内刊访谈

[科技前沿] 国内外航空智能制造发展与我国瓶颈技术探讨

发表时间:2019-04-26 17:01:11

文/魏巍 刘继红 赵罡 李汝鹏
 

通过产业体系变革、高新技术创新应用,我国航空工业在迈向智能制造的转型升级道路上取得了显著的成效和积累,但与国外相比,我国航空智能制造发展仍处于起步阶段,在模型驱动的设计/制造/验证/服务、智能化设计、材料智能研制、工艺设计与制造、赛博物理生产系统、网络化协同制造、服务保障技术及模式、标准体系等方面存在技术瓶颈。

 

航空产业作为体现国家综合实力、军事威慑能力和国际影响力的战略性高科技产业,是衡量国家工业基础、综合国力、科技领先水平以及国防现代化程度的重要标志。航空产业是新技术应用的引领创新者。从早期设计与制造技术的发展开始,航空产业在采用新技术创新产业组织、产业技术、产业发展模式和促进产业变革方面所发挥的作用以及取得的成效始终在工业界举足轻重。

本文通过调研国内外航空领域科研生产中推进智能制造的基本现状与面临的主要问题,分析推进智能制造的主要成效与经验教训,分析我国航空领域智能制造战略需要加强与弥补的差距与短板,梳理出需要攻关的关键技术和瓶颈问题,研究提出我国领域推进智能制造的方法、策略与建议。

 

航空智能制造发展现状

 

一、国外航空智能制造发展现状

 

以美国工业互联网和德国工业4.0为代表的新工业革命浪潮席卷世界,作为全球工业技术发展的领跑者,发达国家的航空制造企业已经纷纷开始了智能制造战略规划和创新实践,由人工智能、物联网、云计算、大数据等新兴技术主导的,新一代信息技术与制造技术深度融合的智能生产方式正在不断推动航空制造业务模式朝着更加精益、敏捷、以人为本、可持续和低成本的方向创新和发展,给航空产业带来新的变革。

 

(一)基于模型的全生命周期数字产线

 

国外航空制造企业深化数字化手段,通过建模和仿真技术的全面应用,形成了以正向设计研制流程为主线、以全三维数字样机应用为标志的航空产品研制体系。基于模型的系统工程、基于模型的产品定义、系统匹配与多学科综合、预测设计与分析、虚拟试验、虚拟制造等技术不断深化应用,构建基于模型的全生命周期数字化产线和数字化企业。

罗罗公司很早就建立了良好的数字化基础,在其发动机研制过程中提出了“从设计到飞行试验全面数字化”,并通过构建专业化的设计系统、发展CFD仿真分析、构建协同工作环境等措施,从整体上提升了航空发动机的技术研发能力。波音公司通过“定义和控制飞机构型/制造资源管理”(DCAC/MRM)项目,以单一产品数据源为基础,采用精简的作业流为主线来主导和管理整个波音公司的型号设计、工艺规划、生产制造和服务支持的全过程。空客公司针对A350所面临的新的挑战,采取了新的实施方法和技术,如实时的并行工程、数字化样机作为唯一法定的制造依据、一个单一数字化样机环境来满足各阶段各专业的需求、一致的工具软件等。

近年来,国外发展了数字孪生(Digital Twins)与数字链(digital thread)等前沿技术,在产品设计、制造和运行的各个阶段实现了真正意义上的产品与模型一一对应。数字孪生概念是在现有的虚拟制造、数字样机(包括几何样机、功能样机)等技术基础上发展而来,数字孪生与数字化产线之间的关系如图1所示。数字链贯穿于产品的整个生命周期,尤其是从设计、生产、到运维的集成,它与数字孪生相互关联,数字孪生描述的就是通过数字链连接的各具体环节的模型。


图 1数字孪生与数字化产线的关系

(二)跨国/跨企业网络化协同制造模式

 

国际上领先的航空制造企业普遍推行以并行工程为核心的、网络化协同设计、制造和服务的产业协同模式,以实现全球范围内的最优能力单元(COE)业务集成。主集成商通过搭建全球化的设计和制造一体化集成平台,统一管控模式、技术架构和软件工具,在全球范围内构建部署了跨组织、跨平台、跨地域的协作环境。

