機(jī)器人進(jìn)行飛機(jī)蒙皮鉚接。

　　波音的機(jī)身自動(dòng)化生產(chǎn)線。

　　VR技術(shù)用于飛機(jī)裝配。

　　以德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新工業(yè)革命浪潮席卷全球，航空工業(yè)作為世界工業(yè)技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)跑者，正在積極實(shí)踐智能制造理念，以智能化為主線，向著更加精益、柔性、敏捷、以人為本、可持續(xù)和低成本的道路邁進(jìn)。智能制造是一個(gè)“數(shù)據(jù)感知與分析->信息處理與推送->知識(shí)共享與重用->智慧創(chuàng)造與升華”的過程，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、自動(dòng)化進(jìn)一步升級(jí)為：模型化——產(chǎn)品、資源、流程全面模型化;互聯(lián)互感——人-機(jī)-物互聯(lián)，并且實(shí)時(shí)采集狀態(tài)數(shù)據(jù);互通互知——數(shù)據(jù)可互操作，并且通過基于模型的仿真分析知曉任何狀態(tài);自主化——自動(dòng)化設(shè)備能夠根據(jù)狀態(tài)信息做出自主決策，人工智能與人類智慧相結(jié)合之后實(shí)現(xiàn)最優(yōu)執(zhí)行。歐美航空制造商在這升級(jí)后的四化基礎(chǔ)上，正向世人展示新工業(yè)革命下航空智能制造的三大典型范例——自適應(yīng)加工、自主化裝配、智能人工增強(qiáng)。

　　新工業(yè)革命下的航空智能制造

　　2016年3月2日，工業(yè)4.0平臺(tái)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的代表達(dá)成了廣泛的合作共識(shí)，成為新工業(yè)革命浪潮中的一件大事。德國(guó)提出的工業(yè)4.0是國(guó)家計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從以服務(wù)為導(dǎo)向上為眾多德國(guó)中小制造企業(yè)的未來發(fā)展找尋出路;GE倡導(dǎo)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)界愿景，旨在充分利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)更多領(lǐng)域的互聯(lián)互通互感互知，通過分布式智能設(shè)備利用先進(jìn)軟件分析創(chuàng)造更多數(shù)據(jù)價(jià)值。

　　1.航空工業(yè)中的新工業(yè)革命

　　從側(cè)重點(diǎn)上來看，工業(yè)4.0重在面向下一代制造價(jià)值鏈的詳細(xì)模型;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)注重工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的跨領(lǐng)域與互操作性。

　　具體到航空工業(yè)中，工業(yè)4.0處理航空產(chǎn)品制造中的大數(shù)據(jù)，比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片加工中的分子動(dòng)力學(xué)，將制造業(yè)縱向深入到微觀層面，提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場(chǎng)效率;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)處理航空產(chǎn)品運(yùn)行中的大數(shù)據(jù)，比如渦輪葉片的運(yùn)行和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，將制造業(yè)與廣泛的服務(wù)業(yè)集成，提升運(yùn)行質(zhì)量和服務(wù)效率。

　　2.航空智能制造中的新工業(yè)革命范例

　　德國(guó)人工智能研究中心提出了“工業(yè)4.0”的三大范例——智能產(chǎn)品、智能機(jī)床、增強(qiáng)的操作員;GE公司提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三大范例——智能設(shè)備、先進(jìn)分析、與人的連接。這些范例構(gòu)成了航空智能制造的基礎(chǔ)范例。

　　現(xiàn)在，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)而向航空制造中滲透，比如空中客車公司正在打造的制造系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)，在飛機(jī)裝配中將測(cè)量裝置、鉚接裝置和上緊裝置等智能設(shè)備無線連接到中央控制臺(tái)以及工廠數(shù)據(jù)庫，通過定位信息自動(dòng)部署任務(wù)程序，通過位置和測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與操作控制確保作業(yè)質(zhì)量。

　　同時(shí)，通過工業(yè)4.0概念中射頻識(shí)別與賽博物理系統(tǒng)的交互，空客工廠的生產(chǎn)過程能夠?qū)崿F(xiàn)三維實(shí)時(shí)可視化，成為名副其實(shí)的數(shù)字工廠，從而利用數(shù)字雙子技術(shù)預(yù)測(cè)并監(jiān)測(cè)工廠中的瓶頸和沖突，保證高效運(yùn)行。

