智能制造装备对航空工业的影响

摘要：航空工业是一个国家综合国力和核心竞争力的重要体现，对国民经济其他产业具有很强的辐射带动作用。与其他高端装备制造业面向的对象只是传统产业的高端部分不同，几乎整个航空装备产业链都是高端装备和新材料的范畴，因此发展航空装备对一国制造业的整体提升有重大意义。

关键词：航空工业；智能制造

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.30.092

航空工业是一个国家综合国力和核心竞争力的重要体现，对国民经济其他产业具有很强的辐射带动作用。与其他高端装备制造业面向的对象只是传统产业的高端部分不同，几乎整个航空装备产业链都是高端装备和新材料的范畴，因此发展航空装备对一国制造业的整体提升有重大意义。

航空工业的产品研制周期长、成本高、风险大，且市场空间有限、寡头垄断严重，因此企业的市场研究和定位尤其重要。据波音公司在巴黎航展上最新发布的市场展望报告显示，未来20年内，全球将需要41030架飞机，总价值达6.1万亿美元。其中单通道飞机需要29530架新飞机；中国新增飞机总数将达到6810架，总价值超过1万亿美元。面对如此广阔的市场需求，各大航空制造商也是一再提升产能，加速生产。而智能制造作为加速实现这一目标的有力武器，从关键技术到标准体系，都需要逐步建立和增强；智能装备作为实现智能制造的必要条件，其性能以及智能化水平也决定着智能制造的发展高度。

1我国航空工业的发展现状和趋势

新中国成立以来，我国航空工业取得了长足进步，但与国际先进水平相比，仍存在较大差距，例如产业规模小、规模效应尚未充分体现，产业自主发展能力不强，市场机制有待完善；航空产品种类偏少，技术水平不高，市场竞争力不强；航空发动机、机载系统和设备、原材料和元器件等受制于国外。

航空工业产业链上游包括制造各种航空零部件所需的金属非金属等原材料及成型材料，金属材料主要有：结构钢、不锈钢、以航空铝材为代表的各类合金材料等；非金属材料包括航空陶瓷、特种橡胶和碳纤维等。下游则由飞机整机制造、航空发动机制造和航空维修三大部分构成。航空工业零部件产业的发展水平制约着航空工业的发展水平。由于国产数控机床的整体性能长期以来无法达到航空工业对性能、效率和质量等的要求，航空工业所采用的数控机床以各类进口机床为主。

鉴于上述状况，我国政府提出“中国制造2025”强国战略，并将航空航天装备作为重点发展的十大领域之一，通过在航空工业的实施智能制造发展战略，解决航空工业由于整体智能化水平不高所带来的质量和效率不高的问题，降低由于整体规模相对较小带来的成本制约。智能制造体系在航空工业中的实施，要求设计、制造、服务等航空制造全流程亟待用智能制造的技术和体系加以整合和提升。为此，持续推进以智能为核心的“产品设计、制造与服务一体化”是航空制造业未来的发展方向。

2基于智能装备、智能车间、智能工厂的智能制造体系

在航空领域实现智能制造体系有助于提升航空制造业的竞争力。实现智能制造体系的关键点则在于各种基础技术的突破和多种智能装备的使用。智能制造体系的实施是按照智能装备、智能车间、智能工厂的层次实现的。本章对三者与智能制造体系的关系加以阐述。

2.1智能装备——智能制造的基石

数控机床是航空零部件加工的主要装备。航空零部件加工工艺复杂、材料难加工且质量要求高，加工过程伴随着刀具与工件受热变形、振动导致的丝杠、导轨的损耗与刀具磨损等问题，直接关系到工件加工精度。民用航空装备制造对于高档数控机床的需求十分迫切，特别是高速度、高精度、高刚度、大扭矩、多轴联动以及智能化的数控机床。