普惠公司早在2000年就为构建“数字化虚拟企业”制定了企业产品生命周期管理战略,将设计、制造、供应链及客户服务等进行全链条集成,突破仿真、集成、优化等关键技术,实现发动机的高效研发。空客在A380的研制中,通过开发一套专门的系统PRIMES(Product Related Information Management Enterprise System),实现了异构系统的集成和数据的统一管理,让位于多个国家的若干子公司的员工共同承担设计和制造工作,解决了各分支机构的设计平台与工具各异且数据无法统一的问题,为A380型号研制提供了一个完整的产品知识库,实现了型号研制工作的协同,比A340的研制周期缩短25%,成本减少50%,利润增加10%,如图2。


图 2空客公司的智能制造体系

德国的航空航天中心、汉堡航空产业集群将科研力量雄厚的大学和高新技术企业联合起来,吸纳科技人员携带技术成果向企业转移,或自主研发,成为推动产研结合、技术转移和科技成果商业化的科技创新中心。德国施塔德复材谷是复合材料技术创新中心、产业链培育和实施的一个典范,主要为空客的复合材零部件制造和装配提供技术研发、生产线集成服务,也向全球提供技术输出。国家技术转移中心(NTTC)、联邦实验室技术转让联合体(FLC)和国家技术信息中心与复材谷直接相关的100多个单位中,小企业占39%、中小企业占29%、大企业占17%、研究机构占15%,这些企业按照技术成熟度进行分工协作。

 

(三)航空企业积极开展智能制造创新实践

 

罗罗公司针对航空智能制造制定了三步走发展战略。第一阶段,通过制造工厂全数据控制的实施,把数字化工厂与进行数字化设计的机构相连接;第二阶段,将位于生产车间的数字化设备或者资产,与更广泛的、更大范围内的制造系统相连,将物联网、云计算、数据分析等应用到发动机制造上;第三阶段,将各种供应商连接在一起,使数据化贯穿完整的价值链。

GE公司2012年提出了工业互联网技术,确定工业互联网作为GE乃至整个工业领域的突破方向,其运行机制如图3所示。GE希望通过在其产品中增加更多的传感器来获取海量数据,通过大数据分析、云计算和移动技术的融合,工业互联网将“应用孤岛”连通,创造一个由机器、数据组成的庞大的物理世界。GE通过对软件与工业数据的深入研究,成功推出全球第一个收集与分析工业数据的操作系统—Predix。它不仅能实时监控发动机运行状态,同时能够随时捕捉在运行过程中高速产生的海量数据,还能对这些数据进行存储、分析和管理等操作,做到对发动机状态的实时监测、调整和优化。基于Predix平台,GE还采用数字孪生技术,为每台发动机在虚拟世界创造一个数字孪生体。应用数字孪生技术后的GE90发动机的大修次数显著降低,节省了大量成本。


图 3GE工业互联网运行机制

普惠公司在2012年实施了智能制造单元战略,通过引入智能生产线,对工厂进行大规模升级。其投资建成的智能制造卓越中心拥有先进的自动化、闭环流程控制和高精密机械加工技术。2014年,普惠公司在智能制造单元战略的基础上,实施了先进制造中心战略,投资2.75亿美元建立了3条下一代发动机关键零部件的智能生产线。

波音公司基于美军陆军未来战斗系统项目的核心理念,正在实施网络化制造和操作(NEMO)计划。该计划将“态势感知”等先进技术引入飞机的装配生产线中,通过开发智能工具,实现制孔、紧固件安装等工序的智能化操作。通过采用增强工艺技术,将零件的准确定位点或边界,投射到飞机产品上,利用传感器监测智能化紧固件连接工具、智能化点胶设备、智能化工装、智能化夹具等设备的状态,并采用数字电子测量和检验系统来监测和传输装配过程中的各类信息和数据。未来10年,波音公司计划扩大NEMO的应用范围,将客户/供应商、工程师和装配工厂之间联通。波音也开发了飞机健康管理(AHM)系统,并在全世界53家航空公司的近2000架飞机上进行安装和使用,该系统能够在飞机飞行的过程中实时监测其系统与各零部件,并通过远程交互的方式对故障进行检测和排除。

