智能制造技术在航空制造产业中的应用

张连进

中国航发成都发动机有限公司，四川成都，610000

0 引言

作为一个典型的高新技术和尖端制造产业，航空制造业位于装备制造工业的最前沿，其特点是对专业技术能力具有高度的要求，具有广阔的潜在销售市场和极为广泛的行业覆盖面，代表了一个国家的综合制造业发展水平，是综合国力的直接体现和映射，并能够反过来促进社会经济建设，推动国家国防水平以及科技能力的提升。近几十年来，我国的航空制造工业发展势头十分迅猛，相关科研水平和产品质量都出现了跨越式的提升，但同时我们也要看到未来制造业的发展方向将是朝着智能化前进，其相关技术已经逐步成熟并开始投入使用，为了紧跟发展的步伐并在国际竞争中保持领先的趋势，我国航空制造业也要主动开始进行智能化转型的探索和落实。智能制造工业主要采用和糅合了网络集成技术，海量信息处理，人工智能控制和虚拟制造等诸多方面的技术和研究成果，并在此基础上有机结合构成了人际一体化的专业制造系统，将整个航空制造工艺转向智能化、自动化和环保化，实现了传统制造产业的现代化升级，已经成为了我国新时代产业改革的重要调整方向。

1 智能制造技术简述

智能制造是工业技术和信息科技互相结合后形成的先进工艺，我国政府已经关注到了其所具有的重要价值，并制定发布了相关行动规划，从政策等方面支持和推动相关产业的进一步发展。各个相关企业应当紧紧抓住政策优势的窗口期，基于原有的制造工艺，升级智能化设计，从而实现航空制造业的整体智能化程度提升。随着航空制造技术的不断发展，航空业用户企业需求持续升级，为了满足对相关产品日益复杂的要求，航空制造企业就需要不断提升自身的工艺制造水平，通过各种方式引进和发展新的制造技术，通过智能化系统等手段推动技术变革和制造能力的更新换代。所谓的智能制造技术，是指通过网络信息技术和人工智能系统，让机械设备自动驱动和进行制造的工艺手段，其是机械制造业的未来发展方向，具有加工效率高、产品质量高、生产成本低等优势。因此，航空制造业必须要对其具有充分的了解，并应用于本身制造过程之中，让其发挥出价值和作用。

智能制造要在制造过程的各个环节和流程中形成一套完整的系统，通过自主分析、学习等方式增强制造决策和协调控制水平，能够根据实际的环境和情况及时调整制造的流程和方式，从而实现更好的制造效果。眼下，通过相关专家的研究和探索，航空制造业已经形成了初具雏形的智能制造架构，从生产管理、控制执行和企业管理等多个层面打造具备实时分析决策和精准执行能力的现代化智能制造系统，同时将产品从设计到制造落地的全部流程进行打通，形成能够互相促进，协调发展的新式模式。在其中，需要全面感知和监控制造链路全流程的实时工作状态；对各种状态参数和运行数据进行及时的分析，并根据分析结果和预设的规则进行判断决策；最终精准地在生产线和供应链等环节执行调整后的结果[1]。

2 智能制造工厂的组织架构

现代化的智能制造工艺，是多个领域的技术结晶融合而成的一体化架构，通常会涉及到网络信息技术、自动化决策技术、人工智能机器人技术和传统制造工艺等。其在航空制造业中的组织架构通常会包括如下几个方面。

2.1 决策支持

决策层是智能制造的中枢和大脑，在其运营流程中承担着分析决策的角色，其实现技术包括云计算和大数据处理等技术，面对现在的制造环境，因其复杂的流程和环节，涉及到海量数据的采集、统计、处理和分析，数据量级远超TB级别，同时因制造过程的实际需求，整合频率和计算时间也将向着毫秒级发展。为了满足以上需求，就要建设完善的数据处理系统，包括分布式数据平台等基础设施，避免因为软硬件设备落后或迭代速度缓慢而导致的使用效果不佳等情况。此外，为了提升数据使用和计算效果，还可以将智能分析所需要的采集、处理等流程操作系统转移至云端设备，这样既可以节省搭建的资金成本，也能够控制运营费用，提高投入产出比。

2.2 应用落实

航空制造业中第二个重要的流程环节便是其应用层，其涉及到大量的具体操作和实施节点，包括生产、组装和检测等等，在实现智能化的过程中，就要引入智能物料配送技术、3D打印技术和零覆盖喷涂技术等智能化手段，提升其制造效果。

（1）3D打印技术，又可以被称作增材制造技术，是一种新式的制造工艺，其能够通过电脑虚拟预先设计和快速定型各种复杂的工业构件，有效降低制造成本，提升工艺成品的质量，并具备快速实现个性化和定制化等功能的优势，在新式智能制造过程中发挥出了极大的价值。

