航天智能制造的思考與展望

孫 京，劉金山，趙長喜

（北京衛星制造廠，北京 100094）

航天智能制造的思考與展望

孫 京，劉金山，趙長喜

（北京衛星制造廠，北京 100094）

從宇航制造面臨的形勢出發，分析了工業 4.0中提出的智能制造理念和方法，提出了航天制造技術的發展方向，進而對航天智能制造總體規劃進行了闡述，提出了CAST制造的概念，闡述了航天產業云制造、基于數據分析的自動化、基于智能化的制造服務和基于制造模式的轉型發展的具體內容和實踐，進而提出了利用天地一體化網絡實現在軌加工與裝配、空間增材制造的空間智能制造設想。

數字化制造；智能制造；制造模式

0　引言

“中國制造2025”、“德國工業4.0”、“美國先進制造合作伙伴計劃”均將智能制造技術作為帶動產業發展，實現制造業整體變革的核心發展方向。作為國家安全保障和國家經濟發展的支柱性產業之一和中國制造業發展最高水平的典型代表，中國航天制造企業在新的時期發展智能制造技術具有2個方面的重要意義。一方面，面對航天產品研制單件小批量、快速定制的特點，傳統制造模式因存在質量穩定性不高，生產效率偏低，過程數據不完整、不系統，問題處理及時性較差，人員加班加點多等問題，使得型號研制的風險與成本顯著增加，亟需通過智能制造技術解決生產中面臨的效率與質量問題。另一方面，航天企業具有較好的工業技術基礎，在中國制造業發展中位于前列，作為“中國制造2025”的重點領域，發展航空航天的智能制造，對于構建先進制造體系具有重要的引領作用。

中國航天面臨型號產品數量不斷增加，對新產品與新技術的需求日益迫切，對質量、服務和成本控制的要求不斷提高，行業內外競爭不斷加劇等形勢，有必要抓住當前制造業整體變革發展的方向，以智能制造推動中國航天新一輪產業革命。

1　航天制造發展思考

1.1制造技術的發展過程

制造技術是將原材料轉變成為產品的一系列活動的總稱。在此過程中，包含了在加工過程中原材料轉變成為半成品、成品的物理變化過程，也包括了設計師、工藝師、操作人員思想的轉變。制造技術的發展，一方面是產品加工物理手段的變化——從蒸汽機時代到電氣化時代的轉變；另一方面從產品信息傳遞手段的角度實現了從紙質圖紙、互聯網到物聯網方式的轉變，最終形成了我們當前提出的工業4.0的概念。從工業1.0到工業4.0的發展集中體現在工廠自身內涵的變化，即從“人+工具”、“人+機器”、“系統+網絡”到“數據+資源”的發展過程（見圖1）［1-4］。航天產品制造技術的發展，同樣經歷了這樣的發展過程來解決航天自身的發展要求。

圖1　制造技術的發展Fig.1　Development of manufacturing technologies

1.2航天制造面臨形勢

當前，衛星等航天器作為現代高端裝備的典型代表，其制造環境與運行環境差異較大，具有探索性、先進性、復雜性、不可維護性、高風險性的突出特點，這決定了航天器的生產制造模式——單件、小批量生產。隨著任務量的增加，以及航天器性能指標、質量與可靠性要求的不斷提高，航天器制造模式呈現出研制與生產并存、多型號交叉并行、單件與組批混合的變化，生產任務量大且不均衡，對航天制造體系（包括產品制造的管理水平）提出了更高的能力要求：

1）面向用戶的柔性定制能力

在新的形勢下，航天制造的柔性體現在對產品的柔性、對批量的柔性和對成本的柔性。航天制造體系必須能夠適應包含各類衛星、飛船和探測器的不同類型、不同質量標準、不同批量、不同成本控制的要求，并能夠以最短的時間滿足客戶的要求。

2）面向設計的開放性響應能力

設計是產品核心功能實現的關鍵環節，建立面向設計的開放響應能力（包括設計技術指標的形成、更改和變化），有助于推動航天器制造整體能力的提升，保證效益的最大化。

3）國產化自主能力

中國航天制造受到國外的裝備與技術封鎖，自主發展能力既是中國航天發展的優良傳統，也是突破發展禁錮和實現跨越式發展的重要基石。國產化自主能力也是由航天大國向航天強國轉變的核心能力，只有制造強，才能航天強。

