制导弹药智能总装生产线研制与推广应用

中国科学院沈阳自动化研究所

制导弹药智能总装生产线研制与推广应用

中国科学院沈阳自动化研究所

本项目针对弹药智能制造面临的高安全性及可重构性等共性技术难题，研制了系列化弹药智能制造工艺装备与成套智能生产线，满足多型号产品共线生产需要，实现了行业首创应用。项目为弹药总装行业由传统手工为主的制造模式到智能制造模式的转变，提供了技术支撑，实现自动化生产与信息化管控深度集成，自动化率达到80%，质量参数在线自动检测率达到100%，危险工位实现无人化，生产效率较行业传统制造模式提高2倍以上，经济效益及社会效益显著。

1　项目背景

弹药尤其是先进的制导的弹药为重要国防装备，弹药制造为典型的危险有害工种。在军用弹药行业，共有生产制造企业上百家，是维护国家安全、巩固国防和发展军事力量的重要保障。我国的弹药生产制造行业经过几年来的工艺技术进步，突破了部分重点工艺技术，实现了部分工序、单机和单元的机械化操作，提高了一定的生产效率，降低了成本，但生产组织方式、工艺流程和制造装备都没有根本性的改变，产品工艺技术和装备技术水平与国际先进水平相比有一定差距，还有诸多关键技术问题需要解决，急需进行智能制造升级。目前，弹药总装仍以传统人工操作为主，存在生产效率低、质量一致性差、不适应新型号产品快速响应制造及生产过程本质安全度低等问题，无法满足未来弹药“高精、高效、高安全”要求。现有装备尚未突破易爆环境下的机器人防爆、超高可靠性操作、多产品混流共线生产及安全感知控制等技术壁垒。研制弹药总装智能生产线，并建设弹药总装数字化车间，解决行业效率及安全问题，改善工人生产环境具有重要社会及经济意义。

2　项目目标

弹药智能总装生产线的目标为：将传统的人工总装模式转变为具有紧时序约束的拉动式自动化生产，实现生产模式的精益化及标准化；解决弹药智能制造所面临的高安全性及在线可重构性等共性技术挑战，研制系列化弹药智能制造成套装备，满足防爆性及高可靠性要求，并集成成套智能生产线及数字化车间，适应多型号产品混流共线生产，实现其制造过程的自动化及智能化；通过工业互联网实现物、料、法、环的互联互通及信息感知，提升信息化，并将自动化生产与信息化管控深度融合。减少危险有害生产环境用工数量、提高作业效率、提升产品质量，保障安全生产，实现行业制造模式创新及首创应用，助推行业转型升级。具体目标包括：

（1）生产效率较传统制造模式提升2倍以上；

（2）自动化率达到80%以上；

（3）资源利用率提升100%以上，减少资源、场地浪费，人员由40人减少到9人；

（4）危险工位无人化；

（5）检测、测量在线化及自动化，数据通过现场总线上传；

（6）物料配送智能化，根据MES派工计划，通过智能物流装备实现物料及时配送；

（7）状态监测实时化，装备、产品及物料联网，现场装备状态自感知和互感知、产品及物料身份信息及制造过程状态信息感知；

（8）生产信息集成化，实现全制造过程及全制造元素的信息感知、贯通及集成，为大数据控掘优化做准备，装备、产品及物料联网，现场装备状态自感知与互感知、产品及物料身份信息及制造过程状态信息感知；

（9）决策数据化，通过产品信息、装备状态、物料信息等的集成化上传，实现及时决策，减少等待时间；

（10）生产线实现虚拟化，虚拟现实与物理工厂融合，实现工艺仿真优化，提高生产线实施的可行性及合理性；

（11）人、机、产品互动化，对所有操作过程进行人机工程优化设计，提升操作过程方便性，减少操作人员疲劳，各工位实现手动/自动功能切换；

（12）产品多样化，可适应一定范围内不同型号产品的混流共线生产，可快速复制扩展。

3　项目实施与应用

弹药智能总装生产线集产品装配、在线检测、多机协调控制及智能化管控于一体，可实现产品装配、检测、喷码、包装和成品智能垛放等全总装过程智能生产。同时具有产品配套管理、生产信息管理、不合格品信息记录、性能参数记录分析、产品数据自动维护的数字化生产管理功能，并实现生产过程监控显示。项目构建了满足弹药总装生产数字车间多层模块化体系，包括：现场智能装备与物流装备的工序控制层、在线测量与监测的过程控制层及制造执行系统管控层。现场装备控制层：由专用智能工艺装备、智能检测设备、物流传输线等专用设备组成，各装备通过现场工业网络连接，实现工序级的内部控制及信息的采集及双向传输。过程监控及综合控制层：由过程监控软件平台及综合控制平台等构成，实现对各类设备的数据采集和纵向信息集成，实现对生产现场时空状态的监视，通过在线分析诊断技术，提供质量缺陷、设备故障、工艺参数修正等方面的预警和控制。制造执行控制平台层：由制造执行基础服务及生产调度系统等组成，实现整个生产的上层组织与调度。