空客公司通过飞机维修与分析(Airman)系统对飞机的状态进行实时监控,并将故障或警告信息传送至地面控制站,同时该系统还具备提供维修文件的快速访问以及筛选故障排除方法等功能。同时,空客公司还通过飞机通信寻址系统(ACARS)实时采集和分析远程数据,进而实现了运行过程与设计和制造过程之间的数据交互。2013年,空客公司提出“未来工厂”的建设构想,旨在提升其产品生产效率。在“未来工厂”建设过程中,空客公司积极研究机器人、虚拟现实(VR)、3D打印等先进制造技术,并逐步获得应用。

 

二、国内航空智能制造发展现状

 

为适应国际战略形势和国家安全环境的变化,迎接世界新军事变革的挑战,面向全球市场积极参与竞争,我国把航空工业的发展置于更加重要的位置,明确了我国由航空工业大国向航空工业强国转变的战略目标。国家中长期发展规划将大飞机列入重大专项,国家科技创新计划将航空发动机与燃气轮机列入重大工程,《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》、《中国制造2025》都把航空工业列为重点产业和重点领域。

我国航空工业发展坚持走不断改革和持续技术创新道路。通过产业体系变革、高新技术创新应用,我国航空工业在迈向智能制造的转型升级道路上取得了显著的成效和积累。

 

(一)变革航空制造产业体系

 

进入21世纪,我国航空工业勇于改革,不断优化产业体系结构。2008年5月在上海成立中国商用飞机有限责任公司,作为主体承担我国大型飞机重大专项中大型客机项目,同时也作为主要载体来统筹干线飞机和支线飞机发展、实现我国民用飞机产业化。同年11月,重组并整合中国航空工业第一、第二集团公司,成立中国航空工业集团公司。2016年5月,中国航空发动机集团有限公司正式成立。产业体系结构变革为实现以内驱创新跻身世界航空制造业第一梯队奠定了坚实基础,也为推进航空智能制造发展创造了大协作环境。

 

(二)航空产业数字化取得显著成效

 

航空制造产业一直是先进制造技术发展和应用的重点领域之一,数控机床、CAD/CAM技术首先是为了满足航空产品复杂结构制造需求而出现并不断发展、并大量应用于航空产品的研制过程。目前,数控机床、CAD/CAM技术已经从早期的航空零件机械加工应用,逐步拓展到了钣金加工、装配等关键的工艺制造过程,铸造、锻造、热处理及表面处理工艺也逐步实现自动控制,已经初步形成航空产品全数字化设计制造模式,数控车间成为各航空企业的核心能力建设重中之重,数控设备也成为航空企业近年来技术改造配备的主要装备。总体上,航空零件制造技术发展大致经历了三个阶段:① 高精度数控机床应用,实现机加零件的计算机辅助制造、分布式控制;② 数字化柔性生产线应用,实现产品设计制造集成化;③ 建立集成产品协同研发环境,实现计算机集成制造和协同研制。

产品制造工艺技术的成熟发展是制造领域数字化智能化技术应用的前提,航空制造企业已经较好地掌握了先进工艺技术并广泛应用于产品制造,如整体薄壁结构精确加工、复杂结构加工变形控制、高速铣削、工艺及参数优化、柔性工装、理论外形数据处理及加工仿真技术等,并逐步建立完善了设计制造数据库。 

集成制造技术在航空领域也不断进行探索和实践,FMS技术、无纸设计制造、航空CIMS工程、异地协同等经过“八五”~“十五”期间的不断探索和深化研究,为飞机数字化工程的实施奠定了重要技术基础。“十一五”期间启动的“飞机数字化工程”已经在机械加工、钣金成形、复合材料构件制造等专业推动了设计制造异地协同、工艺数据的集成设计、规范化工艺设计及输出、典型生产线数字化运行的发展应用,示范性的企业/车间网络已经形成,ERP、CAM/CAM、CAPP、MES等基本数字化系统已经成为航空产品制造过程中不可或缺的工具。

 

(三)航空智能制造的初步发展

 