4）綠色節能環保能力

綠色環保是先進的理念，更是可持續發展的前提。航天制造技術應該自覺主動地引領先進的發展方向，積極開發綠色制造技術，形成具有可持續性的產業能力。

5）先進技術和制造體系發展能力

航天作為高新技術，對技術先進性的追求永無止境，同樣不斷追求航天制造技術的先進性。未來航天的發展，依賴于先進制造技術的應用，更依賴于制造技術、管理方法融合一體的制造體系的發展能力。不斷創新制造技術和體系是實現航天創新的基石。

6）相關產業的協同/協調能力

制造產業鏈是航天制造體系得以發展的前提。在新時期，構建新的制造體系，實現從相對固定的產業鏈向動態的、廣泛協同的產業鏈發展，需要航天企業具有更強的協同和協調能力。

2　航天智能制造

智能制造作為新的制造模式和技術，可為高品質復雜零件制造提供新的解決方案，更適應單件小批量產品生產的需要。所謂新的制造模式，智能制造是通過網絡高度連接、知識驅動，優化企業全部業務和作業流程，可實現生產力持續增長、能源持續利用、高經濟效益目標。所謂新的技術，智能制造利用傳感技術、智能技術實現制造過程的無人化，可改變航天器不可維修的現狀。

中國航天智能制造技術體系（China Aerospace Smart-manufacturing Technology， CAST）（見圖2），采用了數字化、網絡化、智能化等手段，通過單元化、定制分離、數字化與自動化融合，支撐了載人航天、北斗導航、高分遙感等航天產品的研制，正是“中國制造 2025”在航天領域的典型實踐。CAST的成功實踐為航天器制造的轉型發展打下了堅實的基礎。

CAST詮釋了本文研究的智能制造先進理念，對4個字母可解讀為：C既可代表China，也可代表Cloud；A代表Automation（自動化），也代表Analytics（大數據分析）；S包含Smart（智能）與Service（服務）；T代表Transformation（轉型）或Transition（變革）。

圖2　CAST制造的構成Fig.2　The definition of CAST manufacturing

2.1航天產業云制造

云制造是近年來提出的一種基于知識和服務的高效網絡化智能制造模式。在CAST體系中，航天產業云制造（圖3）利用云計算、云制造技術，通過對現有網絡化制造與服務技術進行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務化，并進行統一、集中的智能化管理和經營，跨界構建動態技術網、動態制造網、動態營銷網，實現智能化、多方共贏、普適化和高效的共享和協同，推動航天制造由相對固定的產業鏈向相對動態的產業網轉變，從而推動實現面向用戶的、性價比優良的、高品質、高效率的產品與服務。

圖3　航天產業云制造Fig.3　Cloud manufacturing for the aerospace industry

通過CAST平臺，加強與外部廠商、科研院所等合作，促進軍民技術的轉換與融合，引進民營資本和社會資本，盤活資產，不斷孵化、培育制造資源云、技術云、資本云，從而促進航天產業的發展，滿足軍品、民品及國際市場的需求，實現航天產業的軍民深度融合發展。

2.2基于數據分析的自動化

數據是智能制造的靈魂。對從設備、人、機器、流程、生態鏈上采集的海量數據進行分析并轉化為有效的服務提供給客戶，是制造系統智能化的重要體現。在CAST體系中，通過自動化與數字化的融合，以數據為核心實現生產過程中設計、工藝、加工、檢測、試驗全鏈路的打通和閉環。中國航天器研制經過近50年的數據積累，近5年來初步實現了產品特性、單元數據、流程數據、工藝數據、設備數據等的分析和挖掘。同時，通過數據的歷史積累和對用戶需求的分析，初步實現了工藝、生產布局、運行計劃等的量化輸出，完成了數據驅動管理流程、生產裝備、數據采集和決策分析等的自動化，推動了生產方式的自動化變革。現有的自動化條件如下。

1）研制流程的分析（見圖4）：針對航天器中的管路、電纜網、直屬件、結構板等典型產品，在現有設計制造協同、以TC為基礎平臺的三維工藝設計與研制模式下，通過對產品研制過程中關鍵流程和重點環節的分析，實現型號產品的設計、工藝、制造、檢測、裝配（裝聯）、交付的數字一體化閉環管理，從而達到優化產品性能和提升效率的目的。

