智能制造技術(shù)在航空制造產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用

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摘要：基于協(xié)同智能制造工廠建設(shè)項(xiàng)目的案例，闡述智能制造技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)改造大幅度提高生產(chǎn)效率、減少成本、保障產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)避免了人工裝配造成的安全隱患。

關(guān)鍵詞：智能制造，裝配自動(dòng)化，質(zhì)量管控

本文將以某航空制造生產(chǎn)廠建設(shè)為背景，對(duì)智能制造在智能制造設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1智能制造系統(tǒng)架構(gòu)

智能制造的應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)再裝配自動(dòng)化的生產(chǎn)，網(wǎng)絡(luò)信息化的實(shí)時(shí)監(jiān)控、決策以及管理，物流自動(dòng)化的物料以及產(chǎn)品的轉(zhuǎn)運(yùn)工作，并且通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)將智能制造應(yīng)用實(shí)現(xiàn)智能化的仿真作業(yè)，實(shí)現(xiàn)精益智慧制造。圖1為智能制造架構(gòu)。

2裝配自動(dòng)化技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

在航空機(jī)械制造過(guò)程中通過(guò)實(shí)現(xiàn)裝配自動(dòng)化的技術(shù)，使用多種傳感器、儀器儀表實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)以及實(shí)時(shí)的坐標(biāo)位置，同時(shí)監(jiān)控裝配過(guò)程中實(shí)時(shí)的安全問(wèn)題；使用條碼、射頻識(shí)別可探測(cè)到所生產(chǎn)產(chǎn)品的代號(hào)以及批次信息，以便后續(xù)進(jìn)行質(zhì)量管理的追溯以及查詢；使用工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械和裝置可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的裝配操作等，自動(dòng)化是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)；工位根據(jù)生產(chǎn)信息通過(guò)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化安裝生產(chǎn)與傳統(tǒng)裝配技術(shù)相比，自動(dòng)化技術(shù)下的裝配技術(shù)擁有很多的實(shí)用性優(yōu)勢(shì)，因此，發(fā)展速度迅猛。當(dāng)前，航空領(lǐng)域的裝配主要體現(xiàn)在打螺絲，涂膠，大部件的裝配以及對(duì)接測(cè)試等。其中，圓柱形產(chǎn)品的對(duì)接技術(shù)在航空領(lǐng)域中屬于一個(gè)比較常用并且難度比較大的一個(gè)工藝流程。目前現(xiàn)有的調(diào)姿對(duì)接生產(chǎn)方式大多采用人工對(duì)接或者是半自動(dòng)對(duì)接，這樣會(huì)加大人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，另外人工或者半自動(dòng)對(duì)接無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)接兩段筒體的空間姿態(tài)，無(wú)法保證圓筒的中心軸線的同軸度，對(duì)裝配公差間隙較小的產(chǎn)品，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)接或者在對(duì)接過(guò)程中出現(xiàn)碰撞或者摩擦，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)于火工品會(huì)產(chǎn)生安全隱患，其次采用人工對(duì)接或者是半自動(dòng)對(duì)接需要多人配合才能完成測(cè)量及對(duì)接，會(huì)大大增加操作人員數(shù)量，而火工品車間都有定員限制，也會(huì)影響生產(chǎn)效率。通過(guò)自動(dòng)裝配線的改造，由機(jī)器人接觸式測(cè)量系統(tǒng)、視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、對(duì)接調(diào)姿機(jī)構(gòu)、對(duì)接固定平臺(tái)、工裝夾具等組成，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上工件的平移、橫移、升降、偏航、俯仰及滾轉(zhuǎn)6個(gè)自由度的調(diào)姿定位。兩段圓筒吊裝至對(duì)接調(diào)姿設(shè)備上之后，由工裝夾具將兩段圓筒夾緊固定，測(cè)量機(jī)器人分別對(duì)兩段圓筒的外圓、端面等進(jìn)行測(cè)量，建立空間坐標(biāo)系；采用視覺(jué)檢測(cè)相機(jī)對(duì)工裝上的靶標(biāo)拍照，確定空間坐標(biāo)；同時(shí)將測(cè)量機(jī)器人的坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化，導(dǎo)入至視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中，采用雙檢測(cè)系統(tǒng)相互驗(yàn)證的方式，確保測(cè)量精度。通過(guò)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的改造大幅度提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，減少了人力成本，保障了生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)也避免了人工裝配造成的安全隱患。

3生產(chǎn)線管控系統(tǒng)

