作者：劉亞威
       摘 要：以德國工業4.0、美國工業互聯網為代表的新工業革命浪潮席卷全球，航空工業作為世界工業技術發展的領跑者，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、可持續和低成本的道路邁進。智能制造中，數字化、網絡化、信息化、自動化進一步升級為模型化、互聯互感、互通互知、自主化。歐美航空工業在這升級后的四化基礎上，正向世人展示新工業革命下航空智能制造的三個典型范例——自適應加工、自主化裝配、智能人工增強。
       關鍵詞：工業4.0；工業互聯網；智能制造；航空工業
       引 言
       以德國工業4.0、美國工業互聯網為代表的新工業革命浪潮席卷全球，航空工業作為世界工業技術發展的領跑者，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、可持續和低成本的道路邁進。智能制造是一個“數據感知與分析->信息處理與推送->知識共享與重用->智慧創造與升華”的過程，數字化、網絡化、信息化、自動化進一步升級為:模型化——產品、資源、流程全面模型化；互聯互感——人-機-物互聯，并且實時采集狀態數據；互通互知——數據可互操作，并且通過基于模型的仿真分析知曉任何狀態；自主化——自動化設備能夠根據狀態信息做出自主決策，人工智能與人類智慧相結合之后實現最優執行。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。
       一、新工業革命下的航空智能制造
       2016年3月2日，工業4.0平臺和工業互聯網聯盟的代表達成了廣泛的合作共識，成為新工業革命浪潮中的一件大事。德國提出的工業4.0是國家計劃，旨在實現制造業轉型升級，從以服務為導向上為眾多德國中小制造企業的未來發展找尋出路；GE倡導的工業互聯網是工業界愿景，旨在充分利用工業物聯網，實現更多領域的互聯互通互感互知，通過分布式智能設備利用先進軟件分析創造更多數據價值。
       1．航空工業中的新工業革命
       從側重點上來看，工業4.0重在面向下一代制造價值鏈的詳細模型；工業互聯網注重工業物聯網中的跨領域與互操作性。
       具體到航空工業中，工業4.0處理航空產品制造中的大數據，比如航空發動機渦輪葉片加工中的分子動力學，將制造業縱向深入到微觀層面，提升產品質量和市場效率；工業互聯網處理航空產品運行中的大數據，比如渦輪葉片的運行和結構狀態，將制造業與廣泛的服務業集成，提升運行質量和服務效率。
       2．航空智能制造中的新工業革命范例
       德國人工智能研究中心提出了“工業4.0”的三大范例——智能產品、智能機床、增強的操作員；GE公司提出了工業互聯網的三大范例——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。
       現在，工業互聯網正通過工業物聯網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物聯網，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據庫，通過定位信息自動部署任務程序，通過位置和測量數據的實時分析與操作控制確保作業質量。
       同時，通過工業4.0概念中射頻識別與賽博物理系統的交互，空客工廠的生產過程能夠實現三維實時可視化，成為名副其實的數字工廠，從而利用數字雙子技術預測并監測工廠中的瓶頸和沖突，保證高效運行。
       此外，時下火爆的增強現實/虛擬現實（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。
       二、航空智能制造的三大典型范例
       加工與裝配環節是航空制造的核心，航空智能制造的三大典型范例包括:基于大數據的自適應加工、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，新工業革命的特征得以集中展現。
       1．基于大數據的自適應加工
       基于大數據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系統直接讀取CAD/CAM數據，根據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，從而實現動態工藝規劃。
       至于大數據，它可以來自產品、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、溫度等數據的實時分析，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據，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，越微觀則數據量越大，大數據出現在有限元分析、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，完整地再現磨削的微觀機理過程，得到最佳結果。通過大數據與高性能計算，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、物聯網、可移動技術的支撐下充分體現精益制造理念，實現這些設備的自主決策。波音“網絡化/可重構/自主裝配”概念中，裝配車間集成了無線通信系統、運動控制系統和智能動力單元，各類機器人可以動態感知制造環境并分析任務情況，機-機之間實現自主配合。
       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。中央控制臺基于生產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可自主地根據任務在等候區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域工作，能夠執行多種任務，協助操作人員減少重壓和單調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，智能人工增強綜合利用AR/VR技術并與工業物聯網、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境，從而更好地理解和執行任務。
       飛機中的復雜管路和長達數百公里的電線、數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場，AR系統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行這些任務，而且還能快速檢測安裝質量。目前，AR技術進一步邁向飛機零部件組裝環節，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，整套系統由AR設備以及鉆孔、測量、上緊和質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。整套系統建立在具備視覺算法的工藝環境之上，每個工具都具備一系列功能，并且能夠執行自動檢查和校正，相關信息都將通過AR設備使操作人員能夠知曉，以做出最佳的后續行動。
       航空工業需要大量的技巧型知識，并且非常依賴基于人的工藝。航空系統日漸復雜，研制和培訓周期則越來越短，智能人工增強實現更簡便、更快速和更安全的操作，從而節省時間、成本和能耗，是一個關鍵制勝因素，這也是歐美航空工業以人為本智能制造理念的絕佳詮釋。
       三、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，最重要的是大數據的基礎、精益化的思維、以人為本的理念，目前也是我國航空工業較為忽視和建設不足的方面。新工業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據掌握機理知識、最大程度改造現有設備實現精益和智能的雙贏、充分發揮人的作用并提升其操作和創新能力，將是我國航空工業未來與歐美航空工業競爭的三個關鍵因素，值得我們認真考慮實施。