（2）智能物料配送技术，是依托于工业物联网而搭建形成的物流管理平台，其能够按照制造流程中的工序和要求将原材料需求进行分解，并安排适当的人员和次序进行配给，从而实现更加透明规范的运输过程。通过AGV车辆在物理上实现计划好的材料运输，能够按时保量地完成材料配置工作，满足标准化的产品制造工艺所需。

（3）零覆盖喷涂技术的应用，能够给航空制造工业带来新的竞争优势，其借助使用激光定位技术，机器人自动操作，表面特殊材料的制造和喷涂等先进手段，从工艺上实现不同航空配件的零覆盖喷涂工作，成品具有一次定型的效果，能够极大地提升产品喷涂效果，减少返工可能性，有效控制喷涂成本，增强产品在市场上的竞争力[2]。

2.3 信息传递

信息层是航空制造业智能化的动脉和血液，其对智能化的各个环节进行整合，形成高效互通的制造网络，涉及技术包括工业物联网，垂直系统整合等。借助工业物联网在实际生产中的运用，能够提升不同生产流水线之间的信息和资源共享水平，并通过数据整合连通各个操作系统，进行集成化处理，进而有效地将过去传统的被动信息整合模式转化为主动整合模式，促进相关生产数据自动精确的处理，实现人机一体化生产。

2.4 物理设施

物理层是航空工艺制造的最终实现环节，其能够通过各种机械设备将智能制造技术进行完整的落实。在实际的生产中，就要不断引入和采购各种新式的智能生产设备，如智能传感器和机器人等，从而满足优化制造工艺和提升产品质量的需要，同时降低产品生产费用，增强市场竞争力。

3 航空制造企业中的智能制造关键技术

目前，智能制造工艺中最重要的几个技术包括实时定位、网络安全、信息物理融合和系统协同等，结合航空制造业的实际需求和特点，其行业的智能制造技术核心点包括数字线索技术、CPS赛博物理生产和人工智能增强技术三个方面。在其中，数字线索技术是将软件、模型和信息传递等科技进行集成化形成的全生命周期管理架构，从而完成数据到实际操作的无缝连接；CPS技术是智能制造工艺中最重要的环节，其能够对生产过程中的数据和信息进行实时采集、归纳和分析，按照分析结果与各种预设规则作出精确决策，并自动操作机械执行精确动作，最后还能够采集执行结果的信息进行进一步的自我学习提升未来的决策效果。人工智能增强技术则是在数字线索技术的基础上，将复杂的系统操作和实施流程进行分解及细化，加强操作人员对系统实施效果的把握程度，进而确保各种任务和流程能够执行到位，满足高精度的生产需要。

3.1 数字线索技术的研究

智能制造工艺要完整落地，离不开从上至下的全流程管理。只能自始至终做好每一个节点和过程的管理工作，才能保证加工链条不出现断裂或是难以满足精密操作的需求。在此方面，数字探索技术能够有效增强制造工艺全生命周期的管理效果，其通过尖端建模和虚拟仿真技术建立起详细周密的实施流程，提供对各个制造阶段的数据信息进行归纳和分析的能力，让制造企业能够利用高度精确的虚拟模型和技术数据，对生产项目的成本、进度计划，产品质量和过程风险等要素进行模拟，并分析和评估潜在的问题以做出实时的调整和优化。基于数字探索技术能够建立起虚拟设计—仿真模拟—数字生产—实际成品这一套完整的新式生产模式，通过对现实生产系统进行采样和模拟，建立起科学合理的数据预测模型，从而有效预判整个制造生命周期的风险隐患和生产效果。

举例来说，美国空军曾在2013年的相关规划文件中指出，数字线索和数字孪生技术是能够改变整个制造业游戏规则的颠覆性创新，并在2014年的时候组织波音、通用电气和洛克希德马丁等世界著名的航天产品制造商开展实施了许多相关的应用项目研究和探索，并取得了诸多成果。通过数字线索技术的实用化，美国空军能够对E8攻击机、T-X高级教练机和远程空射巡航导弹等尖端航空产品做出进一步的迭代和升级，提升其实战效果。此外，诺斯罗普·格鲁门公司还借助数字线索和数字孪生技术，对F35机身的生产流程进行优化，通过对成品质检流程搭建数字线索系统，结合三维可视化模型，实现了生产成品质量的快速自动化精确分析，有效降低了不良品的发现和处理时长，优化问题特征反馈效率，提高制造工艺和模具改进工艺的修改效率，最终将F35进气道加工缺陷的修复时间缩短了百分之三十五以上，显著提升了产出效果。另一方面，波音公司与美国空军协作开发的数字孪生模型采用了先进的建模和仿真技术，对F15C等机型建立起了精确的结构尺寸，能够有效预估该等机型的材料微观缺陷，剩余使用寿命和运行载荷等情况，帮助波音公司提升了对其进行检查和修改的效率。