　　此外，時(shí)下火爆的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)(AR/VR)技術(shù)既是“增強(qiáng)的操作員”的重要支撐技術(shù)，也是“與人的連接”的重要應(yīng)用基礎(chǔ)，扮演著連接人與航空智能制造的重要角色。

　　航空智能制造的三大典型范例

　　加工與裝配環(huán)節(jié)是航空制造的核心，航空智能制造的三大典型范例包括：基于大數(shù)據(jù)的自適應(yīng)加工、精益為導(dǎo)向的自主化裝配、以人為本的智能人工增強(qiáng)。在這三種制造情境下，傳統(tǒng)的加工和裝配模式被顛覆，操作人員的角色被徹底改變，新工業(yè)革命的特征得以集中展現(xiàn)。

　　1，基于大數(shù)據(jù)的自適應(yīng)加工

　　基于大數(shù)據(jù)的自適應(yīng)加工進(jìn)一步使得集成了傳感器的增強(qiáng)機(jī)床成為智能機(jī)床。機(jī)床通過面向?qū)ο蟮腟TEP-NC標(biāo)準(zhǔn)，由CNC系統(tǒng)直接讀取CAD/CAM數(shù)據(jù)，根據(jù)包含了零件幾何形狀、刀具路徑生成、刀具選擇等信息的“超級(jí)模型”自動(dòng)生成NC代碼。這一過程中，CAD/CAM/CNC/CMM之間無縫連接，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工藝規(guī)劃。

　　至于大數(shù)據(jù)，它可以來自產(chǎn)品、工藝、機(jī)床本身，傳感器、驅(qū)動(dòng)器、定位器、NC控制器，機(jī)床動(dòng)力、工件、夾緊裝置，以及工作流、信息載體(RFID)、ERP、PDM、MES和工藝模型。通過對(duì)位置、振動(dòng)、力、扭矩、潤(rùn)滑劑、外形、溫度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，能夠獲取關(guān)于加工工藝的知識(shí)。比如，針對(duì)來自傳感器與模型的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行自動(dòng)模型校準(zhǔn)和基于模型的自動(dòng)工藝控制。

　　以普惠GTF發(fā)動(dòng)機(jī)為例，當(dāng)前的工藝建模仿真是基于水平工藝鏈，比如高壓渦輪葉片的“銑削-磨削-拋光”，未來則要側(cè)重垂直工藝鏈，即在不同尺度進(jìn)行工藝建模，越微觀則數(shù)據(jù)量越大，大數(shù)據(jù)出現(xiàn)在有限元分析、微觀運(yùn)動(dòng)學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)中。對(duì)減速齒輪的磨削，垂直工藝鏈就要從磨粒建模開始，完整地再現(xiàn)磨削的微觀機(jī)理過程，得到最佳結(jié)果。通過大數(shù)據(jù)與高性能計(jì)算，甚至對(duì)高壓壓氣機(jī)電火花加工這樣的復(fù)雜過程，也可進(jìn)行多物理學(xué)建模與在線工藝仿真。

　　2，精益化導(dǎo)向的自主化裝配

　　精益化導(dǎo)向的自主化裝配不是簡(jiǎn)單的利用剛性編程的機(jī)器人、AGV，而是在先進(jìn)測(cè)量、物聯(lián)網(wǎng)、可移動(dòng)技術(shù)的支撐下充分體現(xiàn)精益制造理念，實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備的自主決策。波音“網(wǎng)絡(luò)化/可重構(gòu)/自主裝配”概念中，裝配車間集成了無線通信系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和智能動(dòng)力單元，各類機(jī)器人可以動(dòng)態(tài)感知制造環(huán)境并分析任務(wù)情況，機(jī)-機(jī)之間實(shí)現(xiàn)自主配合。

