识管理对研发业务产生积极的变革作用。