智能制造的基础、组成及发展途径

智能制造的基础、组成及发展途径王焱;王湘念期刊名称】航空制造技术年(卷),期】2015(000)013【总页数】6页(P32-37)作 者】 王焱;王湘念 【作者单位】 中航工业北京航空制造工程研究所;中航工业北京航空制造工程研究 所正文语种】 中 文制造技术的发展带来了人类社会的进步，从利用自然动力到蒸汽动力，从机械装置 到电气应用，从电子技术到计算机快速发展，都给工业领域带来了不同程度的影响 和推动。进入 21 世纪，电子、信息、计算等技术快速发展并日趋成熟，从而推动 了互联网、物联网、大数据等技术领域的快速发展，引发了工业界尤其是制造业模 式的变革。德国称这种变革为第四次工业革命，即“工业 4.0”；美国则称其为第 三次创新变革浪潮，认为未来工业的特征是“工业互联网”，最终的结果殊途同归， 就是更高的智能化。以智能制造为核心的新一代工业变革的基本促进要素是计算机及网络技术的快速发 展所带来的计算机应用模式的变化(见图 1)。一方面，计算机技术的发展促进了 复杂数据计算处理能力的提升；另一方面，推动了网络通信技术向应用领域的渗入 和融合，从计算机联网发展到物联网，乃至万物互联，为工业产品设计制造活动进 入全数字量贯通的数字化、自动化、网络化时代，奠定了良好的技术基础及应用环 境。图 1 计算机及网络技术发展带来的应用模式变化 航空产品研制过程是一个复杂的系统工程，这一过程将产品设计与制造、分析与计 算、计算机控制与辅助技术、网络技术、自动化技术、微电子技术、材料技术、管 理技术等集成为一体。航空制造技术一直是先进制造技术发展和应用的重点领域之 ,数控机床、CAD/CAM技术首先是为了满足航空产品复杂结构制造需求而出 现和不断发展，并大量应用于航空产品的研制过程。随着航空产品设计制造技术和 计算机应用技术的发展，传统的以设计图纸为载体的设计数据表达方式已经逐渐被 产品数字化模型所取代，计算机三维模型成为航空产品信息的基本载体，其制造过 程也伴随着计算机技术、信息技术、网络技术的发展和不断完善，从早期以数控加 工为主体的计算辅助制造扩展到零件加工、生产运行、部件装配及总体装配等全过 程的数字化制造。伴随着数字化技术的发展变化，航空产品研制在经历了二维图纸 三维模型、数字样机等典型阶段后，发展到现在的并行协同工作模式，数字量信息 贯穿从产品设计到制造的整个过程，大大提高了产品质量，并缩短了研制周期。航 空产品全数字化设计制造模式已经形成，数控车间已经成为各航空企业的核心能力 建设重点，数控设备已经成为航空企业近年来技术改造配备的主流装备。总体上， 航空产品研制已经进入数字化时代，数字化表达、网络化连通、协同化研制、数字 化执行已经成为航空产品研制的基本模式。现代航空产品要求具有良好的飞行性能、长寿命与高可靠性、合理的制造与使用成 本等，使得航空产品的零件结构、材料体系、加工要求等不断发展变化（如整体结 构、高强度材料、抗疲劳等），提升工件加工精度、提高表面质量、实现零部件制 造过程稳定控制成为航空产品研制和批量生产所关注的核心；另外，用户需求的多 样化也导致产品类型的多样化，多品种、小批量乃至个性化成为新的航空产品研制 模式。在处于数字化时代的航空产品研制过程中，加工执行、工况处理、生产系统快速响应等方面，都迫切需要提升整个过程的智能处理和协同管控能力，以实现制造系统的稳定、准确运行，满足制造过程稳定控制需求，智能制造将为提升航空产 品研制过程的智能处理和协同管控能力提供保障，也将带来航空产品研制模式的变 革和转型升级。智能制造的基础及内涵 制造是从概念到实物的过程，通过制造活动把原材料加工成适用的产品。制造可分 为狭义的制造和广义的制造 2 类，表1 给出其基本涵义和表现形式。表1 制造的涵义及表现形式传统的制造活动模型如图 21所示，其过程是，输入原材料或毛坯，利用加工设 备和工具在能源驱动作用下，使原材料或毛坯的几何形状或物理化学性能发生变化， 最终形成各种用途的产品，人（劳动力）是活动的主体。