刘亚威 ¦ 新工业革命下航空智能制造的三大典型范例

摘  要：以德国工业4.0、美国工业互联网为代表的新工业革命浪潮席卷全球，航空工业作为世界工业技术发展的领跑者，正在积极实践智能制造理念，以智能化为主线，向着更加精益、柔性、敏捷、以人为本、可持续和低成本的道路迈进。智能制造中，数字化、网络化、信息化、自动化进一步升级为模型化、互联互感、互通互知、自主化。欧美航空工业在这升级后的四化基础上，正向世人展示新工业革命下航空智能制造的三个典型范例——自适应加工、自主化装配、智能人工增强。

关键词：工业4.0；工业互联网；智能制造；航空工业

引  言

以德国工业4.0、美国工业互联网为代表的新工业革命浪潮席卷全球，航空工业作为世界工业技术发展的领跑者，正在积极实践智能制造理念，以智能化为主线，向着更加精益、柔性、敏捷、以人为本、可持续和低成本的道路迈进。智能制造是一个“数据感知与分析->信息处理与推送->知识共享与重用->智慧创造与升华”的过程，数字化、网络化、信息化、自动化进一步升级为:模型化——产品、资源、流程全面模型化；互联互感——人-机-物互联，并且实时采集状态数据；互通互知——数据可互操作，并且通过基于模型的仿真分析知晓任何状态；自主化——自动化设备能够根据状态信息做出自主决策，人工智能与人类智慧相结合之后实现最优执行。欧美航空制造商在这升级后的四化基础上，正向世人展示新工业革命下航空智能制造的三大典型范例——自适应加工、自主化装配、智能人工增强。

一、新工业革命下的航空智能制造

2016年3月2日，工业4.0平台和工业互联网联盟的代表达成了广泛的合作共识，成为新工业革命浪潮中的一件大事。德国提出的工业4.0是国家计划，旨在实现制造业转型升级，从以服务为导向上为众多德国中小制造企业的未来发展找寻出路；GE倡导的工业互联网是工业界愿景，旨在充分利用工业物联网，实现更多领域的互联互通互感互知，通过分布式智能设备利用先进软件分析创造更多数据价值。

1．航空工业中的新工业革命

从侧重点上来看，工业4.0重在面向下一代制造价值链的详细模型；工业互联网注重工业物联网中的跨领域与互操作性。

具体到航空工业中，工业4.0处理航空产品制造中的大数据，比如航空发动机涡轮叶片加工中的分子动力学，将制造业纵向深入到微观层面，提升产品质量和市场效率；工业互联网处理航空产品运行中的大数据，比如涡轮叶片的运行和结构状态，将制造业与广泛的服务业集成，提升运行质量和服务效率。

2．航空智能制造中的新工业革命范例

德国人工智能研究中心提出了“工业4.0”的三大范例——智能产品、智能机床、增强的操作员；GE公司提出了工业互联网的三大范例——智能设备、先进分析、与人的连接。这些范例构成了航空智能制造的基础范例。

图1  工业互联网与工业4.0范例

现在，工业互联网正通过工业物联网而向航空制造中渗透，比如空中客车公司正在打造的制造系统物联网，在飞机装配中将测量装置、铆接装置和上紧装置等智能设备无线连接到中央控制台以及工厂数据库，通过定位信息自动部署任务程序，通过位置和测量数据的实时分析与操作控制确保作业质量。

同时，通过工业4.0概念中射频识别与赛博物理系统的交互，空客工厂的生产过程能够实现三维实时可视化，成为名副其实的数字工厂，从而利用数字双子技术预测并监测工厂中的瓶颈和冲突，保证高效运行。

此外，时下火爆的增强现实/虚拟现实（AR/VR）技术既是“增强的操作员”的重要支撑技术，也是“与人的连接”的重要应用基础，扮演着连接人与航空智能制造的重要角色。

图2  制造系统物联网概念

图3  生产过程三维实时可视化

二、航空智能制造的三大典型范例

加工与装配环节是航空制造的核心，航空智能制造的三大典型范例包括:基于大数据的自适应加工、精益为导向的自主化装配、以人为本的智能人工增强。在这三种制造情境下，传统的加工和装配模式被颠覆，操作人员的角色被彻底改变，新工业革命的特征得以集中展现。

1．基于大数据的自适应加工

基于大数据的自适应加工进一步使得集成了传感器的增强机床成为智能机床。机床通过面向对象的STEP-NC标准，由CNC系统直接读取CAD/CAM数据，根据包含了零件几何形状、刀具路径生成、刀具选择等信息的“超级模型”自动生成NC代码。这一过程中，CAD/CAM/CNC/CMM之间无缝连接，从而实现动态工艺规划。

至于大数据，它可以来自产品、工艺、机床本身，传感器、驱动器、定位器、NC控制器，机床动力、工件、夹紧装置，以及工作流、信息载体（RFID）、ERP、PDM、MES和工艺模型。通过对位置、振动、力、扭矩、润滑剂、外形、温度等数据的实时分析，能够获取关于加工工艺的知识。比如，针对来自传感器与模型的数据，可进行自动模型校准和基于模型的自动工艺控制。

