“工業(yè)4.0”提出通過建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式，使德國成為新一代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的供應國和主導市場，提升其全球競爭力[1-2]；《中國制造2025》旨在實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展，改變我國制造業(yè)“大而不強”的局面[3-4]。通過深入實施《中國制造2025》，推進軍民深度融合，走出一條成功的軍民融合之路。世界各國在制造業(yè)領(lǐng)域采取的一系列措施均表明以智能制造為代表的先進制造技術(shù)是未來的必然發(fā)展方向，也是我國實現(xiàn)軍民融合的重要手段[5-6]。

一、航天器大型構(gòu)件產(chǎn)品智能制造需求

目前，航天器大型構(gòu)件制造中的主要技術(shù)瓶頸可歸納如下[7-8]。

1）大構(gòu)件產(chǎn)品的制造超出現(xiàn)有加工設(shè)備的能力范圍。航天器艙體構(gòu)件尺寸大、重量大、轉(zhuǎn)運困難，艙體焊接、組合加工等超過現(xiàn)有加工技術(shù)能力，制造瓶頸日益突出，迫切需要獨立的、柔性化高智能加工裝備。

2）航天器產(chǎn)品制造過程復雜、工序繁多、任務繁重，周期性要求緊。航天器大型艙體產(chǎn)品構(gòu)件復雜、種類繁多，且具有較差的繼承性。隨著我國航天器產(chǎn)品需求量攀升，造成了航天器制造業(yè)研制任務大幅增加的局面，迫使裝備的研制周期大為縮短。

3）大構(gòu)件產(chǎn)品制造過程柔性、自動化水平需要提升。鑒于艙體大尺寸構(gòu)件特性，其研制過程多為人工參與，易造成裝備的一致性差、品質(zhì)不穩(wěn)定。同時，多環(huán)節(jié)裝配過程對工人技能依賴大，人力占用多，導致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)能不足。因此，需要高度自動化、智能化的裝備提升產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及生產(chǎn)效率。

4）生產(chǎn)過程多變，生產(chǎn)管控難度大，數(shù)據(jù)采集的完整性和及時性要求高。生產(chǎn)過程中大量存在設(shè)計更改、工藝變更、計劃調(diào)整等現(xiàn)象，且零件種類眾多，產(chǎn)品加工工藝路線不同，制造周期長短不一，管控難度大。生產(chǎn)現(xiàn)場實物與數(shù)據(jù)信息缺乏有機關(guān)聯(lián)，難以及時形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)包。

5）車間物料齊套及時性要求高。單元化生產(chǎn)模式導致工序轉(zhuǎn)運距離長，對物料及時齊套要求高，以滿足車間任務功能多樣化、多型號并行、研制周期短等要求。

大型構(gòu)件的民用產(chǎn)品有很多，如高鐵大型構(gòu)件、船舶大型構(gòu)件等，它們的智能制造需求同航天器大型構(gòu)件類似，探討航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)的研究與應用，促進相應的技術(shù)方法和軟硬件系統(tǒng)的形成，對軍用技術(shù)向民用領(lǐng)域推廣具有重要的理論意義和實踐價值。

二、航天器大型構(gòu)件智能制造探索與實踐

智能制造是制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的交叉融合，面向產(chǎn)品全生命周期具有信息動態(tài)感知、實時優(yōu)化分析、自主決策、精準執(zhí)行控制的功能，旨在高效、優(yōu)質(zhì)、清潔、安全地制造產(chǎn)品、服務用戶的制造模式。利用多種傳感系統(tǒng)獲取制造過程中實時運行狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)；通過高速網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的實時傳遞、存儲和分析；根據(jù)分析的結(jié)果，按照設(shè)定的規(guī)則或積累的知識通過人工智能方法做出判斷和決策；最后，再將結(jié)果反饋到制造過程，完成精確調(diào)整和處理。圍繞智能制造的感知、決策、控制及執(zhí)行一體化特征，結(jié)合航天器大型構(gòu)件體制造特點及技術(shù)瓶頸，以航天器大型構(gòu)件制造數(shù)據(jù)服務為中心，重點從制造裝備智能、車間物流智能、生產(chǎn)管控智能、工藝設(shè)計智能等方面突破智能制造技術(shù)的研究與應用，建設(shè)一條管控全面信息化、物流配送精準化、作業(yè)高度自動化、決策智能化的制造脈動生產(chǎn)線。如圖l所示為航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)體系框架。