　　波音“機(jī)身全自動(dòng)化制造工廠”專利展示了美國(guó)空軍“未來工廠”計(jì)劃提出的無工裝工廠和可移動(dòng)智能的概念，車間地板以RFID標(biāo)識(shí)出六個(gè)裝配單元，鉆鉚機(jī)器人、柔性簡(jiǎn)易工裝都是可移動(dòng)的，平時(shí)存放在等候區(qū)。中央控制臺(tái)基于生產(chǎn)速度和訂單分派任務(wù)，通過運(yùn)送部件的AGV控制工作和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，AGV可自主地根據(jù)任務(wù)在等候區(qū)和各單元之間搬運(yùn)機(jī)器人和工裝。

　　自主化并不是無人化，空客驗(yàn)證的人機(jī)協(xié)同機(jī)器人印證了這一點(diǎn)，它可以自主操作、在車間中獨(dú)立移動(dòng)并且基于先進(jìn)的觸覺和光學(xué)傳感裝置避免碰撞。這種機(jī)器人與人在相同的區(qū)域工作，能夠執(zhí)行多種任務(wù)，協(xié)助操作人員減少重壓和單調(diào)的勞作以及檢測(cè)任務(wù)。

　　3，以人為本的智能人工增強(qiáng)

　　人是航空智能制造轉(zhuǎn)型之路的核心資產(chǎn)，智能人工增強(qiáng)綜合利用AR/VR技術(shù)并與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能可穿戴和移動(dòng)設(shè)備結(jié)合，增強(qiáng)人獲取信息和利用知識(shí)的能力，使人更好地融于智能環(huán)境，從而更好地理解和執(zhí)行任務(wù)。

　　飛機(jī)中的復(fù)雜管路和長(zhǎng)達(dá)數(shù)百千米的電線、數(shù)萬個(gè)托架安裝以及連接器插裝，是目前智能人工增強(qiáng)的主力戰(zhàn)場(chǎng)，AR系統(tǒng)通過強(qiáng)大的用戶界面顯示，能夠一步步地指導(dǎo)操作人員精準(zhǔn)執(zhí)行這些任務(wù)，而且還能快速檢測(cè)安裝質(zhì)量。目前，AR技術(shù)進(jìn)一步邁向飛機(jī)零部件組裝環(huán)節(jié)，空客操作人員就佩戴谷歌眼鏡完成A330客艙座椅安裝。

　　空客正在研究讓人工鉆孔這個(gè)過程更加智能的工具，整套系統(tǒng)由AR設(shè)備以及鉆孔、測(cè)量、上緊和質(zhì)量驗(yàn)證四個(gè)工具組成，AR設(shè)備的核心部分包括嵌入操作工人眼鏡的高清攝像頭、潛入操作工人衣服的處理器以及嵌入式圖像處理軟件。整套系統(tǒng)建立在具備視覺算法的工藝環(huán)境之上，每個(gè)工具都具備一系列功能，并且能夠執(zhí)行自動(dòng)檢查和校正，相關(guān)信息都將通過AR設(shè)備使操作人員能夠知曉，以做出最佳的后續(xù)行動(dòng)。

　　航空工業(yè)需要大量的技巧型知識(shí)，并且非常依賴基于人的工藝。航空系統(tǒng)日漸復(fù)雜，研制和培訓(xùn)周期則越來越短，智能人工增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)便、更快速和更安全的操作，從而節(jié)省時(shí)間、成本和能耗，是一個(gè)關(guān)鍵制勝因素，這也是歐美航空工業(yè)以人為本智能制造理念的絕佳詮釋。

　　結(jié)束語

　　航空智能制造中的自適應(yīng)加工、自主化裝配、智能人工增強(qiáng)，最重要的是大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)、精益化的思維、以人為本的理念，目前也是我國(guó)航空工業(yè)較為忽視和建設(shè)不足的方面。新工業(yè)革命下航空智能制造的三大典型范例帶來的一個(gè)認(rèn)識(shí)，即從微觀尺度生成并利用大數(shù)據(jù)掌握機(jī)理知識(shí)、最大程度改造現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)精益和智能的雙贏、充分發(fā)揮人的作用并提升其操作和創(chuàng)新能力，將是我國(guó)航空工業(yè)未來與歐美航空工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的三個(gè)關(guān)鍵因素，值得我們認(rèn)真考慮實(shí)施。