“十二五”以来,在国家科技部、工信部、国防科工局等国家部委局的支持下,我国航空工业在大数据、云平台等智能平台,机器人、自动钻铆机、AGV等智能装备,RFID等物联网核心技术等方面组织开展了一系列探索性研究工作,形成了自动化装配、智能装配的通用技术基础。上海机器人联盟、上海智能制造联盟、上海RFID联盟等产业联盟,在工业机器人研发和应用、智能制造理论和装备研发、RFID产品研发和应用方面积累了一定的基础。在大飞机制造方面,在C919大型客机研制中,上飞公司建成了以自动化、数字化、智能化装配及管理为特征的水平尾翼装配智能车间,实现了数字化尺寸控制与大部件自动装配、自动钻铆、数字化测量,以飞机三维数模为数据源,零部件对接、制孔、钻铆、部件运输的自动化,研发了MES系统、物料集成管理系统等,实现了产品、制造、物流过程的信息化管控。上海飞机制造有限公司基于HOLOLENS眼镜开展了基于增强现实的智能化辅助装配技术的研究,并实现了在ARJ21中起落架装配过程中的应用,包括起落架结构的展示,装配过程演示、注意事项提示、机构运动展示等相关功能,为型号研制提供了有力的支持。

在数字化工厂建设方面,针对商用飞机零件制造、机体装配及总装,以智能制造为指导思想,总体规划智能制造工厂的结构与组成,通过研究执行过程智能化调度、智能工艺设计与生产管理、多源信息采集与管理等关键技术,实现智能化生产执行过程管控;通过建设零件智能制造生产线、平尾自动化装配生产线、机身及全机对接生产线、总装移动生产线,AGV小车,自动立体化仓库等核心智能设备,形成智能生产线与智能化仓储/运输物流,并构建智能化生产控制中心,实现对智能制造的整体管控,形成完整的智能制造工厂,用于商用飞机批产,并起到在行业内外应用示范的作用。

 

航空智能制造的瓶颈技术

 

一、模型驱动的设计/制造/验证/服务技术(MBx)

 

基于模型的协同设计。主要包括复杂系统运行意图/场景、需求定义与管理、功能分析与建模、设计综合以及验证确认技术;基于知识组件的多专业协同设计模式技术,几何样机、功能样机和性能样机等多层级数字样机技术,模块化动态最优配置的产品协同设计技术,基于数字样机的工艺规划、定义、仿真与验证确认技术等。

基于模型的制造工程。主要包括从设计MBD到制造MBI(基于模型的作业指导书/检测)贯穿的数字线索技术,基于设计MBD模型延拓与共享的制造信息和检测信息描述技术,基于模型的制造过程管理(MPM)技术等。

基于模型的服务与供应链管理。主要包括基于企业云的综合保障设计平台、客户服务平台和快速响应中心构建技术,以数字孪生为代表的故障监测与健康管理(PHM)等新型制造服务技术;基于企业云的动态企业联盟辅助决策技术,基于高级供应链优化模型的辅助决策技术,以及先进物流管理模型及运行支撑环境构建技术。

 

二、航空智能化设计技术

 

航空产品是复杂产品的典型范例,其设计过程较大程度地区别于普通的工业产品,可以说航空产品的设计是工业产品设计皇冠上的明珠。航空智能设计的发展趋势主要分为5个方向:个性化、知识化、模型化、协同化和虚拟化。

为了顺应智能制造技术的发展,航空设计技术需要从测绘仿制向自主研制转变、从逆向设计向正向设计转变。而我国航空装备的智能化技术基础比较薄弱,自主创新设计能力不足,设计技术成为制约我国航空智能化设计水平的瓶颈技术,包括航空仿真与优化设计技术,基于云计算及大数据的协同设计,以及协同设计平台技术等。

 

三、航空材料智能研制技术

 

由于航空材料对航空产品贡献率的不断提高,其基础地位也不断提升。航空材料已成为与航空发动机、航空信息技术并列的航空领域三大关键技术之一,也是对航空产品发展有重要影响的六项技术之一。

我国与国外航空材料智能化设计与研制技术差距较大,航空材料智能研制技术成为制约航空智能制造发展的瓶颈技术之一,具体包括基于知识库的航空材料智能设计技术、航空材料制备过程的智能检测,以及航空材料及构件虚拟服役评价与失效分析技术等。