1.智能工藝設(shè)計

基于MBD模型打通全三維數(shù)字化設(shè)計制造的信息流，構(gòu)建工藝設(shè)計智能化環(huán)境，實現(xiàn)工藝設(shè)計與工藝仿真應用的深入融合，從模型引入、工藝資源匹配、工藝智能決策、工藝資料數(shù)字化傳遞到加工及檢測結(jié)果反饋的全過程智能化管控。

如圖2所示為航天器大型構(gòu)件智能工藝設(shè)計平臺。通過模型智能比對工具，輔助設(shè)計與制造雙方的會簽協(xié)同，提高模型檢查效率。重點服務于面向車間現(xiàn)場智能裝備的構(gòu)件化智能工藝規(guī)劃和管理。既有的模型實例及與模型相配套的工藝實例被作為知識存儲與維護在工藝規(guī)劃系統(tǒng)內(nèi)。利用航天典型產(chǎn)品的相對相似性與穩(wěn)定性，通過檢索參數(shù)、特征或幾何構(gòu)件等信息，關(guān)聯(lián)查詢到可復用的工藝文件，在此工藝文件的基礎(chǔ)上適當調(diào)整，以滿足新模型的工藝設(shè)計需求。在編制工藝過程中，支持關(guān)聯(lián)產(chǎn)品、資源、工廠研制能力等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對工藝數(shù)據(jù)的權(quán)限、版本、配置及流程管理，利用現(xiàn)有典型工藝、工序、工步等標準化模板知識，提高工藝編制效率。最終，實現(xiàn)面向智能裝備的工藝信息輸出，為智能裝備的運行提供技術(shù)支持。構(gòu)建基于三維環(huán)境構(gòu)建虛擬仿真環(huán)境，為加工仿真、裝配仿真、數(shù)字工裝、工廠布局仿真優(yōu)化提供了技術(shù)保障；實現(xiàn)工藝的智能化工裝協(xié)同設(shè)計，提高工裝設(shè)計效率和重用率。

圖1 航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)體系框架

圖2 航天器大型構(gòu)件智能工藝設(shè)計平臺

2.智能生產(chǎn)管控

以數(shù)字化生產(chǎn)管理體系為支撐，研究數(shù)字化車間智能管控技術(shù)。通過考慮航天器大型構(gòu)件智能數(shù)字化車間設(shè)備能力，以主生產(chǎn)流程模型為驅(qū)動，以多源信息感知網(wǎng)絡采集的過程實時數(shù)據(jù)為輸入，并實現(xiàn)同步實時監(jiān)控，研究多品種生產(chǎn)作業(yè)，多因素擾動背景下的智能排產(chǎn)與優(yōu)化調(diào)度，以高效運轉(zhuǎn)等相關(guān)性能指標為優(yōu)化目標，得到航天器大型構(gòu)件智能數(shù)字化車間完整高效的運轉(zhuǎn)方案，并實現(xiàn)虛擬化仿真驗證。如圖3所示為智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)功能構(gòu)件圖。

為提高制造周期，研究以計劃驅(qū)動的物資配送技術(shù)、精細化管控技術(shù)、數(shù)字化標識技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)物料快速定位及追蹤，縮短物料準備周期，降低運輸和管理成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)從宏觀到微觀、從整體到細節(jié)、宏觀微觀結(jié)合的型號產(chǎn)品進度監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析應用，大幅度縮短了生產(chǎn)準備時間，還能夠基于條碼或無線射頻識別（RFID）技術(shù)實現(xiàn)對產(chǎn)品、物料、托盤和包裝箱等車間生產(chǎn)要素的數(shù)字化標識、快速定位和信息查詢。

