面向航空结构件制造的智能工艺云构建关键技术

黄 伟 许艾明 黎小华 彭 雨 高 鑫 陈 林

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司,四川 成都 610091)

近年来，信息技术的迅猛发展，推动传统的制造模式向服务化、网络化、数字化、智能化方向转型发展[1]。“中国制造2025”强调以智能制造为突破口[2]，加快信息技术与制造技术、产品、装备融合创新，推广智能工厂和智能制造模式[3-6]。对于制造企业而言，数字化智能化转型发展是新一轮工业革命的核心[7-9]，数字化智能化工艺是智能制造关键内容，是助推中国智能制造战略落地的核心技术[10]。在社会化大协同的大背景下，让广泛的社会优势资源和先进工艺能力能够通过工业互联网平台参与到各类型号研制，有利于提升型号研制生产的效率；同时让国防军工企业的先进制造技术能够向社会输出，也有利于提升社会制造水平。

目前制造企业之间封闭离散型的工艺研发模式，存在工艺知识共享难、工艺技术研发重复性劳动大、核心能力难以创造更大价值等突出问题，严重制约社会工艺设计的成本、效率，在社会化协作的大背景下，也难以支撑国家重点型号研制。利用工业互联网，结合制造业社会化协作的发展趋势，创新工艺设计工作模式，充分发挥社会资源优势，在解决自身工艺设计能力瓶颈的同时提升行业工艺设计水平，已经成为当前行业发展的现实需求。

张定华等[11]针对航空复杂薄壁零件建模难度大问题，建立零件加工过程4维多态模型实现加工过程闭环控制和非线性差建模。Cao X等[12]针对现有加工仿真系统都是离线模式问题，提出了一种基于数字孪生的加工仿真系统。Yang Y等[13]为提高数控机床智能化程度，构建了数控加工工艺方法知识库以支撑工艺规划决策。刘涛等[14]在分析云制造模式下凸轮轴磨削加工特征和工艺智能决策需求的基础上，搭建了面向凸轮轴磨削加工的智能决策云服务平台。韦涛等[15]针对航空复杂结构件数控加工向云制造模式转变的迫切需求，提出了一种面向零件加工过程的云制造服务生成方法。张霖等[16]面向复杂零件数控加工过程进行云制造服务组合优化，提出了一种面向零件加工过程的云制造服务选取方法。杨琛等[17]针对起重机制造企业柔性制造能力、协同制造能力提升的现实需求，构建了面向起重机企业的云制造服务平台。Wang Y等[18]针对增材制造过程中云平台对产品开发过程支持能力有限问题，构建了一个面向设计、工艺规划、打印全过程的物联网云平台。

上述成果主要从工艺优化、云制造模式、平台支撑等方面解决制造企业内部问题，侧重零件加工制造过程单点技术突破。航空结构件作为复杂航空装备的重要组成部分[19]，在社会化协同背景下，如何整合复杂航空结构件制造过程的社会优势资源和先进工艺能力方面的研究成果较少。为此，本文针对行业工艺技术现状及痛点问题，在工业互联网快速发展的背景和机遇下， 提出了一种基于工业互联网的智能工艺应用新模式，构建了面向航空结构件制造的智能工艺云平台，一方面将先进企业内部的先进工艺核心能力开放给社会，使先进的工艺工具、方法、知识得到高效利用，产生更多价值，促进整体产业链的发展；另一方面构建良好工艺产业生态，打破信息壁垒，促进制造企业、工艺人员、团体、研究机构等行业产业链各主体的协同工作，增进未来跨行业、跨地区的互动合作。

1 面向智能工艺的云平台架构

智能工艺云是通过云平台将企业先进工艺工具、方法、知识进行开放共享，实现社会优势工艺资源整合，进而提高产业链整体工艺水平和产品研制效率。本文主要以航空结构件数控加工智能工艺为核心，构建了面向航空结构件制造的智能工艺云平台。如图1所示，智能工艺云平台的用户主要包括三类，即工艺云运营者、资源供应者和资源需求者，其中云平台运营者主要负责平台的运行与维护，在基础云服务基础上集成先进工艺设计工具、二次开发环境，为从用户提供高安全、高可靠和高易用的工艺云平台；资源供应者是工艺设计工具、方法和知识提供者，可以将其已有的工艺资源按照云平台标准格式要求接入，为供应者提供资源获取收益，同时也丰富了云平台功能服务，也有助于构建行业工艺生态和资源聚集；资源需求者是工艺设计工具、方法、知识使用者，通过云平台发布工艺需求，获取有效资源，并通过平台向供应者支付报酬。

如图2所示，智能工艺云平台能够对接客户需求，对系统中用户可见的服务纳入统一的资源池管理，为用户提供一体化的服务资源管理和服务接口，用户可以通过服务目录自动化获取相应的服务，得到全套工艺解决方案。平台采用多重租赁技术，实现了在多用户的环境下共用相同的系统或者程序组件，确保各个用户数据的隔离性。云端计算资源池化，以便通过多租户形式共享给多个客户，能根据消费者的需求动态分配或再分配各种物理的和虚拟的资源。此外，平台面向社会工艺资源和工艺需求，利用平台的工艺工具APP和工艺知识资源，为两者提供自发匹配的环境和资源。平台作为工艺方案和工艺数据共享平台和资源沉淀池，实现了已有工艺数据资源的最大化应用。平台将数控加工的工艺流程拆分为许多应用服务，不同用户可以根据自身实际情况进行组合，同时还可以根据需要对具体服务进行定制，在平台上进行二次开发。采用以数据安全为核心的思路设计云平台的信息安全防护体系。分析数据的全生命周期流程，面向数据生成环境，针对每个运行环境环节设计防护措施，最终形成完整的信息安全防护体系。