数控机床的智能化体现在两个方面：一是在数控机床上集成了多种传感器，例如对发热、振动、磨损等因素的感知，实现对机床状态与环境状态的监控、预警以及补偿等功能；二是在数控机床上集成了网络接口，用于对机床运行信息与工况数据的实时采集与存储，在远程的控制室或者云端实现数据实时查看、自主分析与决策。传统的设备中，机床信息与工况数据无法记录与上传，而往往这些数据具有潜在的价值，基于这些数据能够掌握机床的加工进度、精度信息、备件状态等。实现数控机床的智能化，符合航空制造业对制造精度、可靠性和稳定性的需求，因此，智能装备是提升航空制造业整体实力的要素之一。

我国航空制造业多依赖于进口数控机床，使用时，国外数控系统也仅有少量功能和少量参数对国产机床开放和使用，并且现场调试过程也对国内技术人员保密。使用进口设备难以做到机床数据的互联互通，无法实现生产数据的实时掌握与共享，阻碍了生产制造各环节的协同运行。我国国产机床中以沈陽机床的i5系列智能机床为代表的新一代智能机床，面向工业4.0的设计理念，一举解决数控机床数据联网的技术问题。有了自主可控的数据通道，用户能够实时掌握生产数据（加工进度、机床状态、损耗状态等），并且通过基于大数据技术的分析与管理，实现远程运维等高级功能，降低设备故障率，提高了产品的良品率，整体上节约了时间和成本。

2.2基于智能装备互联互通的智能车间

智能车间是在智能装备的基础上，采用多种物联网感知技术（射频识别、红外传感器、激光扫描、定位系统等）将物品、设备与互联网连接起来，通过网络的方式将其即时信息发送到后台信息处理系统，而各大信息系统可互联形成一个庞大的网络。从而可达到对制造过程实施跟踪、监控等智能化管理的目的。

物联网技术实现了人与物之间的信息沟通，在此基础上对人、机、料、法、环等制造要素全面精细化感知，形成科学自主决策的生产模式。基于对生产现场装备信息与生产数据的采集与分析，以及环境温度、湿度、安防等信息的感知，在原材料的库存、排产、包装与出库，装备之间生产节拍的配合与协同，产能的分配与协同等方面做出自主的、科学的决策，保障生产效率与产品质量。

2.3面向区域协同的智能工厂

航空产业的全产业链都具有较高的技术含量和价值空间。基于信息技术与网络技术的平台化整合，在平台端应用大数据分析技术，实现航空产业供应链的科学组织与管理，正是开拓价值空间的必要手段。智能工厂的概念，引入了面向航空产品全生命周期管理的生产组织方式，利用物联网技术和监控技术加强信息管理服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预，以及合理计划排程。同时，集初步智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂。智能工厂在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作，去扩大、延伸和部分地取代技术专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化扩展到柔性化、智能化和高度集成化。产品和服务的全流程把控，解决包括设计、采购、制造、供应链、金融等方面的区域性协同问题。

3智能制造体系重塑中国制造新优势

我国正面临着西方发达国家制造业回流与发展中国家劳动力成本走低的双重挤压，如何应对挑战，完成由“中国制造”向“中国智造”的转型，重塑中国制造新优势，是目前我们需要关注的课题。实施两年以来，“中国制造2025”规划的顶层设计已基本完成，相关标准体系正在逐步完善，然而智能制造作为“中国制造2025”的一部分，要真正实现转型升级的道路，我们还需要关心以下几方面问题。

3.1实现基础技术的自主化

《国家智能制造标准体系建设指南》指出，智能制造体系的关键技术包含智能装备、智能工厂、智能服务、工业软件与大数据、工业互联网等五个部分，而核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础（即“四基”）则必须实现自主化发展。

智能制造的特征在于实时感知、优化决策、动态执行等三个方面，而航空装备制造业对智能精密检测元器件、柔性高效装配工艺、装配质量大数据管控等“四基”相关技术均提出很高要求。

我国在智能检测与装配领域长期研发投入不足、应用经验缺乏，导致相关工业基础能力薄弱，高端产品装配精度检测的基础元器件与数据处理系统绝大部分依赖国外进口，相关产品装配精度控制工艺设计、装备集成与质量管控等完全受制于人，严重制约了航空装备等高端产品自主研发能力与市场竞争力提升。

