智能制造技術在航天大型構件中的應用

何建利，高嘉爽

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

智能制造目前仍未形成統一共識的定義。通俗地講，智能制造的本質是自動化技術、系統工程、人工智能技術、網絡技術等新興技術與制造技術的有機融合，以便更加經濟、靈活地優化生產過程，制造出更好的產品，使企業創造更多的效益［1-5］。世界各國為了應對制造業迅猛的發展需求，分別制訂了相應的智能制造國家戰略計劃。如德國提出以信息物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）為基礎的“工業4.0”概念［6-8］；美國提出人、數據、機器互聯的工業互聯網概念；我國先后發布以智能制造為主攻方向的《中國制造2025》《智能制造發展規劃（2016—2020 年）》《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》等文件，將智能制造作為國家先進制造產業的重點突破方向，以工業互聯網為網絡化平臺，推動工業制造向數字化、智能化轉型升級［2-3，9-10］。

1 航天大型構件制造的生產現狀與需求

1.1 我國航天構件制造面臨的生產現狀

近年來，我國航天構件制造的技術水平隨著型號任務的開展取得了顯著提升，但與國外航天先進水平相比還有一定的差距，還不能很好地適應航天產業快速發展的要求。我國航天構件制造面臨的生產現狀包括以下幾個方面［11-13］：

1）產品仍沿用了大量的手工、半自動生產方式，如焊接、裝配、鉚接、噴涂等。手工生產的產品質量一致性很難保證［14］。設計—工藝—現場生產線之間的數據鏈路沒有貫通，設計階段生成的數字化模型無法直接輔助生產制造。工藝仿真、數字化裝配等先進數字化制造技術能力薄弱。

2）目前生產設備大多數為單機作業，缺乏數據的采集和集中管控，而航天產品具有研制型小批量的特點，單機離散型的生產組織模式不夠靈活，很難快速切換，效率低下。在研制和批量生產模式發生沖突時，批量生產能力易受到影響。同時，由于航天產品多品種、小批量的特點，使其制造過程換型頻繁，制造單元的制造效率難以獲得根本性的提升。

3）目前仍采用傳統的設計、工藝、制造單鏈條研發模式，設計制造一體化程度不高。工藝設計與產品設計尚未實現并行工程，工藝提前介入設計的程度有限，研發效率低，問題解決迭代時間長，尤其對于結構復雜、工序多的產品，研發周期往往為3～5 a。設計與工藝之間的系統平臺、專業軟件、標注規范尚不統一，設計模型和數據難以共享。

1.2 智能制造在航天構件中的應用需求

將智能制造引入航天大型構件制造領域，重點解決以下幾方面的矛盾：質量要求日益提高與生產方式落后之間的矛盾；快速低成本生產與傳統的組織管理模式之間的矛盾；復雜構件協同制造與傳統的孤島式研發模式之間的矛盾。

航天大型構件產品具有先進性、復雜性、集成性和極端制造等各方面特性。在邁入智能制造的過程中，航天企業應充分有效利用物聯網、大數據、云計算等信息手段，將生產制造模式與先進技術有機融合，逐步實現以感知、分析、執行一體化為代表的智能制造，開展在軌組裝、在軌加工、增材制造、機器人、虛擬現實等技術的研究，優化產品生產流程，實現生產過程的數字化、信息化和智能化，構建航天構件產品智能制造管控信息系統，實現具有真正智能的航天制造綜合體。

2 智能制造技術在航天構件中的研究現狀

2.1 國外航天智能制造研究現狀

航天大型構件制造是現代工程制造技術的重要組成部分，對國民經濟的發展以及國防實力的增強具有極為重要的作用。波音公司、洛克希德馬丁公司、美國國家航空航天局（NASA）等國外航天機構都在先進制造技術的研究和應用上取得了重大進展［11，15-16］。近年來，這些機構紛紛引入智能制造理念，研究集中于系統構建、云計算、數字孿生［17-18］、虛擬現實技術、3D 增材制造［19-20］、機器人、智能感知和智能裝配等方向。