 

四、航空智能工艺设计与制造技术

 

工艺设计与制造技术是航空制造过程的核心和灵魂,是提高航空制造水平的关键环节,也是制约航空智能制造的瓶颈技术。航空智能工艺设计与制造技术是推动工艺设计数字化、制造过程自动化和生产管控智能化的基础保障,主要包括基于知识工程的数字化工艺设计与制造技术,基于数字孪生的制造过程仿真技术,基于制造物联的工艺过程智能化技术等。

 

五、赛博物理生产系统技术

 

赛博物理系统作为工业4.0的核心技术,正在有力推动在协同开发、智能制造、敏捷服务等技术领域形成新型集成化应用范式,受到工业界的广泛研究与高度重视。航空制造业具有技术密集度高、产业关联度广、量化融合程度深等特点,处于装备制造业的金字塔尖,未来航空智能生产系统与智能工厂管理必然基于赛博物理系统,因此,赛博物理生产系统技术是航空智能制造的关键瓶颈技术之一,主要包括智能化生产运作与现场管理系统,基于数字孪生的智能制造系统,以及生产管理智能化系统等。

 

六、航空产业网络化协同制造技术

 

网络化协同制造主要适用于复杂产品,该类产品具有结构复杂、设计周期长、制造环节多、资源供应频繁等特点,这正是航空智能制造的重要特征。实现设计、制造、服务的高效联动是网络化协同制造的核心,是航空智能制造的未来主要目标之一。

厂所分离和异地协同是我国航空所面临的现实状况。只有通过深入研究行业协同制造技术,才能突破地理障碍和部门障碍,通过企业工业互联网驱动行业产品生产配套新模式,建立厂际、厂内业务协同机制,促进航空制造产业链整体集成,保证行业整体制造水平的全面提升。

 

七、航空服务保障技术及模式

 

从航空产业发展和国外成熟经验来看,在航空维修和服务保障(以下均简称服务保障)领域推行军民一体化保障是大势所趋。因此,航空服务保障技术及模式的变革创新和升级,在我国航空智能制造战略发展中值得高度重视。当前我国航空主要采用需求牵引的被动服务模式,不能为航空产品提供全天候、全方位的状态监控与快速、精确的综合服务,制约了航空产品的可靠性和有效性。为此,需要创新航空服务保障模式,结合故障诊断、可靠性评估、维修知识、备件预测、增强现实和混合现实等手段,通过主动服务实现航空服务保障的敏捷化、标准化和规范化,提高客户满意度。

 

八、航空智能制造标准体系

 

标准化是推动智能制造科技稳步发展的重要工具。美国国家标准技术研究所(NIST),德国标准化学会(DIN),我国工业和信息化部以及国家标准委(SAC)均发布了针对智能制造的标准版图、标准化路线图或标准化构建指南。

我国在航空智能制造领域的研究主要包括航空智能加工技术、航空智能装配技术、航空智能工厂等方面。我国航空行业缺乏统一的智能制造标准体系,没有航空智能制造工程环境的方法、标准和流程。标准体系是智能制造的基础和保障,缺乏智能制造标准体系成为制约我国航空智能制造的瓶颈环节。

 

我国航空智能制造存在的问题

 

总体上,我国航空智能制造发展仍处于起步阶段,同时,数字化网络化发展也仍然存在需要解决的问题。另外,航空工业各分支产业由于发展历程、生产特点等差异,智能制造现处阶段和未来发展路线也有不同。

我国航空智能制造发展尚需解决以下几个方面问题:

 

一、产品设计方面

 

面向整机的需求管理和数字化集成设计、验证环境缺失,设计知识、工艺知识、测试知识积累不够,全生命周期正向研发流程尚未形成,MBD驱动的设计制造协同未全面应用,设计、材料、制造和试验等各环节内部及业务间数字化协同能力不足。同时,仿真技术在航空装备研制全流程中应用的深度和广度不够,尚未将实物试验验证与仿真虚拟验证有机结合,缺乏建立仿真模型的方法、工具以及相关的持续优化过程。

 

二、材料设计与试验方面

 