所有的制造活动需要通过 制造系统来实现，制造系统是指以生产产品为目的，由制造过程的物料、能源、软 硬件设备、人员以及相关设计方法、加工工艺、生产调度、系统维护、管理规范等 组成的具有特定制造功能的有机整体。图2 传统制造活动模型在数字化环境下，数字量信息伴随着原材料流动、设备运转和制造活动成为产品制 造过程中产生、处理、存储和使用的关键资源之一，这使得生产方式由传统的以物 流为核心向以信息为核心的模式转变，信息驱动下的制造活动（见图 3）模式下把 产品看做是在传统的原始资源上赋予新信息的产物，而从用户的角度只是使用产品 的功能满足需求（即产品提供服务），这样，制造过程就是一个对制造系统注入生 产信息（原始资源、能源和信息），从而使产品信息获得增值的过程2。图3 信息驱动下的制造活动模型从抽象的角度看，制造活动就是对“资源+信息”的处理过程，现代制造系统中由于数字模型、自动控制、数字量驱动的存在而使得制造过程的信息量激增，制造活动是对市场、开发、制造、服务和管理等各阶段信息的获取、加工、处理的过程， 要求制造系统具有更强的信息加工（智能处理）能力，减小复杂处理过程对人类智 慧的依赖。20 世纪 90 年代，人工智能开始在制造领域逐步得到应用，专家系统、 模式识别、神经网络等成为当时学术领域探讨的重点，出现了“智能制造”的概念， 并形成了智能制造技术、智能制造系统的基本概念（见表 23）。心理学认为，从感觉到记忆到思维的过程成为“智慧”，其结果产生了行为和语言， 行为和语言表达过程表现出“能力”；将感觉、记忆、回忆、思维、语言、行为的 整个过程称为智能过程。人类智能涉及记忆力、计算及判断力、理解力、预测能力、 情感、直觉等，而机器智能（或称人工智能）主要体现存储、计算、逻辑、推理能 力，机器智能依据的方法、规则只是人类部分智能的抽象和固化。智能制造是一种 生产模式，涵盖了从独立设备的机器智能到制造过程的系统智能的进步和发展，从 控制论原理看，控制系统的作用就是以某种智能的方式从外界提取必要的信息（称 为输入），按一定的规则由中央处理器进行处理，产生新的信息（称为输出）反作 用于外界，以达到一定的目的4。由此，我们给出智能制造的典型特征：“动态 感知实时分析自主决策精准执行”（见图4），即利用传感系统获 取制造系统的实时运行状态信息和数据，通过高速网络实现数据和信息的实时传输、 存储和分析，根据分析的结果，按照设定的规则或积累的知识通过人工智能方法做 出判断和决策，再将处理结果反馈到现场完成精确调整和处理，这一过程是在数字 量、网络通信和自动化技术支持下实现的。对于航空产品研制，智能制造的前提是产品和制造过程的数字化模型、数字化控制 的工艺装备、网络化集成的制造系统、基于规则或知识库的智能化处理。智能制造 系统是人机一体化的混合系统，在智能制造系统中，机器智能和人的智能将紧 密地集成在一起。实现智能制造的工厂首先是数字化工厂，制造活动及对象是数字 定义的，执行过程是由数字量驱动的；其次是虚拟工厂，所有的制造活动可以在计 算机支持的虚拟空间中进行仿真执行；最后是智能工厂，独立的智能设备或单元 (系统)体现出 “自动化”和“自主性”，由设备或单元(系统)构成的制造系 统具有 “自组织能力”和“合作性”，面向供应链或外部市场体现出“协作化”。表2智能制造技术及智能制造系统的基本概念智能制造技术(IMT)智能制造系统 (IMS)在数字化、自动化装置及系统应用的基础上，将人工智能引入到制造过程中， 形成以存储、计算、逻辑、推理为特征的机器智能所驱动的产品制造技术。