如美國正研究將數字孿生技術和基于模型的系統工程方法應用于太空空間與網絡安全。達索航空公司開發的基于數字孿生理念建立的虛擬開發與仿真平臺，用于“陣風”系列戰斗機和“隼”系列公務機的設計過程改進［21］。洛馬公司則計劃采用數字孿生技術實現工程設計與制造的鏈接，也就是在設計階段產生精確的3D 實體模型，用于加工模擬、編程、坐標測量機和檢測的環節。泰雷茲阿萊尼亞宇航公司建立了一個虛擬環境研究平臺VERITAS，用于驗證各種航天器虛擬現實的原型，支持自然交互設備的集成與應用，進行宇航產品協同裝配序列規劃與可視化［22］。波音公司采用三維數字模型、仿真、虛擬現實技術等技術研究高速機械加工、攪拌摩擦焊等制造手段，研制的載人宇航飛船CST-100 采用了一體化設計技術和模塊化、流程化的裝配工藝執行模式，大幅度降低了研制成本，縮短生產周期。美國空間探索公司更是把智能制造理念嵌入到生產制造的各個環節，大幅度提高火箭構件生產效率［23］。

2.2 國內航天智能制造研究現狀

國內智能制造的研究以華中科技大學、浙江大學、清華大學、哈爾濱工業大學和上海交通大學等為代表，取得了一系列理論成果和工程實踐經驗［24-25］。智能制造在航天構件領域中的實際應用還處于初級階段，大部分集中在單項技術或者某一特定方面的研究，距完整技術體系、成熟工程應用還有差距。目前相關的研究與應用主要集中以下幾個方面：

1）先進制造模式與航天制造的融合。“互聯網+制造”、服務型制造、云制造等先進制造模式逐步引領傳統制造業向數字化、智能化的階段發展［26-29］。復雜產品智能制造技術國家重點實驗室提出一種“智能+”時代的新智能制造系統——云制造系統3.0，該系統借助新一代智能科學技術、新制造科學技術等，構成以用戶為中心的統一經營的新智能制造資源、產品與能力的服務云。該系統針對航天復雜產品的特點及其對新生產模式的挑戰，搭建航天云網，實現了基于大數據的制造資源/能力的智能推薦、跨企業的制造能力的智能感知和動態協同、人機混合智能等應用［30-31］。北京衛星制造廠［22］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，并在航天器中的管路、電纜網、直屬件、結構板等典型產品中開展實際應用。

2）航天領域數字化制造。數字化是智能化的基礎，數字化技術與航天構件的研發、設計、制造相結合，可有效提升產品的性能與質量，提升設計能力，縮短研發周期。如基于模型定義的數字化協同設計技術廣泛應用于我國空間站、飛船等重要大工程中［32-34］，國內衛星的數字化協同已深入應用［35-36］。還有部分研究涉及三維協同研制體系標準的制定等［37］。在數字化制造方面，設計端直到生產末端的信息傳遞、數字化協同制造的計劃管理［32］、數據傳遞和轉化效率等問題還需要進一步深化研究。

3）航天智能生產線與智能車間。據資料文獻報告，航天智能生產線與車間的具體應用涉及鈑金車間、飛行器裝配車間、焊接車間、電裝車間等。研究關注集中于智能車間系統框架的設計、平臺的開發與研究、數據孿生技術、單元布局的優化、數據采集與智能管理等方面。如新一代運載火箭鈑金制造車間從改善車間管理入手，建立了現場層、業務層和智能決策層的數字化建設體系，通過MES 系統進行串聯和實現［38］。航天構件機械加工車間從車間內產品、資源和工藝入手，利用數字孿生對車間建模，分別對產品數字化定義、基于數字孿生的資源建模和工藝信息的數字化定義等問題進行研究分析［39］。王艷廣等［40］針對航天某液壓系統為研究對象，開展了基于平臺的業務數字化集成以及車間智能化改造。首都航天機械有限公司對智能制造的理念引入到生產線刀具管理系統，提高了刀具管理的信息化、智能化水平［41］。王宇生等［42］對飛行器裝配車間進行了基于大數據的智能車間平臺研究。

4）航天大型構件智能化裝備的應用。我國航天構件的裝備智能化程度還不高［11］。劉強［43］認為在航空航天領域中，制造裝備的自動化、數字化和智能化是建設智能制造系統的基礎，集成車間數字化仿真、智能化物流與運輸、智能化管理模塊，可構建先進的智能化制造系統。國家工信部實施“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項，針對我國航天領域重大專項的需求，研制了高檔數控加工、攪拌摩擦焊接、充液拉深成型和自動化裝配等一系列裝備，助力航天制造向智能制造轉型升級。

