智能制造裝備對航空工業的影響

劉廣杰+白歐

摘要：航空工業是一個國家綜合國力和核心競爭力的重要體現，對國民經濟其他產業具有很強的輻射帶動作用。與其他高端裝備制造業面向的對象只是傳統產業的高端部分不同，幾乎整個航空裝備產業鏈都是高端裝備和新材料的范疇，因此發展航空裝備對一國制造業的整體提升有重大意義。

關鍵詞：航空工業；智能制造

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.092

航空工業是一個國家綜合國力和核心競爭力的重要體現，對國民經濟其他產業具有很強的輻射帶動作用。與其他高端裝備制造業面向的對象只是傳統產業的高端部分不同，幾乎整個航空裝備產業鏈都是高端裝備和新材料的范疇，因此發展航空裝備對一國制造業的整體提升有重大意義。

航空工業的產品研制周期長、成本高、風險大，且市場空間有限、寡頭壟斷嚴重，因此企業的市場研究和定位尤其重要。據波音公司在巴黎航展上最新發布的市場展望報告顯示，未來20年內，全球將需要41030架飛機，總價值達6.1萬億美元。其中單通道飛機需要29530架新飛機；中國新增飛機總數將達到6810架，總價值超過1萬億美元。面對如此廣闊的市場需求，各大航空制造商也是一再提升產能，加速生產。而智能制造作為加速實現這一目標的有力武器，從關鍵技術到標準體系，都需要逐步建立和增強；智能裝備作為實現智能制造的必要條件，其性能以及智能化水平也決定著智能制造的發展高度。

1我國航空工業的發展現狀和趨勢

新中國成立以來，我國航空工業取得了長足進步，但與國際先進水平相比，仍存在較大差距，例如產業規模小、規模效應尚未充分體現，產業自主發展能力不強，市場機制有待完善；航空產品種類偏少，技術水平不高，市場競爭力不強；航空發動機、機載系統和設備、原材料和元器件等受制于國外。

航空工業產業鏈上游包括制造各種航空零部件所需的金屬非金屬等原材料及成型材料，金屬材料主要有：結構鋼、不銹鋼、以航空鋁材為代表的各類合金材料等；非金屬材料包括航空陶瓷、特種橡膠和碳纖維等。下游則由飛機整機制造、航空發動機制造和航空維修三大部分構成。航空工業零部件產業的發展水平制約著航空工業的發展水平。由于國產數控機床的整體性能長期以來無法達到航空工業對性能、效率和質量等的要求，航空工業所采用的數控機床以各類進口機床為主。

鑒于上述狀況，我國政府提出“中國制造2025”強國戰略，并將航空航天裝備作為重點發展的十大領域之一，通過在航空工業的實施智能制造發展戰略，解決航空工業由于整體智能化水平不高所帶來的質量和效率不高的問題，降低由于整體規模相對較小帶來的成本制約。智能制造體系在航空工業中的實施，要求設計、制造、服務等航空制造全流程亟待用智能制造的技術和體系加以整合和提升。為此，持續推進以智能為核心的“產品設計、制造與服務一體化”是航空制造業未來的發展方向。

2基于智能裝備、智能車間、智能工廠的智能制造體系

在航空領域實現智能制造體系有助于提升航空制造業的競爭力。實現智能制造體系的關鍵點則在于各種基礎技術的突破和多種智能裝備的使用。智能制造體系的實施是按照智能裝備、智能車間、智能工廠的層次實現的。本章對三者與智能制造體系的關系加以闡述。

2.1智能裝備——智能制造的基石

數控機床是航空零部件加工的主要裝備。航空零部件加工工藝復雜、材料難加工且質量要求高，加工過程伴隨著刀具與工件受熱變形、振動導致的絲杠、導軌的損耗與刀具磨損等問題，直接關系到工件加工精度。民用航空裝備制造對于高檔數控機床的需求十分迫切，特別是高速度、高精度、高剛度、大扭矩、多軸聯動以及智能化的數控機床。