图4  来自增强的机床的数据

以普惠GTF发动机为例，当前的工艺建模仿真是基于水平工艺链，比如高压涡轮叶片的“铣削-磨削-抛光”，未来则要侧重垂直工艺链，即在不同尺度进行工艺建模，越微观则数据量越大，大数据出现在有限元分析、微观运动学和分子动力学中。对减速齿轮的磨削，垂直工艺链就要从磨粒建模开始，完整地再现磨削的微观机理过程，得到最佳结果。通过大数据与高性能计算，甚至对高压压气机电火花加工这样的复杂过程，也可进行多物理学建模与在线工艺仿真。

图5  齿轮磨削工具系统建模

2．精益化导向的自主化装配

精益化导向的自主化装配不是简单的利用刚性编程的机器人、AGV，而是在先进测量、物联网、可移动技术的支撑下充分体现精益制造理念，实现这些设备的自主决策。波音“网络化/可重构/自主装配”概念中，装配车间集成了无线通信系统、运动控制系统和智能动力单元，各类机器人可以动态感知制造环境并分析任务情况，机-机之间实现自主配合。

图6  “网络化/可重构/自主装配”概念

波音“机身全自动化制造工厂”专利展示了美国空军“未来工厂”计划提出的无工装工厂和可移动智能的概念，车间地板以RFID标识出六个装配单元，钻铆机器人、柔性简易工装都是可移动的，平时存放在等候区。中央控制台基于生产速度和订单分派任务，通过运送部件的AGV控制工作和运动时间，AGV可自主地根据任务在等候区和各单元之间搬运机器人和工装。

自主化并不是无人化，空客验证的人机协同机器人印证了这一点，它可以自主操作、在车间中独立移动并且基于先进的触觉和光学传感装置避免碰撞。这种机器人与人在相同的区域工作，能够执行多种任务，协助操作人员减少重压和单调的劳作以及检测任务。

3．以人为本的智能人工增强

人是航空智能制造转型之路的核心资产，智能人工增强综合利用AR/VR技术并与工业物联网、智能可穿戴和移动设备结合，增强人获取信息和利用知识的能力，使人更好地融于智能环境，从而更好地理解和执行任务。

飞机中的复杂管路和长达数百公里的电线、数万个托架安装以及连接器插装，是目前智能人工增强的主力战场，AR系统通过强大的用户界面显示，能够一步步地指导操作人员精准执行这些任务，而且还能快速检测安装质量。目前，AR技术进一步迈向飞机零部件组装环节，空客操作人员就佩戴谷歌眼镜完成A330客舱座椅安装。

图7  智能平板指导A400M电线安装

空客正在研究让人工钻孔这个过程更加智能的工具，整套系统由AR设备以及钻孔、测量、上紧和质量验证四个工具组成，AR设备的核心部分包括嵌入操作工人眼镜的高清摄像头、潜入操作工人衣服的处理器以及嵌入式图像处理软件。整套系统建立在具备视觉算法的工艺环境之上，每个工具都具备一系列功能，并且能够执行自动检查和校正，相关信息都将通过AR设备使操作人员能够知晓，以做出最佳的后续行动。

图8  基于AR的智能钻孔工具

航空工业需要大量的技巧型知识，并且非常依赖基于人的工艺。航空系统日渐复杂，研制和培训周期则越来越短，智能人工增强实现更简便、更快速和更安全的操作，从而节省时间、成本和能耗，是一个关键制胜因素，这也是欧美航空工业以人为本智能制造理念的绝佳诠释。

三、结束语

航空智能制造中的自适应加工、自主化装配、智能人工增强，最重要的是大数据的基础、精益化的思维、以人为本的理念，目前也是我国航空工业较为忽视和建设不足的方面。新工业革命下航空智能制造的三大典型范例带来的一个认识，即从微观尺度生成并利用大数据掌握机理知识、最大程度改造现有设备实现精益和智能的双赢、充分发挥人的作用并提升其操作和创新能力，将是我国航空工业未来与欧美航空工业竞争的三个关键因素，值得我们认真考虑实施。

刘亚威先生此前已为《空天防务观察》提供36篇专栏文章，如下表所示：

序号	篇名	发表日期
1		2015年2月16日
2		2月23日
3		2月25日
4		2月27日
5		3月11日
6		4月8日
7		4月22日
8		5月27日
9		6月1日
10		8月17日
11		8月24日
12		9月28日
13		10月9日
14		10月14日
15		11月23日
16		12月18日、21日和23日
17		2016年1月8日、15日
18		2月15日
19		2月22日
20		3月4日
21		4月1日
22		4月6日
23		4月8日
24		5月11日
25		5月17日
26		5月23日
27		5月30日
28		6月6日
29		6月29日
30		7月5日、7月7日
31		7月11日、7月13日
32		9月8日
33		10月19日
34		10月21日
35		10月24日
36		11月21日

以上文章引起了广泛关注和较大反响，有兴趣的读者可点击上表中“篇名”列的原文链接阅读。

（中国航空工业发展研究中心  刘亚威）

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