通過(guò)產(chǎn)線控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需求進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備計(jì)劃，訂單的下發(fā)以及生產(chǎn)計(jì)劃的管理，在整個(gè)智能制造生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行決策性選擇。根據(jù)對(duì)某型產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線的現(xiàn)狀和需建設(shè)內(nèi)容的理解，在某型產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線內(nèi)建設(shè)產(chǎn)線管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的基本應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)在某型產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線內(nèi)全面實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理，并預(yù)留后續(xù)可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)管控系統(tǒng)的集成。圖2為生產(chǎn)線管控系統(tǒng)用戶所需的主要功能框架。根據(jù)該框架，產(chǎn)線管控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括但不限于以下的建設(shè)目標(biāo)：（1）采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、柔性化的生產(chǎn)理念構(gòu)建某型產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)線管控系統(tǒng)；（2）以產(chǎn)線管控系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)物流、工藝、生產(chǎn)、人員、檢測(cè)等全流程數(shù)據(jù)的采集匯總，形成生產(chǎn)全過(guò)程數(shù)據(jù)鏈，基本實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)紙化、透明化；（3）應(yīng)用車間級(jí)電子看板、工位計(jì)算機(jī)等可視化管理工具輔助車間的生產(chǎn)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過(guò)程監(jiān)控，質(zhì)量全過(guò)程追溯。從而提高企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控能力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)決策的科學(xué)化，提高生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)效率和管理效率。為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，在生產(chǎn)前，產(chǎn)線管控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線管控系統(tǒng)所需的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。工藝數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊的管理對(duì)象包含了用戶所需的工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的全部數(shù)據(jù)信息，主要包括零部件信息、產(chǎn)品信息、工裝信息、工具以及量具信息、設(shè)備信息、工藝流程信息、檢測(cè)結(jié)果、人員信息等，工藝數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊提供了工藝編輯功能，用戶可方便地對(duì)這些關(guān)鍵生產(chǎn)元素進(jìn)行編輯整改保存。在生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)線管控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控模塊，接收上級(jí)系統(tǒng)已排產(chǎn)計(jì)劃，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)線管控系統(tǒng)的執(zhí)行，在無(wú)法接受上系統(tǒng)排產(chǎn)計(jì)劃的情況下，產(chǎn)線管控系統(tǒng)本身亦可自行計(jì)劃工單、工序計(jì)劃及排產(chǎn)以及生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度。生產(chǎn)管控過(guò)程包含工藝裝配信息、設(shè)備信息、在線檢測(cè)信息、人員信息等對(duì)工位的推送，以及各工位的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的各類數(shù)據(jù)，人工或自動(dòng)產(chǎn)生預(yù)警，保證產(chǎn)線異常能夠被快速解決，將異常影響降到最低；采集到的各類信息，包括人機(jī)料法環(huán)等生產(chǎn)要素，都與產(chǎn)品綁定，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素與產(chǎn)品的質(zhì)量正反追溯。此外，生產(chǎn)管控模塊將對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行分類成組跟蹤，實(shí)現(xiàn)的歷史追溯和統(tǒng)計(jì)分析，積累科學(xué)的期量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于檢測(cè)信息，產(chǎn)線管控系統(tǒng)將對(duì)檢測(cè)照片等數(shù)據(jù)保留二次開(kāi)發(fā)接口，方便今后進(jìn)行大數(shù)據(jù)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)可根據(jù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用算法自動(dòng)判斷檢測(cè)內(nèi)容是否合格，并提示報(bào)警。

4數(shù)字孿生系統(tǒng)

通過(guò)數(shù)字化產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)能力模型定義和產(chǎn)品工藝要求，可以進(jìn)行工位之間的平衡計(jì)算。基于工廠模型和產(chǎn)品模型進(jìn)行仿真的方案，通過(guò)工程師設(shè)計(jì)的靜態(tài)的三維模型，根據(jù)理論上的工藝以及節(jié)拍時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)分析，在和產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的信息是脫節(jié)的。為了能夠反映出生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際狀態(tài)，及我們認(rèn)為在第二期需要實(shí)現(xiàn)，即關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控和過(guò)程能力評(píng)估。具體說(shuō)明如下：通過(guò)采集生產(chǎn)線上的各個(gè)站位上設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化的全程監(jiān)控模式，一旦設(shè)備存在任何的故障信息，可通過(guò)數(shù)字孿生實(shí)時(shí)查看故障信息，人工可根據(jù)報(bào)警信息快速做出故障判斷，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)控整體設(shè)備上實(shí)時(shí)節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)管理能力提升。

5AGV智能物流系統(tǒng)

隨著人力成本費(fèi)用的不斷提高，使用大量勞動(dòng)力的傳統(tǒng)制造業(yè)，面臨的壓力越來(lái)越大。在這背景下智能工廠逐漸成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型的方向，機(jī)器人組成的智能工廠可大幅減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率。在智能工廠企業(yè)生產(chǎn)流程中，AGV智能物流配送系統(tǒng)打通了原材料中倉(cāng)庫(kù)與生產(chǎn)線、各個(gè)產(chǎn)線之間以及線尾至成品倉(cāng)等環(huán)節(jié)，在智能工廠起到至關(guān)重要的作用。

6結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建智能制造工廠既降低了生產(chǎn)成本，又提升生產(chǎn)效率，同時(shí)也規(guī)避人員傳統(tǒng)操作引發(fā)的安全隱患。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程各環(huán)節(jié)的全面數(shù)據(jù)采集和分析，企業(yè)可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸和產(chǎn)品缺陷等問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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作者：莊勇 單位：上海電器科學(xué)研究所