如图3所示，面向航空结构件制造的智能工艺云平台主要包括云基础服务层(IAAS)、开发服务层(PAAS)和应用服务层(SAAS)，其中云基础服务为开发云服务的提供基础支撑平台，为智能工艺云平台提供WEB服务组件、数据服务组件、网络服务组件、运营服务组件及安全服务组件；开发云服务作为应用服务的功能开发与测试、服务发布与部署、运行监控与基础引擎、外部系统交换的统一管理平台，实现当前规划模块功能，支持未来模块扩展及外部开发主体协同开发与功能发布；应用服务层主要包括工艺设计核心应用服务、平台扩展应用服务和平台支撑服务，主要通过服务开放能力平台为客户提供服务。

2 智能化工艺云端整体集成服务

对于大型复杂航空结构件的工艺设计而言，从单个维度无法实现最优效果，工艺人员需要在不同工艺设计系统之间进行反复切换，影响工作效率。如图4所示，通过云平台的建设，可对原有各个单点应用系统实现应用集成，为用户提供单点技术解决方案和集成解决方案。

2.1 基于特征的智能数控程编服务

以航空结构件所包含的典型加工特征为基础，运用特征自动识别、智能工艺决策，结合刀轨优化思想，形成了航空结构件智能程编服务，实现程编技术方案智能化生成。

2.2 通用后置处理服务

以构建的通用软件架构和数学模型为基础，根据不同格式的前置文件和机床，研究出不同的数学计算模型和软件实现算法，获得相应的NC代码、工具资源和切削时间等信息，并在通用平台上实现快速扩展能力，针对后置NC代码在计算过程中面临的奇异区域等问题，采用NC代码优化技术，实现NC代码优化方案输出。

2.3 一键式仿真服务

通过研究工序间的转换关系，制定了数控程编规则，实现数控程编规则输出；通过研究零件、工装自动定位和转换方法，完成仿真环境的自动建立，实现仿真环境方案输出；通过制定仿真机床建立规则和刀具自动创建技术，建立了统一的仿真机床数据库和仿真刀具库，实现数控加工过程资源信息匹配和检测方案的输出。

2.4 智能化工艺集成云平台

智能化工艺集成云平台以智能程编系统为集成平台，对数控程编、后置处理和仿真等服务进行有序集成，搭建高效的数字化工艺支撑环境，使系统间的数据交换和配置自动化。如图6所示，集成后，该平台可针对用户需求在工艺准备阶段提供工艺知识重用、工艺工具APP服务，在工艺执行阶段通过机床监控入云实现加工过程实时监控、支撑工艺优化改进，推动实现工艺的全流程闭环控制。

3 云端工艺众智创客空间

智能工艺云平台的关键就是实现工艺资源的开放共享。通过建立工艺交易平台，实现工艺需求对接，保证交易安全、正常完成。如图7所示，智能工艺云的云端工艺众智创客空间主要包括用户需求交互、相似方案匹配、工艺知识共享、工艺资源推送、解决方案设计及评价机制建立等功能，一方面通过众智众创，充分调动行业工艺技术资源，提升工艺研制效率，实现行业工艺知识共享和社会工艺资源的优化配置；另一方面，以平台化的方式将先进的工艺质量控制经验转化为面向工艺全过程的闭环质量控制体系，支撑工艺设计、优化、执行全过程的质量提升。

4 案例介绍

智能化工艺相关技术不仅可以提升零件工艺设计质量，进而减少零件不合格率，还可以提升零件加工效率。其中特征程编服务和一键式仿真服务可有效减少工艺员在零件程编中的重复劳动，对提高零件数控程编的效率和质量具有重要作用；后置处理服务可适用于不同的机床类型，并针对机床特殊功能进行深度快速定制，将数字化工艺融入到后置处理中，使数控程序能够更好地匹配机床的最佳性能。智能工艺云通过云平台的方式将先进企业内部的先进工艺核心能力开放给社会，一方面可以使先进的工艺工具、方法、知识得到高效利用，产生更多价值，另一方面可以构建良好的工艺产业生态，打破信息壁垒，促进等行业产业链各主体的协同工作，提升行业整体工艺研制效率。

目前，智能化工艺相关应用已经通过平台在航空结构件制造供应商中进行推广，形成技术辐射，如图8所示。另外，基于特征的智能编程服务、基于通用后置处理技术的定制化软件服务等技术服务也在国内外机床企业、加工制造企业获得了应用，如表1所示。

5 结语

面向航空结构件制造的智能工艺云平台能有效解决航空行业研发模式封闭、工艺知识共享难度大等行业问题，实现行业先进工艺能力的整合，不仅能够显著提升数字化工艺程序的质量和效率，也可作为企业工艺知识的载体，有效促进工艺知识积累和继承、提升协同制造能力、缩短产品制造周期。本文以此重点探讨了智能工艺云构建的关键技术，包括面向智能工艺的云平台架构、智能化工艺云端整体集成服务和云端工艺众智创客空间，通过案例介绍验证了该平台的实用性，也为其他行业工艺能力共享和工艺产业生态构建提供参考。

表1 智能工艺云平台应用案例

目前智能工艺云平台已在企业供应链上下游企业进行了推广，下一步将结合航空制造特点，将研究复杂航空装备制造场景下的典型工艺知识标准化上云问题，为社会化大协同背景下的航空制造企业赋能，同时也提高智能工艺云平台的完备性。