航天器大型构件智能制造技术探索与推广应用

“工业4.0”提出通过建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，使德国成为新一代工业生产技术的供应国和主导市场，提升其全球竞争力[1-2]；《中国制造2025》旨在实现制造业转型升级和跨越发展，改变我国制造业“大而不强”的局面[3-4]。通过深入实施《中国制造2025》，推进军民深度融合，走出一条成功的军民融合之路。世界各国在制造业领域采取的一系列措施均表明以智能制造为代表的先进制造技术是未来的必然发展方向，也是我国实现军民融合的重要手段[5-6]。

一、航天器大型构件产品智能制造需求

目前，航天器大型构件制造中的主要技术瓶颈可归纳如下[7-8]。

1）大构件产品的制造超出现有加工设备的能力范围。航天器舱体构件尺寸大、重量大、转运困难，舱体焊接、组合加工等超过现有加工技术能力，制造瓶颈日益突出，迫切需要独立的、柔性化高智能加工装备。

2）航天器产品制造过程复杂、工序繁多、任务繁重，周期性要求紧。航天器大型舱体产品构件复杂、种类繁多，且具有较差的继承性。随着我国航天器产品需求量攀升，造成了航天器制造业研制任务大幅增加的局面，迫使装备的研制周期大为缩短。

3）大构件产品制造过程柔性、自动化水平需要提升。鉴于舱体大尺寸构件特性，其研制过程多为人工参与，易造成装备的一致性差、品质不稳定。同时，多环节装配过程对工人技能依赖大，人力占用多，导致生产效率低、产能不足。因此，需要高度自动化、智能化的装备提升产品质量可靠性及生产效率。

4）生产过程多变，生产管控难度大，数据采集的完整性和及时性要求高。生产过程中大量存在设计更改、工艺变更、计划调整等现象，且零件种类众多，产品加工工艺路线不同，制造周期长短不一，管控难度大。生产现场实物与数据信息缺乏有机关联，难以及时形成产品数据包。

5）车间物料齐套及时性要求高。单元化生产模式导致工序转运距离长，对物料及时齐套要求高，以满足车间任务功能多样化、多型号并行、研制周期短等要求。

大型构件的民用产品有很多，如高铁大型构件、船舶大型构件等，它们的智能制造需求同航天器大型构件类似，探讨航天器大型构件智能制造技术的研究与应用，促进相应的技术方法和软硬件系统的形成，对军用技术向民用领域推广具有重要的理论意义和实践价值。

二、航天器大型构件智能制造探索与实践

智能制造是制造技术与数字化技术、智能技术及新一代信息技术的交叉融合，面向产品全生命周期具有信息动态感知、实时优化分析、自主决策、精准执行控制的功能，旨在高效、优质、清洁、安全地制造产品、服务用户的制造模式。利用多种传感系统获取制造过程中实时运行状态信息和数据；通过高速网络实现数据和信息的实时传递、存储和分析；根据分析的结果，按照设定的规则或积累的知识通过人工智能方法做出判断和决策；最后，再将结果反馈到制造过程，完成精确调整和处理。围绕智能制造的感知、决策、控制及执行一体化特征，结合航天器大型构件体制造特点及技术瓶颈，以航天器大型构件制造数据服务为中心，重点从制造装备智能、车间物流智能、生产管控智能、工艺设计智能等方面突破智能制造技术的研究与应用，建设一条管控全面信息化、物流配送精准化、作业高度自动化、决策智能化的制造脉动生产线。如图l所示为航天器大型构件智能制造技术体系框架。

1.智能工艺设计

基于MBD模型打通全三维数字化设计制造的信息流，构建工艺设计智能化环境，实现工艺设计与工艺仿真应用的深入融合，从模型引入、工艺资源匹配、工艺智能决策、工艺资料数字化传递到加工及检测结果反馈的全过程智能化管控。

如图2所示为航天器大型构件智能工艺设计平台。通过模型智能比对工具，辅助设计与制造双方的会签协同，提高模型检查效率。重点服务于面向车间现场智能装备的构件化智能工艺规划和管理。既有的模型实例及与模型相配套的工艺实例被作为知识存储与维护在工艺规划系统内。利用航天典型产品的相对相似性与稳定性，通过检索参数、特征或几何构件等信息，关联查询到可复用的工艺文件，在此工艺文件的基础上适当调整，以满足新模型的工艺设计需求。在编制工艺过程中，支持关联产品、资源、工厂研制能力等数据，实现对工艺数据的权限、版本、配置及流程管理，利用现有典型工艺、工序、工步等标准化模板知识，提高工艺编制效率。最终，实现面向智能装备的工艺信息输出，为智能装备的运行提供技术支持。构建基于三维环境构建虚拟仿真环境，为加工仿真、装配仿真、数字工装、工厂布局仿真优化提供了技术保障；实现工艺的智能化工装协同设计，提高工装设计效率和重用率。

图1 航天器大型构件智能制造技术体系框架

图2 航天器大型构件智能工艺设计平台

2.智能生产管控

以数字化生产管理体系为支撑，研究数字化车间智能管控技术。通过考虑航天器大型构件智能数字化车间设备能力，以主生产流程模型为驱动，以多源信息感知网络采集的过程实时数据为输入，并实现同步实时监控，研究多品种生产作业，多因素扰动背景下的智能排产与优化调度，以高效运转等相关性能指标为优化目标，得到航天器大型构件智能数字化车间完整高效的运转方案，并实现虚拟化仿真验证。如图3所示为智能生产管控系统功能构件图。