圖4　典型產品研制流程分析Fig.4　Analysis of typical product manufacturing process

2）單元的數據分析（見圖5）：根據不同產品的工藝特點，建立了專業化生產單元，實施單元生產模式。通過對生產單元內數據的分析，實現資源、任務的合理調配與安排，消除生產瓶頸，提高生產效率。

圖5　加工單元數據分析Fig.5　Processing unit data analysis

3）裝備自動化（見圖6）：裝備自動化可以提高生產效率，保證產品質量，推動生產能力的持續提升。例如：埋件自動涂膠機器人通過視覺定位等技術，實現自動涂膠，單個埋件涂膠時間0.75 s，每分鐘可涂膠70個，效率提升120%；膠層厚度偏差±2%，上膠量偏差±5%。自動膠膜熱破機，膠膜熱破率達到99.9%，生產效率提升300%，設備應用明顯降低了勞動強度，減少了崗位人員。蜂窩芯自動清洗機器人實現了無人化操作，生產效率提高50%。埋件自動纏膠機可連續作業，每分鐘可完成180個，效率提升200%，單個埋件重量偏差±1%。發泡膠自動植入機器人連續作業，膠量可控，質量穩定，每分鐘可完成100芯格，效率提升200%。面板自動涂膠機器人實現自動化涂膠，生產效率提高 150%，膠層厚度偏差±3%，上膠量偏差±5%。大、小纏繞機兼容用于環氧樹脂基體復合材料和氰酸脂基體復合材料纏繞成型，實現多絲束纏繞，張力在線監測、閉環控制，溫度傳感器直接接觸膠液，膠液溫度控制精度±3 ℃。

圖6　裝備自動化Fig.6　Equipment automation

4）信息采集自動化：在自動化裝備應用的基礎上，打通了軟、硬件之間的數據通道，實現了航天器研制過程中各類信息的自動采集。例如電纜網研制過程實現了設計、工裝、加工、測試過程各類數據的自動采集（見圖7）。同樣在數據分析的基礎上，焊接工藝在實施前可完成數字模型模擬，實現了焊接等自動化設備加工過程可視化，特殊過程參數實時監控、記錄、分析、預警，為后續的再優化提供依據。焊接過程自動化及數據采集見圖8。

圖7　電纜網研制過程信息采集Fig.7　Collection of cable laying and its process information

圖8　焊接過程自動化及信息采集Fig.8　Collection of welding automation and its process information

2.3基于智能化的制造服務

CAST制造平臺主要體現在技術層面的智能化和產品層面的服務化。智能化主要包括設備智能化、單元智能化、工廠智能化、供應智能化4個層次，通過柔性制造單元和軟件系統（智能化的信息管理平臺、物流物聯系統、設計單元、自動化采集）打通軟、硬件的數據鏈路，采用大數據分析等技術手段實現各個級別、各個層次數據的采集、控制、執行和分析，保證制造過程的閉環控制和高效運行。產品的服務化主要包括面向市場的商品、制造、智能制造等相關的體驗服務和技術技能培訓等。

CAST制造在單元化制造方面取得了顯著成效。例如，通過單元化生產，基板的單件工時縮短15%，年均產量提高6倍；結構板的單件工時縮短45%，年均產量提高3倍以上。結構板的單元化生產見圖9。

圖9　結構板的單元化生產Fig.9　Unit production of structural plate

在單元化生產模式的基礎上，通過整合自動化裝備可實現單元化與數字化的結合，目前已經建成結構板、精密機加、電裝、管路等一批生產線。各生產線是以三維設計模型為核心的信息鏈路，實現產品研制過程的統一數據源、信息閉環。在此基礎上，構建了智能管控與決策平臺，具有如下功能：以產品（商品）的齊套流轉為目標，通過基于產品實現流程的計劃分發與控制實現即時準備的物流配送；第一時間、第一現場發現問題與解決問題；合理有效的設備人力資源配置；高效、完整、即時的數據包生成與判讀；準確、快捷的成本核算，從而實現產品在線上的連續流轉，拉動配套零部件與資源的逐級補充。