數控機床的智能化體現在兩個方面：一是在數控機床上集成了多種傳感器，例如對發熱、振動、磨損等因素的感知，實現對機床狀態與環境狀態的監控、預警以及補償等功能；二是在數控機床上集成了網絡接口，用于對機床運行信息與工況數據的實時采集與存儲，在遠程的控制室或者云端實現數據實時查看、自主分析與決策。傳統的設備中，機床信息與工況數據無法記錄與上傳，而往往這些數據具有潛在的價值，基于這些數據能夠掌握機床的加工進度、精度信息、備件狀態等。實現數控機床的智能化，符合航空制造業對制造精度、可靠性和穩定性的需求，因此，智能裝備是提升航空制造業整體實力的要素之一。

我國航空制造業多依賴于進口數控機床，使用時，國外數控系統也僅有少量功能和少量參數對國產機床開放和使用，并且現場調試過程也對國內技術人員保密。使用進口設備難以做到機床數據的互聯互通，無法實現生產數據的實時掌握與共享，阻礙了生產制造各環節的協同運行。我國國產機床中以沈陽機床的i5系列智能機床為代表的新一代智能機床，面向工業4.0的設計理念，一舉解決數控機床數據聯網的技術問題。有了自主可控的數據通道，用戶能夠實時掌握生產數據（加工進度、機床狀態、損耗狀態等），并且通過基于大數據技術的分析與管理，實現遠程運維等高級功能，降低設備故障率，提高了產品的良品率，整體上節約了時間和成本。

2.2基于智能裝備互聯互通的智能車間

智能車間是在智能裝備的基礎上，采用多種物聯網感知技術（射頻識別、紅外傳感器、激光掃描、定位系統等）將物品、設備與互聯網連接起來，通過網絡的方式將其即時信息發送到后臺信息處理系統，而各大信息系統可互聯形成一個龐大的網絡。從而可達到對制造過程實施跟蹤、監控等智能化管理的目的。

物聯網技術實現了人與物之間的信息溝通，在此基礎上對人、機、料、法、環等制造要素全面精細化感知，形成科學自主決策的生產模式。基于對生產現場裝備信息與生產數據的采集與分析，以及環境溫度、濕度、安防等信息的感知，在原材料的庫存、排產、包裝與出庫，裝備之間生產節拍的配合與協同，產能的分配與協同等方面做出自主的、科學的決策，保障生產效率與產品質量。endprint

2.3面向區域協同的智能工廠

航空產業的全產業鏈都具有較高的技術含量和價值空間。基于信息技術與網絡技術的平臺化整合，在平臺端應用大數據分析技術，實現航空產業供應鏈的科學組織與管理，正是開拓價值空間的必要手段。智能工廠的概念，引入了面向航空產品全生命周期管理的生產組織方式，利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，以及合理計劃排程。同時，集初步智能手段和智能系統等新興技術于一體，構建高效、節能、綠色、環保、舒適的人性化工廠。智能工廠在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作，去擴大、延伸和部分地取代技術專家在制造過程中的腦力勞動。它把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化。產品和服務的全流程把控，解決包括設計、采購、制造、供應鏈、金融等方面的區域性協同問題。

3智能制造體系重塑中國制造新優勢

我國正面臨著西方發達國家制造業回流與發展中國家勞動力成本走低的雙重擠壓，如何應對挑戰，完成由“中國制造”向“中國智造”的轉型，重塑中國制造新優勢，是目前我們需要關注的課題。實施兩年以來，“中國制造2025”規劃的頂層設計已基本完成，相關標準體系正在逐步完善，然而智能制造作為“中國制造2025”的一部分，要真正實現轉型升級的道路，我們還需要關心以下幾方面問題。

3.1實現基礎技術的自主化

《國家智能制造標準體系建設指南》指出，智能制造體系的關鍵技術包含智能裝備、智能工廠、智能服務、工業軟件與大數據、工業互聯網等五個部分，而核心基礎零部件、先進基礎工藝、關鍵基礎材料和產業技術基礎（即“四基”）則必須實現自主化發展。

智能制造的特征在于實時感知、優化決策、動態執行等三個方面，而航空裝備制造業對智能精密檢測元器件、柔性高效裝配工藝、裝配質量大數據管控等“四基”相關技術均提出很高要求。

