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干货巨献!航天智能工厂实践案例!

  • 2021-01-14 10:35
  • 小松
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01
航天智能制造系统架构
 
      航天产业发展关系到国家安全与战略,代表着国家自主进出空间的能力和科技水平。运载火箭、神舟飞船、空间站等航天器产品作为航天基础运输工具和空间载体,是所有空天计划得以实现的基础保障。

      航天制造是国家最安全与国民经济发展的重要基石。上海航天设备制造总厂有限公司承担我国军事、气象、海洋、地质、通讯以及国际商业发射任务,由于有效载荷、空间轨道等不同,每个航天器的结构件都会有所变化,显现出航天产品的个性化定制的特点。面对航天
高密度发射和快速进入空间的新形势,多型号交叉并进行生产、生产量不均衡等导致研制周期长、效率低、成本高、质量低等问题日益突出。

      1)航天产品生产制造特征

     
 航天产品制造技术具有先进性、复杂性、集成性及极端制造等特征,这些技术特征决定了其必然向制造智能化的方向发展。上述航天制造的一些关键特征,使得在现有材料技术、设计技术、工艺技术的发展水平基础上,如要进一步提高产品的技术水平、可靠性水平,则必须广泛应用自动控制、信息化技术来进行制造过程的质量保障、可靠性保证,这是未来航天制造的发展方向。航天制造具有单件小批量多品种研产混合生产、更高的质量与可靠性要求、生产与技术发展不均衡等特征。这些特征带来了诸如资源利用不合理、研制周期过长等问题。

      综上所述,航天制造作为国家制造业的重要组成部分,关系国家安全与国民经济发展,具有重要地位。航天制造由于自身产品的特点,智能制造的应用已成为其发展的必然趋势。

      2)航天产品生产制造系统架构

      针对航天器结构件单件小批量、分布式等特征,建立航天器结构件智能制造车间总体框架,如图1所示,通过多源异构状态和环境的感知与识别、智能工艺规划及决策、智能数控系统与智能伺服驱动等关键智能特征的开发,实现工艺智能设计、实时感知与信息反馈,以满足航天器结构件高效可靠的加工制造。

      构建快速响应、灵活柔性的航天器结构件智能制造模式,构建相互协调、交互、动态控制的一体化物理-信息融合制造车间

      
• 自主可控的智能管理系统

      
• 实现虚实结合实时互动的CPS系统

      
• 以智能数控系统为重点的车间智能单元和生产线

      
• 基于虚拟仿真技术的智能制造车间系统总体规划
 

 
3)航天智能制造总体思路

      面向航天器结构件的生产和工艺流程特点,车间总体设计、工艺流程及布局数字化建模的总体技术路线是通过对车间物理空间和虚拟空间的虚实对应和融合、循环优化和提升,实现航天器结构件的智能车间总体设计和布局仿真,如图2所示。其中,在物理空间对人、机、料、法、环、测进行设计规划,实现信息流(互联网)、物料流(物联网)和业务流(务联网)的协同融合,基于智能装备、智慧物流构建智能车间,最终基于CPS实现智能制造。

      智能车间由若干智能生产单元构成,根据航天器结构件制造任务需求,进行工艺流程规划,由生产单元中的设备组合成所需要的生产线,实现面向任务的柔性布局方式。在软件平台上对物理空间中的人、机、料、环等设备资源进行建模,构建与物理车间一致的虚拟车间,对物理车间中的一切生产业务活动,基于虚拟车间进行规划、评估及验证。通过建模与仿真,降低车间和生产线从设计到实施转化中的不确定性,压缩和提前生产制造过程,通过建模和仿真提高航天器结构件智能制造系统的成功率和可靠性,缩短从设计到实施的转化时间,容易发现问题并及时调整,将制造成本降低到最小。


 

      同时将CPS系统向上反馈的物流车间的真实数据,带入到虚拟车间数字化模型中,实现制造执行过程的实时数据的三维可视化,形成从以虚拟车间指导物理车间的规划、布局,到将实时生产数据反馈虚拟车间,实现逆向反馈,并为进一步的优化提升提供基础数据。

      
• 在物理空间基于虚拟仿真规划和CPS进行精益生产

      
• 通过对车间物理空间和虚拟空间的虚实对应和融合,实现工艺流程的循环优化和提升

      
• 在虚拟空间对航天器结构件的智能车间开展总体设计和布局仿真


 
02
航天结构件制造工业物联应用
 
      在航天领域推进智能制造已是国家战略,航天关键结构件智能制造的基础是互联互通。体现在关键结构件生产过程中从原材料、设计、工艺、制造、装配到测试的横向集成以及从设备、生产线、车间到企业的纵向集成。智能制造,标准先行,航天结构件制造占据了整个航天制造比重的70%以上,为支持国家十三五航天发展战略,应建立航天结构件智能制造的关键应用标准——面向航天关键结构件制造的工业物联网应用标准和体系。

   
 是完善国家智能标准体系根据国家智能制造标准化建设指南,项目建立的标准承上启下,以在制品物联标识为核心,将关键结构件制造过程的设计、设备、工艺等有机融合在一起,填补标准空白。

     是有巨大的行业示范效果依靠企业强大的标准制订实力、国内航天关键结构件制造的领头羊角色,率先展开关键结构件制造过程的工业物联标准化应用建设,引领中国航天智能制造标准体系建立,有着巨大的示范作用

     三
是推进航天制造的智能制造落地落实工业物联网技术在航天关键结构件智能制造中的应用,以提升制造效率、质量管控和关键结构件制品全生命周期追溯为目标,有巨大的实际应用价值。

      1)航天智能制造互联互通模型

     航天智能制造总体效果:柔性、透明、可控、数字、智能。航天关键结构件制造装备与制造系统互联互通,主要体现在设备与系统的纵向集成,入下图所示:

 


 

      根据航天产品关键结构件的制造流程模拟制定出试验验证方案的制造车间布局图,该布局整合协同制造系统,连接生产过程环节的上下游建立航天关键结构件的工业物联体系。将关键结构件的制造过程简单分为五个加工工位:焊接、加工、热处理、装配和测试。虚拟车间中还包括加工中心、立体仓库、物料、人工控制台、AGV小车及其轨道。其结构件整体流程与标准验证关系图入下图所示:
 

 
      航天智能制造标准整体提升数字化设计与制造协同一体化工作水平,一定程度上反映了以航天为代表的中国先进制造业在智能制造领域的技术水平和智能/数字化工厂建设经验,能对其他的制造能力转型提供良好的借鉴和启示作用,具有标杆示范效果。形成的标准草案,有助于为其上升为航天行业标准、国家标准,甚至是国际标准奠定标准基础。