制導彈藥智能總裝生產線研制與推廣應用

中國科學院沈陽自動化研究所

制導彈藥智能總裝生產線研制與推廣應用

中國科學院沈陽自動化研究所

本項目針對彈藥智能制造面臨的高安全性及可重構性等共性技術難題，研制了系列化彈藥智能制造工藝裝備與成套智能生產線，滿足多型號產品共線生產需要，實現了行業首創應用。項目為彈藥總裝行業由傳統手工為主的制造模式到智能制造模式的轉變，提供了技術支撐，實現自動化生產與信息化管控深度集成，自動化率達到80%，質量參數在線自動檢測率達到100%，危險工位實現無人化，生產效率較行業傳統制造模式提高2倍以上，經濟效益及社會效益顯著。

1　項目背景

彈藥尤其是先進的制導的彈藥為重要國防裝備，彈藥制造為典型的危險有害工種。在軍用彈藥行業，共有生產制造企業上百家，是維護國家安全、鞏固國防和發展軍事力量的重要保障。我國的彈藥生產制造行業經過幾年來的工藝技術進步，突破了部分重點工藝技術，實現了部分工序、單機和單元的機械化操作，提高了一定的生產效率，降低了成本，但生產組織方式、工藝流程和制造裝備都沒有根本性的改變，產品工藝技術和裝備技術水平與國際先進水平相比有一定差距，還有諸多關鍵技術問題需要解決，急需進行智能制造升級。目前，彈藥總裝仍以傳統人工操作為主，存在生產效率低、質量一致性差、不適應新型號產品快速響應制造及生產過程本質安全度低等問題，無法滿足未來彈藥“高精、高效、高安全”要求。現有裝備尚未突破易爆環境下的機器人防爆、超高可靠性操作、多產品混流共線生產及安全感知控制等技術壁壘。研制彈藥總裝智能生產線，并建設彈藥總裝數字化車間，解決行業效率及安全問題，改善工人生產環境具有重要社會及經濟意義。

2　項目目標

彈藥智能總裝生產線的目標為：將傳統的人工總裝模式轉變為具有緊時序約束的拉動式自動化生產，實現生產模式的精益化及標準化；解決彈藥智能制造所面臨的高安全性及在線可重構性等共性技術挑戰，研制系列化彈藥智能制造成套裝備，滿足防爆性及高可靠性要求，并集成成套智能生產線及數字化車間，適應多型號產品混流共線生產，實現其制造過程的自動化及智能化；通過工業互聯網實現物、料、法、環的互聯互通及信息感知，提升信息化，并將自動化生產與信息化管控深度融合。減少危險有害生產環境用工數量、提高作業效率、提升產品質量，保障安全生產，實現行業制造模式創新及首創應用，助推行業轉型升級。具體目標包括：

（1）生產效率較傳統制造模式提升2倍以上；

（2）自動化率達到80%以上；

（3）資源利用率提升100%以上，減少資源、場地浪費，人員由40人減少到9人；

（4）危險工位無人化；

（5）檢測、測量在線化及自動化，數據通過現場總線上傳；

（6）物料配送智能化，根據MES派工計劃，通過智能物流裝備實現物料及時配送；

（7）狀態監測實時化，裝備、產品及物料聯網，現場裝備狀態自感知和互感知、產品及物料身份信息及制造過程狀態信息感知；

（8）生產信息集成化，實現全制造過程及全制造元素的信息感知、貫通及集成，為大數據控掘優化做準備，裝備、產品及物料聯網，現場裝備狀態自感知與互感知、產品及物料身份信息及制造過程狀態信息感知；

（9）決策數據化，通過產品信息、裝備狀態、物料信息等的集成化上傳，實現及時決策，減少等待時間；

（10）生產線實現虛擬化，虛擬現實與物理工廠融合，實現工藝仿真優化，提高生產線實施的可行性及合理性；

（11）人、機、產品互動化，對所有操作過程進行人機工程優化設計，提升操作過程方便性，減少操作人員疲勞，各工位實現手動/自動功能切換；

（12）產品多樣化，可適應一定范圍內不同型號產品的混流共線生產，可快速復制擴展。

3　項目實施與應用

彈藥智能總裝生產線集產品裝配、在線檢測、多機協調控制及智能化管控于一體，可實現產品裝配、檢測、噴碼、包裝和成品智能垛放等全總裝過程智能生產。同時具有產品配套管理、生產信息管理、不合格品信息記錄、性能參數記錄分析、產品數據自動維護的數字化生產管理功能，并實現生產過程監控顯示。項目構建了滿足彈藥總裝生產數字車間多層模塊化體系，包括：現場智能裝備與物流裝備的工序控制層、在線測量與監測的過程控制層及制造執行系統管控層。現場裝備控制層：由專用智能工藝裝備、智能檢測設備、物流傳輸線等專用設備組成，各裝備通過現場工業網絡連接，實現工序級的內部控制及信息的采集及雙向傳輸。過程監控及綜合控制層：由過程監控軟件平臺及綜合控制平臺等構成，實現對各類設備的數據采集和縱向信息集成，實現對生產現場時空狀態的監視，通過在線分析診斷技術，提供質量缺陷、設備故障、工藝參數修正等方面的預警和控制。制造執行控制平臺層：由制造執行基礎服務及生產調度系統等組成，實現整個生產的上層組織與調度。