我國在智能檢測與裝配領域長期研發投入不足、應用經驗缺乏，導致相關工業基礎能力薄弱，高端產品裝配精度檢測的基礎元器件與數據處理系統絕大部分依賴國外進口，相關產品裝配精度控制工藝設計、裝備集成與質量管控等完全受制于人，嚴重制約了航空裝備等高端產品自主研發能力與市場競爭力提升。

以航空發動機制造為例，我國正擬研制的482℃環境下的高溫振動傳感器，可用于航空發動機地面測試及飛行狀態、熱電和核電等領域的裝備、航天結構等極限服役環境下高端裝備的振動測量和監測。該技術可打破多年來國外產品對航空航天等領域高溫振動傳感器技術的壟斷，適應中國高端智能裝備的高速發展。基于高性能的先進傳感器，借助新一代信息技術和網絡技術，對制造裝備進行信息化改造，消除數據孤島，形成以生產數據促進制造裝備，提升制造裝備互聯互通、自主決策和執行的能力，同時以大數據分析能力，形成虛擬化制造，遠程運維的能力。

3.2實現智能制造體系需要足夠的高端供給

我國現有產業結構呈現大而全的特點，問題在于高端供給不足。智能制造所需要的高端傳感器、高精度檢測設備往往依賴進口。以航空葉片檢測為例，我國航空工業在發動機葉片測量方面，主要依靠進口高精密測量設備實現葉片高精度的測量。如何在生產現場快速測量葉片一直是困擾我國航空工業的難題。我國需要大力推進研究葉片測量機與生產線的數據交互協議與方法，建立葉片加工過程各個環節對葉片質量的影響規律，根據葉片檢測及過實現葉片誤差的溯源，從而調整工藝參數，提高葉片加工質量。

3.3提高高端工業部分的行業集中度

聯合國對工業體系的分類中，所有的工業總共可以分為39個工業大類，191個中類，525個小類。我國擁有上述所有工業門類，成為世界上唯一擁有全部工業門類的國家。我國現有工業體系大而全，不是高精尖；完整工業體系在國家安全方面的意義顯而易見，然而中低端產能過剩、勞動力成本上升、國際上發達工業國家紛紛提出制造業回歸本國、其他發展中國家以較低的勞動力成本將承接更多的國際業務，對我國工業體系將面臨極大的沖擊。

為了重新形成我國作為制造業大國的競爭優勢，我國的產業結構需要逐漸轉向高端，必須要有足夠的高端產能。在高端產能部分，須提高行業集中度，集中資本和技術優勢完成“四基”關鍵技術的自主創新。以南車北車的合并的為例，這一新的世界最大軌道交通設備制造商具有技術、人力和生產能力等優勢。同時，中國國務院總理李克強的“高鐵外交”也為新集團帶來更多的業務。

3.4先進制造裝備是實現智能制造體系的重要裝備基礎

智能制造是傳統的和新一代信息技術（大數據、物聯網、云計算、人工智能等）在制造全生命周期的應用。智能制造核心是制造，信息技術與網絡技術的融合只是重要的輔助手段。

智能數控機床、智能機器人、智能控制裝置與系統、傳感識別與信息采集裝置和智能物流系統等，能夠對制造過程中運動、功率、轉矩、能量和信息等狀態進行實時監測，并實現基于規則的自主決策與自適應控制。飛機機身結構件和發動機等關鍵零件的加工都需要高端數控機床的參與，針對航空零部件加工過程中毛坯去除量大、刀具磨損嚴重、原材料昂貴等問題，熱變形補償、刀具磨損預測、防止工件干涉等技術都是先進制造技術的發展方向。數控機床的自感知技術是提高制造精度、實現智能制造的基本條件。

4結語

智能制造體系是價值驅動型，航空產業以其高價值性將成為智能制造體系落地的主陣地。基于傳感器與智能微處理器的智能制造裝備，基于網絡技術與大數據技術，從而形成智能感知與自主決策的智能車間，圍繞航空產品全生命周期管理而形成的智能工廠，從單機智能，生產智能與行業智能三個層面建立起來的智能制造體系，打通裝備、產品與人的界限，以制造裝備的泛在互聯為基礎，基于生產大數據形成數據驅動型的航空制造新模式，提升制造品質，強化產能協同，符合航空制造業對高精度、高柔性以及高可靠性的需求，必將帶來我國航空工業整體實力的大幅提升。endprint