圖3 智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)功能構(gòu)件圖

3.智能物流與倉儲

如圖4所示為航天器大型構(gòu)件智能物流與倉儲系統(tǒng)。物流管理信息系統(tǒng)主要是通過對倉儲物料信息的實時同步與自動配送實現(xiàn)對生產(chǎn)物料需求的及時響應，通過生產(chǎn)物流運行與生產(chǎn)計劃調(diào)度的協(xié)同實現(xiàn)對生產(chǎn)物流的智能管理；物料數(shù)據(jù)智能感知是采用條碼/RFID等技術(shù)，實現(xiàn)在庫數(shù)據(jù)的快速采集，在途位置的動態(tài)跟蹤，在用信息的實時反饋，實現(xiàn)生產(chǎn)物料在庫、在途、在用各環(huán)節(jié)信息的及時采集和精細化管理；物流信息智能處理是根據(jù)生產(chǎn)計劃與物料消耗自主生成物料需求，對物料需求的到達時機進行優(yōu)化調(diào)度形成配送指令，對到達工位的物料種類、狀態(tài)、數(shù)量進行自動核對，對工位物料消耗進行隨時監(jiān)控，對缺料、故障等情況進行及時提示和預警；物流過程智能執(zhí)行是采用堆垛機高層貨架系統(tǒng)，實現(xiàn)快速動態(tài)盤庫，根據(jù)物料上嵌入的條碼或者RFID芯片，實現(xiàn)對物料出入庫信息的快速處理，采用智能平臺車作為搬運設(shè)備，實現(xiàn)運送過程的自動導航和隨時追蹤等。

4.智能制造裝備

智能制造裝備是工業(yè)技術(shù)與信息技術(shù)“兩化深度融合”的載體，依據(jù)航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)需求，研發(fā)具有感知、決策、控制、執(zhí)行一體化功能的制造裝備，以實現(xiàn)先進制造技術(shù)、信息技術(shù)與智能技術(shù)的集成與深度融合。

為提高航天器大型構(gòu)件裝配調(diào)試工作效率和裝配精度，通過研究多軸伺服電機控制技術(shù)、雙車拼接聯(lián)動控制技術(shù)、基于視覺的自動導航技術(shù)、超聲避障技術(shù)、獨立懸掛減振技術(shù)和大承載全向輪設(shè)計技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，自主研發(fā)高端智能載荷平臺車（如圖5a所示）。并設(shè)計多樣式的升降模塊、多自由度姿態(tài)調(diào)整模塊、高精度導航定位模塊，以支持多樣化產(chǎn)品制造需求。結(jié)合串并聯(lián)式機器人，構(gòu)建全向智能移動機器人（如圖5b所示），融合數(shù)字化測量技術(shù)、智能控制技術(shù)及數(shù)字化網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)航天器大型構(gòu)件的支架安裝面和安裝孔組合加工及輻射器焊接等操作。通過對機床切削力、振動、溫度等信號進行分析，建立信號特征量變化與航天器大型構(gòu)件損耗之間的關(guān)系，實現(xiàn)對機床故障的預警與診斷，并提供智能化的維修方案與維修計劃。

圖4 航天器大型構(gòu)件智能物流與倉儲系統(tǒng)

三、大型構(gòu)件智能制造技術(shù)推廣應用

以航天器大型構(gòu)件為研究對象所形成的智能制造技術(shù)成果，可進行一系列的功能擴展，應用于不同的民用產(chǎn)品。

1） 參照航天器大型構(gòu)件智能工藝設(shè)計平臺，提煉基于特征的快速編程、大型五軸數(shù)據(jù)加工工藝與仿真、高硬度材料精密特種加工等方法，將其推廣應用于機電產(chǎn)品中的陀螺、渦旋壓縮機、諧波減速器等產(chǎn)品核心部件的制造加工，以實現(xiàn)加工工藝改進?；谏a(chǎn)線規(guī)劃與仿真方法，完成軌道交通大型構(gòu)件工藝規(guī)劃與仿真，實現(xiàn)以物理生產(chǎn)裝備和數(shù)字化系統(tǒng)深入融合，從整體上縮短工藝準備周期，提高工藝質(zhì)量。

2）依托航天器大型構(gòu)件智能生產(chǎn)管控系統(tǒng)技術(shù)，推廣應用于通信行業(yè)的大型鐵塔制造過程中，實現(xiàn)對于不同地域、不同塔型、不同管型的管理，完成生產(chǎn)節(jié)拍的快速響應，進而以支持決策者能夠掌握自身的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)資源以及所生產(chǎn)的產(chǎn)品，能夠調(diào)整產(chǎn)品的生產(chǎn)流程與工藝方法，并能夠根據(jù)市場、客戶需求等動態(tài)信息做出快速、智能的決策。