以航空发动机制造为例，我国正拟研制的482℃环境下的高温振动传感器，可用于航空发动机地面测试及飞行状态、热电和核电等领域的装备、航天结构等极限服役环境下高端装备的振动测量和监测。该技术可打破多年来国外产品对航空航天等领域高温振动传感器技术的垄断，适应中国高端智能装备的高速发展。基于高性能的先进传感器，借助新一代信息技术和网络技术，对制造装备进行信息化改造，消除数据孤岛，形成以生产数据促进制造装备，提升制造装备互联互通、自主决策和执行的能力，同时以大数据分析能力，形成虚拟化制造，远程运维的能力。

3.2实现智能制造体系需要足够的高端供给

我国现有产业结构呈现大而全的特点，问题在于高端供给不足。智能制造所需要的高端传感器、高精度检测设备往往依赖进口。以航空叶片检测为例，我国航空工业在发动机叶片测量方面，主要依靠进口高精密测量设备实现叶片高精度的测量。如何在生产现场快速测量叶片一直是困扰我国航空工业的难题。我国需要大力推进研究叶片测量机与生产线的数据交互协议与方法，建立叶片加工过程各个环节对叶片质量的影响规律，根据叶片检测及过实现叶片误差的溯源，从而调整工艺参数，提高叶片加工质量。

3.3提高高端工业部分的行业集中度

联合国对工业体系的分类中，所有的工业总共可以分为39个工业大类，191个中类，525个小类。我国拥有上述所有工业门类，成为世界上唯一拥有全部工业门类的國家。我国现有工业体系大而全，不是高精尖；完整工业体系在国家安全方面的意义显而易见，然而中低端产能过剩、劳动力成本上升、国际上发达工业国家纷纷提出制造业回归本国、其他发展中国家以较低的劳动力成本将承接更多的国际业务，对我国工业体系将面临极大的冲击。

为了重新形成我国作为制造业大国的竞争优势，我国的产业结构需要逐渐转向高端，必须要有足够的高端产能。在高端产能部分，须提高行业集中度，集中资本和技术优势完成“四基”关键技术的自主创新。以南车北车的合并的为例，这一新的世界最大轨道交通设备制造商具有技术、人力和生产能力等优势。同时，中国国务院总理李克强的“高铁外交”也为新集团带来更多的业务。

3.4先进制造装备是实现智能制造体系的重要装备基础

智能制造是传统的和新一代信息技术（大数据、物联网、云计算、人工智能等）在制造全生命周期的应用。智能制造核心是制造，信息技术与网络技术的融合只是重要的辅助手段。

智能数控机床、智能机器人、智能控制装置与系统、传感识别与信息采集装置和智能物流系统等，能够对制造过程中运动、功率、转矩、能量和信息等状态进行实时监测，并实现基于规则的自主决策与自适应控制。飞机机身结构件和发动机等关键零件的加工都需要高端数控机床的参与，针对航空零部件加工过程中毛坯去除量大、刀具磨损严重、原材料昂贵等问题，热变形补偿、刀具磨损预测、防止工件干涉等技术都是先进制造技术的发展方向。数控机床的自感知技术是提高制造精度、实现智能制造的基本条件。

4结语

智能制造体系是价值驱动型，航空产业以其高价值性将成为智能制造体系落地的主阵地。基于传感器与智能微处理器的智能制造装备，基于网络技术与大数据技术，从而形成智能感知与自主决策的智能车间，围绕航空产品全生命周期管理而形成的智能工厂，从单机智能，生产智能与行业智能三个层面建立起来的智能制造体系，打通装备、产品与人的界限，以制造装备的泛在互联为基础，基于生产大数据形成数据驱动型的航空制造新模式，提升制造品质，强化产能协同，符合航空制造业对高精度、高柔性以及高可靠性的需求，必将带来我国航空工业整体实力的大幅提升。

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