为提高制造周期，研究以计划驱动的物资配送技术、精细化管控技术、数字化标识技术等关键技术。智能生产管控系统不仅能够实现物料快速定位及追踪，缩短物料准备周期，降低运输和管理成本，而且能够实现从宏观到微观、从整体到细节、宏观微观结合的型号产品进度监控和数据分析应用，大幅度缩短了生产准备时间，还能够基于条码或无线射频识别（RFID）技术实现对产品、物料、托盘和包装箱等车间生产要素的数字化标识、快速定位和信息查询。

图3 智能生产管控系统功能构件图

3.智能物流与仓储

如图4所示为航天器大型构件智能物流与仓储系统。物流管理信息系统主要是通过对仓储物料信息的实时同步与自动配送实现对生产物料需求的及时响应，通过生产物流运行与生产计划调度的协同实现对生产物流的智能管理；物料数据智能感知是采用条码/RFID等技术，实现在库数据的快速采集，在途位置的动态跟踪，在用信息的实时反馈，实现生产物料在库、在途、在用各环节信息的及时采集和精细化管理；物流信息智能处理是根据生产计划与物料消耗自主生成物料需求，对物料需求的到达时机进行优化调度形成配送指令，对到达工位的物料种类、状态、数量进行自动核对，对工位物料消耗进行随时监控，对缺料、故障等情况进行及时提示和预警；物流过程智能执行是采用堆垛机高层货架系统，实现快速动态盘库，根据物料上嵌入的条码或者RFID芯片，实现对物料出入库信息的快速处理，采用智能平台车作为搬运设备，实现运送过程的自动导航和随时追踪等。

4.智能制造装备

智能制造装备是工业技术与信息技术“两化深度融合”的载体，依据航天器大型构件智能制造技术需求，研发具有感知、决策、控制、执行一体化功能的制造装备，以实现先进制造技术、信息技术与智能技术的集成与深度融合。

为提高航天器大型构件装配调试工作效率和装配精度，通过研究多轴伺服电机控制技术、双车拼接联动控制技术、基于视觉的自动导航技术、超声避障技术、独立悬挂减振技术和大承载全向轮设计技术等多项关键技术，自主研发高端智能载荷平台车（如图5a所示）。并设计多样式的升降模块、多自由度姿态调整模块、高精度导航定位模块，以支持多样化产品制造需求。结合串并联式机器人，构建全向智能移动机器人（如图5b所示），融合数字化测量技术、智能控制技术及数字化网络技术，实现航天器大型构件的支架安装面和安装孔组合加工及辐射器焊接等操作。通过对机床切削力、振动、温度等信号进行分析，建立信号特征量变化与航天器大型构件损耗之间的关系，实现对机床故障的预警与诊断，并提供智能化的维修方案与维修计划。

图4 航天器大型构件智能物流与仓储系统

三、大型构件智能制造技术推广应用

以航天器大型构件为研究对象所形成的智能制造技术成果，可进行一系列的功能扩展，应用于不同的民用产品。

1） 参照航天器大型构件智能工艺设计平台，提炼基于特征的快速编程、大型五轴数据加工工艺与仿真、高硬度材料精密特种加工等方法，将其推广应用于机电产品中的陀螺、涡旋压缩机、谐波减速器等产品核心部件的制造加工，以实现加工工艺改进。基于生产线规划与仿真方法，完成轨道交通大型构件工艺规划与仿真，实现以物理生产装备和数字化系统深入融合，从整体上缩短工艺准备周期，提高工艺质量。

2）依托航天器大型构件智能生产管控系统技术，推广应用于通信行业的大型铁塔制造过程中，实现对于不同地域、不同塔型、不同管型的管理，完成生产节拍的快速响应，进而以支持决策者能够掌握自身的生产能力、生产资源以及所生产的产品，能够调整产品的生产流程与工艺方法，并能够根据市场、客户需求等动态信息做出快速、智能的决策。

3）采用航天器大型构件智能物流与仓储系统相关技术，设计电商、快消等行业仓储物流线解决方案，构建通过计划自动分解与下达、调度派工管理、装配现场管理、物料管理、工具管理、设备管理、人员管理和质量管理等一系列功能，实现物料配送的精准化、高效化和柔性化。完成轨道交通大型核心部件物流与仓储功能，采用RFID等技术，实现物料的精细化标识，实现物料的在库存储、在途运输、在线使用等状态数据的实时感知和及时处理，满足了生产制造的高时效性要求。

4）开展智能专用装备、智能传感器、智能控制系统研究，完成先进制造技术、信息技术与智能技术的集成与深度融合。提炼多智能装备集成协同、闭环反馈控制、轨迹跟踪等技术，实现基于可移动式制孔串联机器人的大型飞机壁板自动钻孔加工，实现基于可移动式焊接串联机器人的海洋大型钻井平台钢构件焊接，实现基于可移动式并联调姿装备的大型飞机舱段调姿对接/装备。通过集成双车级联及激光同步测控系统，实现高铁车辆等超大型产品的厂房内外转运。双车组合承载能力50t，双车同步精度±1mm，运行速度0.6m/s，通过采用24轴协同控制系统能够实现26m长超大产品的厂房外灵活转运，包括横向平移、斜向行驶及原地零回转半径运动等。

图5 典型高端智能制造装备

四、结束语

通过对航天器大型构件智能制造技术的探索，实现了制造模式转型、提升了高端装备制造能力，完成了信息技术、网络技术同先进制造技术的深度融合。通过提出航天器大型构件智能制造技术体系框架，提炼关键技术，推广研究技术到其他民用制造领域，完成了轨道交通大型核心部件物流与仓储系统、通信行业的大型铁塔制造管控系统及高铁车辆等超大型产品智能移动装备系统等软硬件研制，取得了可观的应用结果，为我国军民融合的发展积累了成功案例。

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