2.4基于制造模式的轉型發展

CAST基于制造模式的轉型發展主要包括技術驅動的轉型和模式驅動的轉型。技術驅動的轉型體現在從減材制造向增材制造轉型、從信息互聯向物物互聯轉變、從機器固定向機料互動轉變。模式驅動的轉型主要體現在推動式生產模式向拉動式生產模式轉變、單一封閉模式向開放服務模式轉變，從數字化制造模式向智能制造模式轉變。

借助CAST制造平臺，積極推動航天器制造模式的轉變，如為適應航天器追求輕量化、功能化的需求，開展了3D打印技術的探索和3D打印試驗室建設。在數控加工車間構建上，通過車間自動化物流和物聯系統建設，建立了時間-空間邏輯鏈接，實現了車間物料轉運、加工、環境等實際狀態的監控。在生產單元構建上，重點實現研制和生產分離，建立了基于自主研發的專業機器人和智能平臺車的可移動制造單元。在生產環節的梳理上，尊重產業鏈發展的規律，加快航天系統內部單位之間的模塊化分工，并促進其向高級階段發展。

3　未來展望

基于智能制造的CAST總體框架（見圖10）是借鑒互聯網、云計算等技術，構建航天器智能制造的云、管、端：云主要是通過加強企業內部網絡和物聯網的建設，完善基于互聯網的供應鏈；管主要是面向航天器研制過程，不斷引進新設計、新工藝，采用工業工程專業方法和工具，優化、完善研制流程，提升產品制造的數字化、精細化、自動化、單元化 4項核心能力，推進研制模式向拉動式生產、精益化生產轉變，向下支撐航天制造產業鏈的完善與發展，向上滿足新原理、新技術、新戰略、新集成的需求；端是指用戶的需求端，航天器智能制造就是面向用戶，解決產品不斷采用新原理、新技術、新戰略、新集成的需求。

圖10　CAST制造的總體框架Fig.10　Overall framework of CAST manufacturing

在邁向智能制造的征程中，應注重整體制造模式和技術手段的相互促進和協調發展。在當前的技術條件下發展智能制造模式，應不斷深化制造模式研究，優化產品生產流程，夯實數字化制造技術，持續推進產品數字化設計思想和制造技術的融合與推廣應用，加快增材制造等新興制造方法、裝備、工藝及應用方法的研究，實現生產裝備的自動化、數字化，利用車間制造執行層、控制層的信息系統，構建產品數字化單元體系。而后，持續發展物聯網、大數據、云計算等技術，逐步實現以感知、分析、執行一體化為代表的智能制造水平，開展在軌組裝、在軌加工、在軌增材制造、空間機器人等技術的研究［5-6］，提升天地一體化網絡通信能力，逐步實現天地一體化協同的航天器智能制造模式（見圖11）。

圖11　天地一體化協同的航天器智能制造模式Fig.11　Intelligent manufacturing model of spacecraft based on the integrated space-ground system

但是，我們還必須認識到，在智能制造推進的整個過程中還存在諸多的技術難點，例如當前航天企業數字化制造水平參差不齊，信息物理融合系統、大數據分析技術、天地一體網絡技術等很多關鍵技術有待突破，無線通信帶來的信息安全問題還缺少完善的解決方案，智能制造自身所需要的高層次人才缺乏等，這些問題均需要在后續的推進中持續予以解決。

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（編輯：肖福根）

A retrospective and prospective review of aerospace smart-manufacturing

Sun Jing， Liu Jinshan， Zhao Changxi
（Beijing Spacecrafts， Beijing 100094， China）

Based on the development trend of the manufacturing in general and the aerospace manufacturing in particular，the paper reviews the development direction of the aerospace manufacturing， the content and practice of the cloud manufacturing for the aerospace industry， the automation based on the data analytics， the services based on the smart manufacturing and the transformation based on the manufacturing model， and then puts forward the idea of the smart manufacturing in space for the process and the assembly by using the integrated network.

digital manufacturing； smart manufacturing； manufacturing mode

V260.2； V260.5

A

1673-1379（2015）06-0577-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.002

孫 京（1972—），男，博士學位，研究員，博士生導師，研究方向為飛行器設計；E-mail： 13488809932@163.com。劉金山（1979—），男，博士學位，高級工程師，研究方向為航空宇航制造工程；E-mail： secularbird_feng@163.com。

2015-09-26；

2015-12-08