新時期制造業發展趨勢

        1.日美歐高度重視智能制造

       隨著工業機器人、柔性化制造等技術的日趨成熟，智能制造已成為日、美、歐等國的航空制造企業的重點發展目標，日本早在20 世紀90 年代初就提出“智能制造系統IMS”國際合作研究計劃，投資超過10 億美元開展超過100 個項目的前期技術研究。美國科學技術委員會聯合工作組也在2006 年制造研究報告中將“智能集成制造”確定為美國制造研發的三大重點領域之一，并于2011年正式啟動“先進制造伙伴計劃”，2012 年出臺“先進制造業國家戰略計劃”，以加強智能制造的技術創新。同期歐盟在2007 年實施了《第七框架計劃》，以機器人和信息技術為基礎，目標是利用智能制造實現制造模式的新革命，值得注意的是“歐洲2020 智慧可持續包容增長戰略”中明確提出重點發展以智能為核心的先進制造。

       2.德國開啟工業4.0 時代

       為了積極應對科技產業革命，保障德國制造業基礎地位，在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等德國學術界和產業界的建議和推動下，德國于2013 年正式開啟了“工業4.0”時代。工業4.0 以智能工廠、智能制造為兩大主題，首次提出了（CPS）賽博物理系統的概念，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，縱向打通企業內部實時管理體系，橫向連接各供應端商業交流服務流程。面對德國工業4.0，制造業引發了新一輪深層次的思考，如圖1 所示。

圖1 工業4.0引發的思考

       3.國家實施“中國制造2025”發展戰略

       “中國制造2025”是基于中國國情和制造業發展現狀而提出的，旨在解決制造業基礎能力薄弱、產品質量不高的問題，研發工藝庫、材料參數庫和制造過程核心軟件產品；提倡結合互聯網、物聯網、大數據等新一代信息技術，探索、跟蹤新興產業發展的重大裝備、智能機器人等核心技術，研制關鍵裝備；改造傳統產業，深化高效、節能、節材產品設計創新、智能化工藝、服務運維等全生命周期綠色化模式，最終實現制造業的綠色智能化發展。“中國制造2025”發展重點如圖2 所示。

圖2 中國制造2025的發展重點

產業化智能制造的定位與思考

       1.新時期航空制造業的機遇與挑戰

       航空制造業是應用數字化制造技術最為密集的行業之一，集成了大量的機電軟一體化關鍵工藝裝備，盡管多年來航空制造業已經有了良好的基礎，但面對高科技和高投入的新型產品，仍顯得儲備不足，快速研制能力、批量生產和變批量生產快速轉換能力薄弱，致使航空零件研制周期過長，難以滿足部隊更新武器裝備和發展民航運輸的迫切需求，無論在單項專業技術還是綜合技術水平上，與世界發達國家相比還存在不小的差距，新時期的航空制造業急需借助本輪工業化提升的進程，通過助推產業數字化的協同發展、改善先進制造技術的研發模式等多個層面技術水平的共同提升，已應對產能倍增、產品優質交付所帶來的嚴峻挑戰。

       2.依托泛產業化同盟，實現集群效應最大化

       隨著產品復雜性和個性化程度的加深，產品的自動化程度隨著開發周期的縮短和成本的壓力明顯增加，而且這一趨勢還將繼續下去，傳統的單打獨斗式的生產模式逐漸被技術產業化聯盟所取代。聯合學術界、產業界建立技術產業化聯盟，通過實施長達10~30 年的滾動式智能制造合作計劃，聯合開展智能制造產業化發展研究，實施集群化發展戰略和國際化協作發展戰略，凸顯整合效應、集群效應、熵變效應，目標直指克服柔性制造系統、計算機集成制造系統的局限性。現階段國內企業產業化的發展需要將自身融入泛產業聯盟內部，充分借鑒和利用日本的專業工廠精益技術、歐盟的精密工程技術、美國的系統工程技術，彼此合作，相輔相成，構建屬于自己的高技術生產生態系統。

       3.面向產業化的智能制造發展戰略

       智能制造是現階段制造工業發展的核心主題，是現代工業化與信息化融合的應用體現，智能制造至少包括3 方面的能力，一是理解、分析、解決問題的能力；二是歸納推理和演繹推理的能力；三是自適應環境而生存發展的能力，知識是一切智能行為的基石。

       智能制造的產業化特征突出表現在技術轉型、自適應控制和系統保障3 個方面。智能制造要求生產制造階段工作流高度的智能化，目的是提高生產過程的可控性、減少生產線人工干預、及時正確地收集生產線數據、更加合理地編排生產計劃與生產進度。智能制造與數字化制造的交叉滲透，可以在本質上破除由于工藝過程、工藝裝備和生產節拍間邏輯關聯性的缺失，而造成的整體加工效率偏低，能夠實現企業資源效能的最大化，智能制造的發展如圖3 所示。

圖3 面向產業化的智能制造發展戰略

       4.打造“三位一體”數字化制造新模式

       生產線是智能工廠生態系統的核心組成部分，是智能制造產業化進程的重要載體，以整體智能制造產業化應用為主導的數字化生產線是產業化升級的必然產物。發展以數字化工廠技術、工業軟件和工藝裝備“三位一體”的數字化制造新模式（見圖4），需要結合自身的生產研制特點，打造以3D 工藝規劃設計為主線的技術實施鏈、以自優化、自學習為主線的工藝優化鏈、以自適應控制為主線的生產作業鏈、以自監測、自診斷為主線的生產管控鏈等4 條關鍵技術鏈。通過整合企業已有研發、制造、應用、保障等資源，貫通離散式生產模式的各個關鍵節點，構建智能制造技術研發平臺。進而形成整體優勢能力，支撐核心技術的滾動式發展，進一步推動企業智能化制造技術轉型的步伐。