3）采用航天器大型構(gòu)件智能物流與倉儲系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，設(shè)計電商、快消等行業(yè)倉儲物流線解決方案，構(gòu)建通過計劃自動分解與下達、調(diào)度派工管理、裝配現(xiàn)場管理、物料管理、工具管理、設(shè)備管理、人員管理和質(zhì)量管理等一系列功能，實現(xiàn)物料配送的精準化、高效化和柔性化。完成軌道交通大型核心部件物流與倉儲功能，采用RFID等技術(shù)，實現(xiàn)物料的精細化標識，實現(xiàn)物料的在庫存儲、在途運輸、在線使用等狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時感知和及時處理，滿足了生產(chǎn)制造的高時效性要求。

4）開展智能專用裝備、智能傳感器、智能控制系統(tǒng)研究，完成先進制造技術(shù)、信息技術(shù)與智能技術(shù)的集成與深度融合。提煉多智能裝備集成協(xié)同、閉環(huán)反饋控制、軌跡跟蹤等技術(shù)，實現(xiàn)基于可移動式制孔串聯(lián)機器人的大型飛機壁板自動鉆孔加工，實現(xiàn)基于可移動式焊接串聯(lián)機器人的海洋大型鉆井平臺鋼構(gòu)件焊接，實現(xiàn)基于可移動式并聯(lián)調(diào)姿裝備的大型飛機艙段調(diào)姿對接/裝備。通過集成雙車級聯(lián)及激光同步測控系統(tǒng)，實現(xiàn)高鐵車輛等超大型產(chǎn)品的廠房內(nèi)外轉(zhuǎn)運。雙車組合承載能力50t，雙車同步精度±1mm，運行速度0.6m/s，通過采用24軸協(xié)同控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)26m長超大產(chǎn)品的廠房外靈活轉(zhuǎn)運，包括橫向平移、斜向行駛及原地零回轉(zhuǎn)半徑運動等。

圖5 典型高端智能制造裝備

四、結(jié)束語

通過對航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)的探索，實現(xiàn)了制造模式轉(zhuǎn)型、提升了高端裝備制造能力，完成了信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)同先進制造技術(shù)的深度融合。通過提出航天器大型構(gòu)件智能制造技術(shù)體系框架，提煉關(guān)鍵技術(shù)，推廣研究技術(shù)到其他民用制造領(lǐng)域，完成了軌道交通大型核心部件物流與倉儲系統(tǒng)、通信行業(yè)的大型鐵塔制造管控系統(tǒng)及高鐵車輛等超大型產(chǎn)品智能移動裝備系統(tǒng)等軟硬件研制，取得了可觀的應用結(jié)果，為我國軍民融合的發(fā)展積累了成功案例。

[1]隋少春,牟文平,龔清洪,等.數(shù)字化車間及航空智能制造實踐[J].航空制造技術(shù),2017(7): 46-50.

[2]Zhou Keliang, Liu Taigang, Liang Ling, From cyberphysical systems to lndustry 4.0: make future manufacturing become possible[J]. lnt. J. Manufacturing Research,2016,11(2):167-188.

[3]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程,2015,26(17):2273-2284.

[4]鄒方.智能制造中關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)[J].航空制造技術(shù),2014(14):32-37.

[5]林漢川,湯臨佳.新一輪產(chǎn)業(yè)革命的全局戰(zhàn)略分析——各國智能制造發(fā)展動向概覽[J].人民論壇·學術(shù)前沿,2015(11):62-75.

[6]王友發(fā),周獻中.國內(nèi)外智能制造研究熱點與發(fā)展趨勢[J].中國科技論壇,2016(4):154-159.

[7]孫京,劉金山,趙長喜.航天智能制造的思考與展望[J].航天器環(huán)境工程,2015,32(6):577-582.

[8]李星,張加波,劉從華等.數(shù)控機床遠程監(jiān)控及加工過程參數(shù)實時采集與應用效果分析[J].新技術(shù)新工藝,2015(5):153-156.