生产线经过方案设计、现场安装调试、考机试运行及批量生产等过程，满足某弹药的批量化生产要求，生产线无故障运行率达到了99%以上。与传统弹药总装模式相比，在厂房等资源利用率、生产效率、质量一致性、现场人员数量、自动化率及生产本质安全度等水平具有质的提升，其中危险工位实现无人化，总体人员减少75%，同产能节省厂房面积50%，生产效率提高2倍以上，一次性总装成品率达99%以上。

项目创新点及关键技术在于：

（1）率先攻克了弹药自动化装配检测安全工艺技术，建立了弹药智能装配检测工艺库，并进行了全制造流程工艺优化与集成。由于弹药生产的危险性及特殊性，目前弹药生产所有的技改和安改均在原有装配工艺上用机械代替人工，不能实现生产工艺过程的优化。虽然部分工序实现自动化，但生产效率和产品质量不能得到本质的提高。分析弹药装配检测工艺对弹药生产的作用及性能影响，突破原有装配工艺限制，研究了适用于自动化生产的弹药装配检测工艺，并在此基础上对弹药全制造过程进行了工艺优化与集成，形成了弹药总装工艺库。

（2）提出了多种机构安全及防爆安全技术，研制成功了装药装配、检测及物流3类18种系列化弹药专用智能工艺装备，替代了人工生产，提升了生产效率及本质安全度。弹药由于其具有易爆危险性的特征，其生产制造所用的装备首要满足安全性要求，装备的安全包含3方面内容：即设备自身满足机械及电气防爆要求及设备操作具有超高可靠性。项目依据国内国际安全防爆标准，提出多种智能设备机械及电气防爆解决方案，设计了多种基于机械互锁的本质可靠执行机构，并采用力、视觉、温度传感实现操作参数实时感知及安全闭环控制，确保了设备的安全性。

（3）研制了基于多机网络协调的弹药高可靠性安全控制技术体系模型，实现了复杂弹药生产线数据实时采集及全制造过程安全协调控制。弹药等危险品生产行业对多机网络控制的可靠性、协调性及安全控制的策略及方法都提出了很高的要求。本项目组成弹药装配生产线的专机较多，装配和检测工艺流程较为复杂，设备与外界的接口形式不尽相同，实现整条生产线各专机及设备高效、安全的网络化管理与控制，提高生产过程控制的可靠性及安全性是实现生产线高效安全运行的基础。项目通过如下关键技术实现了弹药生产线的安全协调控制，生产线的控制系统模型如图1所示。

图1 制导弹药智能总装生产线控制系统模型

（4）形成了弹药总装智能制造生产线及数字化车间集成技术体系，研制成功了集动态管控与自动化生产于一体的弹药智能总装生产线及数字化车间，填补了国内空白。将弹药工艺技术、安全防护技术、智能机器人技术、多种传感测量技术、工业互联网技术及生产过程智能管控技术集成应用于弹药总装制造，通过将现场设备通讯接口标准化及各单元通讯协议及数据传输格式标准化，将制造执行系统（MES）系统等信息化系统与现场数据采集监视与控制系统深度集成，实现了自动化与信息化的深度融合。为弹药行业智能制造模式转型提供技术积累及成功经验。

4　效益分析

项目在人员减少75%及场地面积减少50%基础上，可提高生产效率两倍，具有较高的经济效益。生产线研制及实施形成了弹药总装智能制造技术体系及整体解决方案，相关技术在2015年度申请发明专利6项。生产线的相关技术获得了多项国家奖励，其中，国家科技进步二等奖1项，中国机械工业科学技术奖1项，中国科学院科技促进二等奖1项。项目相关关键技术获得了2014年度国家863计划先进制造领域机器人主题项目支持。

易爆危险品数字化、智能化成套装填及检测生产线的研究和示范应用是促进我国易爆危险品生产制造行业技术升级的重要手段，为传统产业转型，提高产品的附加值起到重要的技术支撑作用。自动化工艺装备及生产线的建立，将产生如下社会效益：

（1）提升弹药总装行业智能制造水平

本项目紧密结合国家走新型工业信息化道路的发展战略，充分利用机器人技术、在线检测技术、控制技术和信息技术来提升易爆危险品行业生产制造水平，符合我国有关产业政策中关于支持信息化、数字化重大装备产业发展的精神。

（2）促进易爆弹药安全生产及职业健康

本项目具有完整的自主知识产权，有很高的成果转化显示度。自动化工艺装备及生产线的建立，将极大地减少危险生产工序的人工数量，降低人工劳动强度、提高生产过程的本质安全度、提高生产效率和产品质量。促进易爆危险品生产企业在职业健康、安全生产、管理水平等方面的全面提升。

（3）提升绿色制造及环境保护水平

本项目主要应用对象是易爆危险品行业，研究开发的技术与装备目标是提高本质安全度和生产效率，降低原材料等资源消耗，提高产品的质量和可靠性。通过数字化智能化自动生产装备和生产线，改善企业的环保条件，降低工作噪音和粉尘排放，减轻工人劳动强度，提高职业健康水平，实现易爆危险品的绿色安全生产。