3 航天大型構件智能制造的應用實踐

3.1 航天大型構件智能制造

智能制造是將制造技術與數字化技術、智能技術及新一代信息技術交叉融合，面向產品全生命周期具有信息感知、優化分析、自主決策、精準執行控制等功能［44-46］。結合航天大型構件產品制造特點，體系包括智能化設計、智能化管理、智能化制造平臺，來自制造執行系統（Manufacturing Executive System，MES）、企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）、產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）等系統成為數采平臺數據來源，為各個業務系統的實時反饋和閉環控制提供技術支持。以某航天大型構件智能制造過程為例（如圖1 所示），通過數字化和仿真技術進行產品虛擬設計，依據設計原型進行工藝編制并完成排產。物理車間把虛擬設計變為現實產品，同時通過物聯網、互聯網，MES 實時采集生產現場信息，包括設備狀態、物流等，反饋到虛擬世界中對反饋信息分析和優化，從而進一步提升產品品質和效率。

圖1 航天大型構件智能制造體系圖Fig.1 Intelligent manufacturing system for large aerospace components

3.1.1 工藝設計

工藝設計涵蓋基于大數據與知識發現的智能工藝創新、基于制造過程仿真分析的工藝設計與優化、基于增強現實技術的智能化加工仿真培訓和工裝的數字化設計等功能。工藝專家系統可改善傳統的工藝設計依賴主觀經驗、工藝試驗難以量化的生產現狀，降低航天大型構件工藝研究的成本；工藝仿真平臺可改進傳統的工藝分析模式，利用仿真模擬手段獲得制造結果（如溫度場、流場），提高產品的可靠性。智能工藝設計流程如圖2 所示。

圖2 智能工藝設計Fig.2 Intelligent process design

3.1.2 制造裝備

制造裝備包括加工設備工業互聯網系統、基于智能感知和地理信息系統（Geographic Information System，GIS）技術的全程追蹤信息系統、基于人工智能技術的物流決策支持與智能運輸系統和智能調度，以及設備聯網與監控等功能［47］。通過工業集成控制系統，利用條碼、傳感器以及現場的網絡數據接口等，實現生產現場物-物相連。大型航天構件大多采用數控加工設備，建立多層級互聯網絡系統，通過通用總線數據、解析TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol Address）協議、增加傳感器等方式，實現設備集中管理和監控，提高設備運行效率（如圖3 所示）。

圖3 航天大型構件現場物聯網構架Fig.3 Internet of thing（IOT）frame for large aerospace component manufacturing

3.1.3 生產管理

通過智能生產管理，實現個體資源動態重組與協作規劃，通過智能項目計劃管理解決航天多品種并行、生產計劃多變等問題，降低生產擾動對系統的影響，提升車間執行系統集成度和柔性。以MES為核心，對制造過程需要的資源、環境、計劃、排產和流程等進行管控，針對航天產品的投產特點，實施基于計劃完成周期和解耦策略的優化排產技術。以ERP 系統為核心，實施核心資源約束的多項目計劃管理，最終實現資源均衡。

3.2 149 廠在智能制造方面開展的工作

149 廠是我國唯一集“彈、箭、星、船、器”制造及總裝綜測為一體的綜合型航天企業。為適應型號任務快速研制需求，企業致力于打造航天器復雜構件智能工廠。以航天復雜構件生產研制過程為核心，圍繞“制造裝備國產化、智能化，制造過程數字化、網絡化”為總體目標，持續推進高端國產數控裝備、機器人裝備、增材制造裝備和運載火箭自動化對接技術等研究與應用，走出了一條具有航天特色的智能化道路，企業被上海市經濟和信息化委員會認定為首批20 家上海市智能工廠之一。通過信息技術（Information Technology，IT）與運行技術（Operational Technology，OT）綜合集成，智能裝備、管控系統、現場執行等相互融合，產線整體效率、柔性得以提升，運載總裝時間縮短1/6，部分產線產量提升200%，高端裝備國產化率達到70%。