缺少材料智能设计、工艺仿真验证、智能检测、虚拟服役评价和失效分析等关键技术手段,自主创新能力不足,材料设计、制备、服役各环节工作模式相互独立,尚未形成智能化所需的集成设计环境,设计效率与可靠性亟待提升。

 

三、工艺设计与制造方面

 

产品工艺设计、工装设计、精确把控制造过程、高效利用制造资源等方面缺乏有效的关联及信息化支撑环境,产品工艺稳定性、产品质量和试制周期难以保证,缺乏对生产线物料、设备、产品质量等生产工况的实时采集与监控,难以为生产决策提供及时、准确、有效的数据支撑,在关键制造工序、产品质量控制、设备利用率、单位产品产值、废品率等表征指标方面与国外先进水平有一定差距。

 

四、协同研制方面

 

缺乏端到端业务流程管理理念和优化机制,业务活动以相对单一的“管”与“控”为主要体现,而非流程驱动、实时过程数据支撑的综合业务管理模式,综合管控体系能力有待提高;面向复杂型号工程的协同设计、数字化生产制造缺乏互相联通的环境和保障机制,协同研制环境未能全面推广应用,数字样机尚未在设计制造中贯通,设计、材料、制造、试验、服务等产品全生命周期环节之间数字化协同能力不足。

 

我国航空智能制造的发展建议

 

为切实推进我国航空智能制造的发展,针对以上我国航空智能制造存在的各项问题,提出以下建议:
 

一、技术标准制定
 

成立航空智能制造工程专家技术委员会,构建航空智能制造的标准体系,制定参考模型、术语定义、标识释义、评价标准等基础共性准则和数据结构与格式、通讯协议等关键技术准则。参与单位应按照航空智能制造领导小组统筹安排、协调实施、重点突破、示范为先。
 

二、增加资金投入
 

做好与国家《中国制造2025》相关专项计划、国家智能制造工程等相关计划、国家科技重大专项的对接工作,充分利用国家和地方的相关政策,通过各类渠道积极争取国家智能制造项目支持;各单位将智能制造相关建设资金和研发经费列入年度预算,特别要在创新驱动的大环境下,加大自主投入力度,设立航空智能制造相关技术科技专项,投入急需的技术验证与应用资金。充分利用国家与地方的军民融合专项资金,加速应用技术成果的推广与转化。
 

三、促进企业制造技术创新
 

以企业为主体,以需求为牵引,充分发挥产学研平台优势,加快技术成果转化,真正地从产业、应用基础技术研究布局上有效地调动各方资源,聚焦产业化研究,形成产学研联合的长效发展机制。要以战略的眼光看待航空产品的研制,培养稳定的科研队伍。同时,应注重科技成果的高效转化,并有意识地保护其知识产权,要在早期制定相应的机制来保障,以实现后期的可持续性发展。
 

四、强化技术协同创新
 

合理利用外部资源,按照共建、共享、共赢的原则,加强与国内外高等院校、企业以及国内外工业解决方案提供商的科技合作力度,共同探索智能制造方法、途径,制订切实可行的方案,总结经验;航空智能制造是一项系统工程,通过建立一批不对称技术和颠覆性技术创新中心,形成若干智能制造支撑平台,强化航空产品设计、制造与服务保障全流程的技术协同创新。
 

五、建设产品科研试制生产线
 

目前科研试制与批产并线,批产任务繁重、新型号研制项目多,相互干扰,造成进度、质量难以保证。建议以专业化分工协作、资源的合理配置为原则,以产品总装集成企业为依托,以关键零部件的关键工序为主线,合理布局,组建数字化、柔性化、高水平、小而精的科研试制车间,形成快速反应试制能力。
 

六、构建人才队伍保障体系
 

建立航空智能制造领域的立体人才培养体系,研究制订航空智能制造领域人才培养计划;加快建立健全航空智能制造领域人才培养体系,在高等院校设立跨学科的智能制造专业,组建若干智能制造职业技术学院,推动专业人才分类发展;突破现在的国有企业固有的用人机制,重点吸引海内外航空发动机及其关联学科的领军人物、顶级专家、高级管理人员、高级技术工人等各类人才,鼓励整建制团队引进;加强高校与企业合作,培育一批经营管理、专业技术技能人才,满足我国航空智能制造快速发展的需求。