生產線經過方案設計、現場安裝調試、考機試運行及批量生產等過程，滿足某彈藥的批量化生產要求，生產線無故障運行率達到了99%以上。與傳統彈藥總裝模式相比，在廠房等資源利用率、生產效率、質量一致性、現場人員數量、自動化率及生產本質安全度等水平具有質的提升，其中危險工位實現無人化，總體人員減少75%，同產能節省廠房面積50%，生產效率提高2倍以上，一次性總裝成品率達99%以上。

項目創新點及關鍵技術在于：

（1）率先攻克了彈藥自動化裝配檢測安全工藝技術，建立了彈藥智能裝配檢測工藝庫，并進行了全制造流程工藝優化與集成。由于彈藥生產的危險性及特殊性，目前彈藥生產所有的技改和安改均在原有裝配工藝上用機械代替人工，不能實現生產工藝過程的優化。雖然部分工序實現自動化，但生產效率和產品質量不能得到本質的提高。分析彈藥裝配檢測工藝對彈藥生產的作用及性能影響，突破原有裝配工藝限制，研究了適用于自動化生產的彈藥裝配檢測工藝，并在此基礎上對彈藥全制造過程進行了工藝優化與集成，形成了彈藥總裝工藝庫。

（2）提出了多種機構安全及防爆安全技術，研制成功了裝藥裝配、檢測及物流3類18種系列化彈藥專用智能工藝裝備，替代了人工生產，提升了生產效率及本質安全度。彈藥由于其具有易爆危險性的特征，其生產制造所用的裝備首要滿足安全性要求，裝備的安全包含3方面內容：即設備自身滿足機械及電氣防爆要求及設備操作具有超高可靠性。項目依據國內國際安全防爆標準，提出多種智能設備機械及電氣防爆解決方案，設計了多種基于機械互鎖的本質可靠執行機構，并采用力、視覺、溫度傳感實現操作參數實時感知及安全閉環控制，確保了設備的安全性。

（3）研制了基于多機網絡協調的彈藥高可靠性安全控制技術體系模型，實現了復雜彈藥生產線數據實時采集及全制造過程安全協調控制。彈藥等危險品生產行業對多機網絡控制的可靠性、協調性及安全控制的策略及方法都提出了很高的要求。本項目組成彈藥裝配生產線的專機較多，裝配和檢測工藝流程較為復雜，設備與外界的接口形式不盡相同，實現整條生產線各專機及設備高效、安全的網絡化管理與控制，提高生產過程控制的可靠性及安全性是實現生產線高效安全運行的基礎。項目通過如下關鍵技術實現了彈藥生產線的安全協調控制，生產線的控制系統模型如圖1所示。

圖1 制導彈藥智能總裝生產線控制系統模型

（4）形成了彈藥總裝智能制造生產線及數字化車間集成技術體系，研制成功了集動態管控與自動化生產于一體的彈藥智能總裝生產線及數字化車間，填補了國內空白。將彈藥工藝技術、安全防護技術、智能機器人技術、多種傳感測量技術、工業互聯網技術及生產過程智能管控技術集成應用于彈藥總裝制造，通過將現場設備通訊接口標準化及各單元通訊協議及數據傳輸格式標準化，將制造執行系統（MES）系統等信息化系統與現場數據采集監視與控制系統深度集成，實現了自動化與信息化的深度融合。為彈藥行業智能制造模式轉型提供技術積累及成功經驗。

4　效益分析

項目在人員減少75%及場地面積減少50%基礎上，可提高生產效率兩倍，具有較高的經濟效益。生產線研制及實施形成了彈藥總裝智能制造技術體系及整體解決方案，相關技術在2015年度申請發明專利6項。生產線的相關技術獲得了多項國家獎勵，其中，國家科技進步二等獎1項，中國機械工業科學技術獎1項，中國科學院科技促進二等獎1項。項目相關關鍵技術獲得了2014年度國家863計劃先進制造領域機器人主題項目支持。

易爆危險品數字化、智能化成套裝填及檢測生產線的研究和示范應用是促進我國易爆危險品生產制造行業技術升級的重要手段，為傳統產業轉型，提高產品的附加值起到重要的技術支撐作用。自動化工藝裝備及生產線的建立，將產生如下社會效益：

（1）提升彈藥總裝行業智能制造水平

本項目緊密結合國家走新型工業信息化道路的發展戰略，充分利用機器人技術、在線檢測技術、控制技術和信息技術來提升易爆危險品行業生產制造水平，符合我國有關產業政策中關于支持信息化、數字化重大裝備產業發展的精神。

（2）促進易爆彈藥安全生產及職業健康

本項目具有完整的自主知識產權，有很高的成果轉化顯示度。自動化工藝裝備及生產線的建立，將極大地減少危險生產工序的人工數量，降低人工勞動強度、提高生產過程的本質安全度、提高生產效率和產品質量。促進易爆危險品生產企業在職業健康、安全生產、管理水平等方面的全面提升。

（3）提升綠色制造及環境保護水平

本項目主要應用對象是易爆危險品行業，研究開發的技術與裝備目標是提高本質安全度和生產效率，降低原材料等資源消耗，提高產品的質量和可靠性。通過數字化智能化自動生產裝備和生產線，改善企業的環保條件，降低工作噪音和粉塵排放，減輕工人勞動強度，提高職業健康水平，實現易爆危險品的綠色安全生產。