3.2.1 數字化的航天產品工藝設計和管理

以實現航天產品設計性能為目標，構建以ERP+PDM+MES 為基礎，以三維模型數據為核心的綜合數字化工藝設計信息系統，貫通工藝設計、生產準備、產品制造、驗收交付和質量管理等各環節數據流，并實現跨域設計文件的審查、簽署與分發。最終實現航天產品設計制造協同、工藝設計數字化、生產過程透明管控，并在此基礎上構建企業級大數據平臺，為智能制造與智能運營提供數據支撐，為企業運營管理和生產管控提供決策支持。基于模型定義（Model Based Definition，MBD）的數字化工藝設計流程如圖4 所示，主要分為型號管理系統與生產管理系統兩個模塊，具體涵蓋設計方案庫、仿真模型庫、面向設計制造（Design for Manufacture，DFM）和符號等，流程以設計物料清單（Engineering Bill of Material，EBOM）、工藝物料清單（Process Bill of Material，PBOM）、制造物料清單（Manufacturing Bill of Material，MBOM）做為系統數據來源，實現基于模型的數字化工藝設計，打通科研生產過程中跨廠所協同，實現了基于信息處理技術（Information Processing Technology，IPT）模式、三維模型下廠的設計與工藝協同、技術狀態的同步控制，有效提高了會簽效率80%。打通了與總體設計所產品數據包結構化信息傳遞，以閥門產品為試點，推廣到飛船型號、運載型號，提高產品制造過程相關質量信息、制造信息的傳遞速度100%，提高數據分析利用率100%。打通與各總體所質量單據審簽流程，提高了制品處理的及時性和信息準確性。

圖4 基于模型的數字化工藝設計Fig.4 Digital process design based on MBD

企業目前在某型運載火箭總裝中正式運行該系統，可實現一站式自動化柔性裝配，數據全流程貫通，工藝信息全三維化，裝配質量提前預判，形成設計、工藝、制造的一體化管理。基于自動測量技術、數字化驅動技術和閉環控制技術實現運載火箭的短裝配周期、高裝配質量、裝配過程數據采集和追蹤溯源。運載火箭自動化柔性總裝過程中采用的測量-匹配-調姿閉環集成控制原理如圖5 所示。

圖5 運載火箭自動化柔性總裝測量-匹配-調姿集成控制Fig.5 Integrated control system of measurement-match-posture adjustment for the automatic flexible assembly of launch vehicles

3.2.2 面向航天復雜構件的智能化裝備升級

智能裝備是針對航天大型構件的制造需求，對制造裝備進行智能化的升級改造，使其具有感知、分析、推理、決策、控制等功能，并適時地做出優化調整。工廠通過系統集成、智能改造、功能擴展等方式，構建火箭燃料貯箱整體充液拉深成形、貯箱特種焊接、航天器艙體結構智能鉚接等，有效提升航天結構件整體制造能力，工廠高端智能裝備國產化率達到70%。打破國外技術封鎖，研制完成國內首臺、世界先進水平的重載攪拌摩擦焊裝備。焊接厚度單面80 mm、雙面150 mm，單塊面板焊縫總長超過百米，技術指標國內領先，裝備已應用于大型軍用雷達面板、大型航天器試驗平臺、衛星平臺底座等超大厚度構件焊接中。研制國際首臺成形噸位最大的15 000 t 數控雙動充液拉深成形裝備（如圖6 所示），攻克了大尺寸薄壁構件成形易于起皺和開裂等工藝難題。該設備制造出國際上首個直徑3 350 mm 貯箱整體充液拉深箱底，推進航天“一體輕量化”整體成形，形成運載火箭三米級整體箱底全流程制造布局；突破了大尺度薄壁構件幾何外形精確建模、多復雜任務聯合作業運動軌跡規劃與精度控制等關鍵技術，建成運載火箭低溫貯箱絕熱層柔性自動化噴涂成型智能裝備；研制運載火箭貯箱零部件焊接預處理自動柔性磨削裝備，大大提升生產效率，提高焊接質量等。

圖6 航天復雜構件智能化裝備Fig.6 Intelligent equipment for complex aerospace components

3.2.3 全過程透明化的智能運營管控

選取某戰車作為應用對象，根據其投產模式的特點，結合設備資源、物流資源和空間場地等多約束條件，基于MES 系統實現生產節拍優化、配套及時和動態響應的生產過程控制，達到產線平衡、物流準時和管控實時的目標。內容包括生產節拍設計、工位設計、產線平衡、空間布局、物流設計和搬運路線規劃等。某戰車產品生產過程規劃如圖7所示。

圖7 某戰車產品生產過程規劃Fig.7 Production planning of a combat vehicle

規范現場作業流程，建立產品制造全過程的監控體系，實現產品生產透明化管控能力，研制人員通過MES 系統搭建的自動監測設備實時記錄現場數據，構建產品質量數據上報系統，建立全閉環的產品質量追蹤體系，提升產品檢驗效率，提高質量管理水平。