圖4 “三位一體”的數字化制造模式

航空制造業專業化生產線建設探索與實踐

       1.總體方案

       專業化的生產線建設是一項系統工程，宏觀上可以分為兩條主線，一是以工藝為主線的工藝技術鏈；二是以運行為主線的加工技術鏈。

       專業化的生產線需要解決底層理論基礎到頂層加工單元之間各個環節存在的技術問題，構建產品全生命周期、企業全業務流程、產業全價值鏈的“三全”技術能力框架，打通虛擬與現實技術融合的技術壁壘，如圖5 所示。

圖5 智能生產線制造方式

       2.建設思路

       遵循“改善已知+ 發明未知+需求驅動”的總體發展思路，著眼于智能制造工藝裝備，立足于智能制造總成配套能力、系統集成能力、技術研發能力和運行保障能力建設，發展集數字化工廠技術、工業軟件和工藝裝備為一體的數字化制造技術體系。

      （1）用好已有工業軟件工具、關鍵工藝裝備，充分利用企業現有制造資源，實現軟件工具使用效能最大化、工藝裝備利用效能最大化、型號研制技術風險最小化、企業綜合制造能力最大化。

      （2）變革研發模式，開發研發系統環境；預判研制過程，構建虛擬加工平臺，研發實用化技術及工具；管控制造過程，建設智能化工廠、數字化車間、柔性制造單元生產模式。

      （3）構建綜合“工藝研發平臺+虛擬加工平臺+ 數字化工廠”于一體的數字化制造技術研發平臺，如圖6 所示。

圖6 數字化制造技術研發平臺

       3.建設內容

      （1）圍繞航空發動機制造體系發展規劃和型號研制需求，通過開展新材料、新技術、新工藝的預先研究和應用研究，開發多專業融合的工藝技術研發平臺，探索工藝研發中重點關注的技術研發能力和前沿制造技術能力。

      （2）針對不同功能的需求，構建以技術預先驗證理念為導向的虛擬加工平臺，在虛擬加工環境再現實際加工狀態和加工瓶頸問題，在實際加工之前進行工藝過程仿真、分析和優化，預先發現問題、分析問題，并解決問題。

      （3）結合批產任務和研制能力綜合保障需求，從綜合提升企業核心能力入手，建設智能專業化生產線研發平臺，重點解決生產制造需解決的問題，產品研制需突破的瓶頸問題和未來發展需解決的技術儲備問題3個方面的問題。

      （4）建立企業級綜合管控模式，大力推進信息化與管理模式的融合互動，以管理信息化平臺固化、追蹤和顯性化管理模式的變革路徑，以管理模式的發展訴求促進信息化能力的不斷優化與提升。實現資源和能力的整合協同、業務的快速發展、商業模式的不斷優化，最終帶動管理效能提升。

       4.實施方案

       基于行業已有的最佳實踐，參考國內外的先進理念和經驗，結合自身的生產研制特點，建設面向航空發動機產品專業化生產線，實現企業資源效能的最大化。

      （1）先進的生產管理理念。引入生產管理咨詢，將工業4.0 的核心思想以及生產管理理念，結合企業的當前生產模式，建立適應智能制造要求的精益生產管理模式，建成具有精益管理水平的生產系統。

      （2）高效的組織和業務流程。生產流程優化以精益價值流、并行工程和精細化管理為建設原則，實現生產流程和生產組織的重組、優化及管理制度的建設，達到提高流程效率、增加管理柔性、提高系統的快速響應能力的建設目標。

      （3）虛擬的布局仿真和優化。建立專業的生產線模擬布局和物流優化，涵蓋車間布局優化、車間物流優化、工位布局優化。通過局域網或工業網絡以及自動化控制手段實現先進設備網絡化連接。

      （4）數字化的工藝和制造系統支撐。通過虛擬制造技術和并行協同工作模式，實現工藝設計、工裝設計、裝配仿真的全三維數字化研發。

      （5）專業化的生產線管理體系。建立適合企業生產方式下的專業化生產線管理體系架構，以此為依據支撐專業化生產線在企業的實施和具體應用，形成一套的專業化生產線應用的標準和管理規范以及作業指導性文件。

       5.數字化工廠實踐

       典型零件智能制造從虛擬和現實兩個緯度入手，通過工業互聯網實現關聯和集成，統籌安排協同設計制造、3D 工藝準備、虛擬研發、數字化生產線、工業自動化控制、生產線運行維護與保障等6 大關鍵領域，如圖7 所示。

圖7工業互聯網技術

       第一個層次是智能制造的技術研發、先進制造技術應用和預先技術驗證，并作為智能制造的技術和資源支撐平臺，涉及協同設計制造、3D 工藝準備和數字化仿真等3 個關鍵領域，關注航空發動機產品智能制造研發自身技術的研究和積累，目的是夯實智能制造技術基礎；第二個層次是智能制造在航空發動機產品中的具體實際應用，以數字化工廠建設（見圖8）作為突破口，并將數字化生產線作為智能制造的應用環境，涉及數字化工廠、工業自動化控制和生產線運行與保障等3個關鍵領域，關注大數據處理、知識工程，以及生產線運行維護及保障等智能制造核心技術的產業化應用，目的是夯實工業基礎，提高航空發動機產品整體制造能力。

圖8 數字化工廠實踐

結束語