機器人進行飛機蒙皮鉚接。
波音的機身自動化生產(chǎn)線。
VR技術用于飛機裝配。
以德國工業(yè)4.0、美國工業(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)技術發(fā)展的領跑者，正在積極實踐智能制造理念，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。智能制造是一個“數(shù)據(jù)感知與分析->信息處理與推送->知識共享與重用->智慧創(chuàng)造與升華”的過程，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、信息化、自動化進一步升級為：模型化——產(chǎn)品、資源、流程全面模型化;互聯(lián)互感——人-機-物互聯(lián)，并且實時采集狀態(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——自動化設備能夠根據(jù)狀態(tài)信息做出自主決策，人工智能與人類智慧相結合之后實現(xiàn)最優(yōu)執(zhí)行。歐美航空制造商在這升級后的四化基礎上，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——自適應加工、自主化裝配、智能人工增強。
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平臺和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的代表達成了廣泛的合作共識，成為新工業(yè)革命浪潮中的一件大事。德國提出的工業(yè)4.0是國家計劃，旨在實現(xiàn)制造業(yè)轉型升級，從以服務為導向上為眾多德國中小制造企業(yè)的未來發(fā)展找尋出路;GE倡導的工業(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)，實現(xiàn)更多領域的互聯(lián)互通互感互知，通過分布式智能設備利用先進軟件分析創(chuàng)造更多數(shù)據(jù)價值。
1.航空工業(yè)中的新工業(yè)革命
從側重點上來看，工業(yè)4.0重在面向下一代制造價值鏈的詳細模型;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)注重工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的跨領域與互操作性。
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)動機渦輪葉片加工中的分子動力學，將制造業(yè)縱向深入到微觀層面，提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場效率;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)處理航空產(chǎn)品運行中的大數(shù)據(jù)，比如渦輪葉片的運行和結構狀態(tài)，將制造業(yè)與廣泛的服務業(yè)集成，提升運行質(zhì)量和服務效率。
2.航空智能制造中的新工業(yè)革命范例
德國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、智能機床、增強的操作員;GE公司提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三大范例——智能設備、先進分析、與人的連接。這些范例構成了航空智能制造的基礎范例。
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)，在飛機裝配中將測量裝置、鉚接裝置和上緊裝置等智能設備無線連接到中央控制臺以及工廠數(shù)據(jù)庫，通過定位信息自動部署任務程序，通過位置和測量數(shù)據(jù)的實時分析與操作控制確保作業(yè)質(zhì)量。
同時，通過工業(yè)4.0概念中射頻識別與賽博物理系統(tǒng)的交互，空客工廠的生產(chǎn)過程能夠實現(xiàn)三維實時可視化，成為名副其實的數(shù)字工廠，從而利用數(shù)字雙子技術預測并監(jiān)測工廠中的瓶頸和沖突，保證高效運行。
此外，時下火爆的增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實(AR/VR)技術既是“增強的操作員”的重要支撐技術，也是“與人的連接”的重要應用基礎，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)的自適應加工、精益為導向的自主化裝配、以人為本的智能人工增強。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)的自適應加工