總裝現場布置便攜式終端，系統根據裝配作業計劃，智能優化工位生產節拍，實現自動排產；裝配生產管理模塊包括收料、裝配操作、異常記錄等工作管理。系統實時查看具體工位和工序總體進度和詳細進度。通過多源信息融合識別、質量信息流的協同管理等，對全過程的質量進行跟蹤和追溯，實現全過程智能監控及基于知識的異常源智能診斷，提高產品的制造精度和穩定性。

生產效率方面，通過數據實時傳遞、展示、分析，減少非增值活動，提高管理效率，降低成本，提質量追溯效率提高80%，減少生產過程、發射服務的數據轉錄、翻譯實踐，生產進度、物資管理等管理效率提升30%。

3.2.4 航天智能焊接車間建設探索

焊接是航天構件的重要加工手段，選取以貯箱焊接車間為研究對象，從布局優化、系統建設、關鍵工序智能化等方面，建立車間模型，對構建智能焊接車間進行了前期探索性研究。

智能焊接車間是以物聯網、CPS、大數據為核心的智能制造平臺，分為“智能化焊接技術研發”“協同焊接制造”“智能化運行管理”3 個業務平臺。智能焊接車間業務體系設計如圖8所示。通過二維碼、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）標識的產品追蹤系統、視頻-溫度-濕度環境傳感器、可穿戴移動設備、在線測量等自動化信息采集和檢測裝置獲取整個車間的加工、物流、制造、環境等狀態信息；通過CPS 平臺通信、計算及控制能力實現生產對象信息物理融合和交互操作，支撐焊接加工系統和物流控制的智能化；通過大數據平臺知識挖掘、專家系統實現焊接工藝的持續優化和創新，并實現生產管理決策的智能化。

圖8 智能焊接車間業務體系設計Fig.8 Intelligent welding shop system design

3.2.5 數字孿生技術實現虛實融合

工廠探索應用數字孿生技術，在加工過程中實現了生產過程中的產品、物料、物流和設備加工狀態等物理系統向虛擬空間數字化模型的實時反饋與驅動。通過虛擬現實展示空間站艙體裝配過程，實現大質量設備、大載荷機柜、角隔區域總裝和航天器管路裝配等復雜工礦的虛擬現實交互式作業，并在裝備過程仿真的基礎上實現裝配流程驅動的可視化裝配場景，如圖9 所示。

圖9 AV/VR 在航天器制造中的應用Fig.9 Application of AV/VR to spacecraft manufacturing

未來企業重點規劃產品全生命周期的連接與貫通，強化產品的設計、流程規劃到生產實現的數據集成與智能分析，實現產品鏈的整體優化與深度協同；面向企業業務活動，支撐計劃、供應、生產、服務等全流程全業務的互聯互通，面向單環節重點場景開展深度數據分析優化，實現全價值鏈的效率提升與重點業務的價值挖掘；整合小產業集團資源，支撐集團資源多個環節數據集成串聯，實現集團化管理。聚焦小產業集團各公司專業和產品特點，按需推進基于全三維的產品研發和工藝設計數字化，建設以數據為驅動的協同研發環境，通過綜合運用流程管理、資源管理、知識工程等技術，將研發方法、經驗、標準、工具與知識融入設計流程中。逐步普及數控設備和自動化儀器設備在企業制造、檢驗檢測、物料配送等環節的應用，構建數字化制造單元和產品生產線，提高關鍵產品制造效率，提升企業核心專業的競爭力。

4 結束語

航天構件的制造過程具有規模龐大、系統復雜、技術難度大、質量可靠性與安全性要求高的特點。智能制造技術作為21 世紀先進制造技術發展的重要方向，是新工業革命的主要標志之一，可以實現航天大型構件的高質量、快速、低成本研制，提高產品研制的快速響應能力。智能制造可覆蓋航天構件生產的各環節，包括工藝設計過程、制造裝備、生產管控。通過在運載火箭箭體總裝、大型戰車總裝、航天器艙體制造等過程中的應用探索，智能制造被證明對于提高航天構件的高質量、快速低成本研制、柔性透明生產管控等有重要作用，同時，對于提升航天制造的自動化、信息化、數字化具有重要意義。