3.2 CPS赛博物理系统

CPS赛博物理系统是囊括了数据计算、网络传导和物理实现等多个结构在内的复杂系统，其通过3C技术、人机交互接口等技术的实用化，能够让智能化终端实时远程操作物理制造设备，安全可靠地完成各种生产流程。其技术架构包括连接层、网络层、配置层等多个层级，具备资源液化、资源集成、智能分析和数据增值等多方面的能力，从而可以实现装备信息自动检测，工厂制造智能决策和材料配置自动化等不同的功能[3]。

在实际实现的过程中，各个具备相应能力的国家对CPS技术有着不同的理解和应用方向。德国提出了工业4.0战略方针，其CPS化的主要对象为生产设备，使得各种生产设备能够灵敏感知产品类别，并根据实际情况对生产控制参数进行自适应化调整。而美国通用电气公司则提出了工业互联网的概念，其CPS话的主要目标为产品。举例来说，其能够将航空发动机进行CPS化，采集其运行数据并同步至云端，在云端平台完成相关数据的整理和分析，随后给出运行优化意见并实时反馈。需要注意的是，CPS化智能制造的实体不单单包括设备和产品在内，而是应该将涉及产品生产的人类、机械、材料、工艺、环节和检测等进行全面的CPS化，从而真正满足智能制造的需要。比方说，在制造过程中让工人携带RFID设备，采集其轨迹并进行分析，优化操作流程规范和物流配送效率。此外，还可以对制造现场的各种参数进行采集和统计分析，指导和优化制造流程，提升生产质量[4]。

我国企业在智能化升级的改革中，更加倾向于采纳美国的工业互联网概念，对许多具有高度附加值的产品进行了CPS化，如远程监控设备和运行维护系统等。同时也在不断根据实际情况，分析其装备水平和投入产出比等数据，以此决策下一步的CPS改造目标，并分配资金和专业人员逐步实现制造流程的智能化转型。

4 智能制造在航空制造产业中的具体应用

4.1 优化制造工艺过程

通过智能制造工艺，基于传统的制造流程和材料，能够针对性地研究各种零件的制造流程，优化其工艺效果，减少资源消耗，并在成组技术的基础上形成更加规范的工装结构和规程，进而提升生产管理、操作管理和生产过程控制的实际效果，进一步优化资源配置，优化生产质量，使得企业产品在市场上更加具备竞争力。

4.2 实现制造工件的快速装卸

通过设置交换式工作台能够进一步满足智能生产线的效率要求，其可以在原有的数控设备基础上进行改装，使机床可以在加工零件的同时在另一个工作台上对零件进行装夹，两边工作同步推进，大大缩短了机床的制造工时，提升了产出效率。通常来说，单机智能生产线能够操作两个工作台，而多机共同操作则能够采用更多工作台。依靠配置交换工作台，能够明显地降低各种复杂零件的制作耗时，减少机床空置率，缩短整个制造周期。

4.3 建立制造现场的数据采集和可视化动态监控

数据采集与分析系统能够对生产线上正在运行的设备数据进行收集与监控，通过分析其参数，能够快速判断质控系统，刀具系统和物料运输系统等设备的运行状态，并及时作出调整。

4.4 利用物流仓储自动化实现物料配送

每一个航空器的制造都涉及成千上万个零件，过程中包括了大量原材料，半成品和成品的运输与周转，还有加工刀具和夹具等设备的更换和使用。其运输流程非常地复杂，而通过现代物流仓储技术，能够有效简化其操作流程。

各个企业可以根据生产线的需求，在各个位置建立材料和工具的自动化库站，并根据库区大小，出入布局和货物仓位等情况，确定合理的货物分配和周转计划，并在生产线中铺设自动运输轨道与各个库站联通，通过AGV小车等运输工具实现材料和工具在仓库、机床之间的流通[5]。

同时，依靠条形码和RFID技术能够对各种物流进行电子标识，并将其录入对应的信息管理系统，从而落实所有物料的全流程数据采集和使用情况监控。

4.5 依靠APS系统自动制定生产计划

APS系统（高级排程），能够根据产品的制造流程、物料储备情况，设备运行情况和交货时间等参数，自动编制和安排产品生产计划，并对各种资源和人力进行合理的调配与使用，从而实现资源和劳动力的最大程度优化利用。

5 结语

综上所述，智能制造技术是随着时代发展和科技进步而逐步出现的一种尖端技术，其是制造业未来的发展方向，并在航空制造领域得到了广泛应用。为了更好的促进企业自身的发展，增强制造实力和研发能力，企业要根据自身情况及时进行智能化转型升级，以解决实际问题和满足使用者需求为导向，配置集成化的智能生产系统，从而规范生产流程，降低人工干预和犯错的可能性，提高生产成品的质量，提升各种物流资源的配置和使用效率，最终有效地增强制造企业的产品在市场上的竞争力，降低企业生产成品，推动企业和国家综合实力的不断增强。