基于大數(shù)據(jù)的自適應加工進一步使得集成了傳感器的增強機床成為智能機床。機床通過面向對象的STEP-NC標準，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“超級模型”自動生成NC代碼。這一過程中，CAD/CAM/CNC/CMM之間無縫連接，從而實現(xiàn)動態(tài)工藝規(guī)劃。
至于大數(shù)據(jù)，它可以來自產(chǎn)品、工藝、機床本身，傳感器、驅動器、定位器、NC控制器，機床動力、工件、夾緊裝置，以及工作流、信息載體(RFID)、ERP、PDM、MES和工藝模型。通過對位置、振動、力、扭矩、潤滑劑、外形、溫度等數(shù)據(jù)的實時分析，能夠獲取關于加工工藝的知識。比如，針對來自傳感器與模型的數(shù)據(jù)，可進行自動模型校準和基于模型的自動工藝控制。
以普惠GTF發(fā)動機為例，當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”，未來則要側重垂直工藝鏈，即在不同尺度進行工藝建模，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、微觀運動學和分子動力學中。對減速齒輪的磨削，垂直工藝鏈就要從磨粒建模開始，完整地再現(xiàn)磨削的微觀機理過程，得到最佳結果。通過大數(shù)據(jù)與高性能計算，甚至對高壓壓氣機電火花加工這樣的復雜過程，也可進行多物理學建模與在線工藝仿真。
2，精益化導向的自主化裝配
精益化導向的自主化裝配不是簡單的利用剛性編程的機器人、AGV，而是在先進測量、物聯(lián)網(wǎng)、可移動技術的支撐下充分體現(xiàn)精益制造理念，實現(xiàn)這些設備的自主決策。波音“網(wǎng)絡化/可重構/自主裝配”概念中，裝配車間集成了無線通信系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和智能動力單元，各類機器人可以動態(tài)感知制造環(huán)境并分析任務情況，機-機之間實現(xiàn)自主配合。
波音“機身全自動化制造工廠”專利展示了美國空軍“未來工廠”計劃提出的無工裝工廠和可移動智能的概念，車間地板以RFID標識出六個裝配單元，鉆鉚機器人、柔性簡易工裝都是可移動的，平時存放在等候區(qū)。中央控制臺基于生產(chǎn)速度和訂單分派任務，通過運送部件的AGV控制工作和運動時間，AGV可自主地根據(jù)任務在等候區(qū)和各單元之間搬運機器人和工裝。
自主化并不是無人化，空客驗證的人機協(xié)同機器人印證了這一點，它可以自主操作、在車間中獨立移動并且基于先進的觸覺和光學傳感裝置避免碰撞。這種機器人與人在相同的區(qū)域工作，能夠執(zhí)行多種任務，協(xié)助操作人員減少重壓和單調(diào)的勞作以及檢測任務。
3，以人為本的智能人工增強
人是航空智能制造轉型之路的核心資產(chǎn)，智能人工增強綜合利用AR/VR技術并與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能可穿戴和移動設備結合，增強人獲取信息和利用知識的能力，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。
飛機中的復雜管路和長達數(shù)百千米的電線、數(shù)萬個托架安裝以及連接器插裝，是目前智能人工增強的主力戰(zhàn)場，AR系統(tǒng)通過強大的用戶界面顯示，能夠一步步地指導操作人員精準執(zhí)行這些任務，而且還能快速檢測安裝質(zhì)量。目前，AR技術進一步邁向飛機零部件組裝環(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過程更加智能的工具，整套系統(tǒng)由AR設備以及鉆孔、測量、上緊和質(zhì)量驗證四個工具組成，AR設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，每個工具都具備一系列功能，并且能夠執(zhí)行自動檢查和校正，相關信息都將通過AR設備使操作人員能夠知曉，以做出最佳的后續(xù)行動。
航空工業(yè)需要大量的技巧型知識，并且非常依賴基于人的工藝。航空系統(tǒng)日漸復雜，研制和培訓周期則越來越短，智能人工增強實現(xiàn)更簡便、更快速和更安全的操作，從而節(jié)省時間、成本和能耗，是一個關鍵制勝因素，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。
結束語
航空智能制造中的自適應加工、自主化裝配、智能人工增強，最重要的是大數(shù)據(jù)的基礎、精益化的思維、以人為本的理念，目前也是我國航空工業(yè)較為忽視和建設不足的方面。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認識，即從微觀尺度生成并利用大數(shù)據(jù)掌握機理知識、最大程度改造現(xiàn)有設備實現(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，將是我國航空工業(yè)未來與歐美航空工業(yè)競爭的三個關鍵因素，值得我們認真考慮實施。