在制造 过程的各个环节，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、 构思和决策，取代或延伸制造中人的脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集 存储、完善、共享、继承与发展借助计算机和网络，综合人工智能技术、自动化技 术、智能制造设备、现代管理技术、制造工艺技术、信息技术和系统工程技术；以 标准化和互换性为基础，使制造系统中的经营决策、生产规划、作业调度、产品加 工和质量保证等各个子系统分别智能化；是通过网络集成的高度自动化制造系统传 统的工具、设备延伸了人的四肢能力，IMT扩展了人的大脑能力为集成化的制造 系统，从个体智能到整体智能图4 智能制造特征 从智能制造的基础和内涵中可以看出，数字化、网络化、自动化、智能化是智能制 造系统的基本前提要素。数字化是全制造和产品定量表达的手段；网络化是数据和 信息的实时传输、存储和分析的基本支持环境；自动化是制造系统运行、智能化处 理的基本保障；智能化是制造系统中数据和信息处理的基本方法，智能制造系统是 一个“感知分析决策执行”的全闭环系统。航空产品智能制造的技术结构及基本组成 制造控制过程通常分为批量生产型、连续生产型、离散生产型 3 种形式，制造活 动体现在企业的不同层级中，企业、工作场所、工作区域、生产线/生产单元、加 工设备构成了支持制造活动的主体4-6，综合起来，这里给出智能制造系统的信 息层级结构模型(见图 5)，一方面是制造活动的从语义/图形(Semantics/Graphics )到 Pattern (模式)到 Model(模型)到字节(Byte )的 数字化，另一方面是制造运行过程中现场状态信息从字节(Byte )到字/像素(Words/Pixels)到语句/图像(Sentence/Image)到语义/图形(Semantics/Graphics )的理解，在这样的过程中，智能处理将在各个环节以“感知分析决策执行”的全闭环控制发挥作用。制造系统中信息的智能处理是智能制造的核心，也是航空产品狭义制造过程首先要关注的重点，主要涉及生产规划、工厂/生产线设计、产品工艺设计、生产运行、 现场加工等过程。航空产品研制已经进入数字化时代，数字化的装备成为各个工艺环节不可或缺的基 础资源，复杂形状零部件制造的工艺活动已经由传统的手工操作变成程序控制执行， 这种数字化执行手段为实现航空产品智能制造奠定了基础。航空产品制造过程的智 能化主要由 4 个方面组成。(1) 智能加工工艺。传统的数控和数字化加工过程是根据零部件的设计模型和工艺要求确定加工工艺及程序，基于空间和时间的确定性关系来完成产品制造工作，加工状态是依靠现场工作人员监控、事后检测来确认的，难以实时掌握加工过程中工况的时变规律，并即时做出决策，导致航空产品零部件质量一致性不稳定，表面质量状态波动大，零部件的装配互换性差，服役性能不稳定，从而引起返修或安全事故。智能加工工艺是在零部件制造过程中，增加对加工过程、时变工况的在线监测，采用智能技术对获取的加工过程状态信息进行实时分析、评估和决策，实现对加工过程的自主学习和决策控制，扩展了加工过程智能处理能力。更进一步，可以通过自主学习形成工艺 知识库，支持工艺设计与程序设计过程，实现工件加工工艺的自主决策设计和优化。 图5 智能制造系统的信息层级结构模型智能化加工工艺的航空制造领域的应用主要方向是：工件加工过程的力热变 形场的实时监控与工况优化控制、加工轨迹跟踪与实时修正、加工区域状态的实时 监控与评估、非确定定位状态下的工艺基准协调、复杂零件加工余量优化调整及其 表面光顺性控制、加工工艺与程序的智能化设计等，典型实例如叶片和整体叶盘的 自适应加工、焊接轨迹跟踪及实时修正、焊缝质量监测评估与工艺参数即时优化、 部件自动化制孔与连接装配工艺等。（2）智能装备及智能制造单元。现代数控装备是按确定的空间关系和程序逻辑来 运转的。随着数控系统计算处理能力的不断提升和功能部件不断发展完善，数控装 备的加工效率、稳定性、灵活性、信息处理能力都有了极大的提高，已经成为支持 航空产品制造的关键基础，航空产品