智能制造在军工制造中的发展及应用

智能制造在军工制造中的发展及应用

骆文鹏， 2 郑妍，陈海涛

中国电子科技集团公司第四十九研究所； 2 中国铁塔股份有限公司哈尔滨分公司

摘 要

随着物联网、云计算和大数据等信息通信技术与先进制造技术的发展与融合，形成了全球智能制造的变革热潮，促使我国制造行业发生巨大的转变。智能制造更是军工国防科技跨越式发展的核心，在军工国防科技发展中抢占先机，就能在新一轮工业竞争中建立起新优势。

关键词：数字化、智能化、军工制造

1 智能制造的发展意义

现如今我国制造行业正处于由大变强的重要时期，《中国制造2025》是中国推动传统制造业转型升级和新技术革命的整体谋划，其中以数字化、网络化、智能化为主导，是支撑工业4.0发展的核心技术。军工国防科技是国家安全和国防建设的重要组成部分，智能制造在军工国防科技中有着战略作用，发展智能制造技术能促使军工国防科技工业转型升级，是实现军工大国向军工强国转变的坚实基础。

2 智能制造的国内外发展

智能制造起源于上世纪80年代人工智能的应用；发展于上世纪90年代智能制造技术的提出；成熟于21世纪智能制造的应用。

2011年6月，美国SMLC智能制造领导联盟在《实施21世纪智能制造》中对智能制造进行了定义：智能制造是先进智能系统的强化应用、快速制造、动态响应及工业生产和供应链网络实时优化的制造。2014年12月美国政府授权能源部牵头组织“智能制造创新研究院”的建设，美国能源部对智能制造的定义是，智能制造是将传感器、仪器、监控和过程优化的技术结合，将信息通信技术与制造环境相融合，实现企业或工厂的产能、效率、成本的实施管理。智能制造实现的目标有4个，产品智能化、生产自动化、信息流与物流合一、价值链同步。

2013年，欧洲德国在汉诺威博览会上正式提出“工业4.0”战略，本质上工业4.0是以智能制造为主导的第四次工业革命。其主要意义有两点：一是数字化、智能化、人性化、绿色化，构建可以生产高精密、高质量、个性智能化的产品工厂；二是分散网络化和信息物理的深度融合，建立高度灵活的数字化产品与服务生产模式。

2015年，我国工信部公布《2015年智能制造试点示范专项行动实施方案》，其中将智能制造描述为基于新一代信息技术，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动各环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。同年12月，《国家智能制造标准体系建设指南（2015版）》提出了智能制造系统架构模型。该模型从生命周期、系统层级和智能功能三个维度阐述了智能制造的本质。以智能工厂为载体，关键制造技术智能化为核心，数据流为基础，网络互连为支撑，达到缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量、优化企业资源分配等目的。

3 智能制造在国外军工行业的发展及应用

近年来，全球主要经济体国家都在大力推进智能制造在军工制造中的应用，美国、德国、法国、日本等国家都在对军工智能制造进行积极的探索和实践，主要体现在智能工厂建设、武器装备生产模式创新、机器人装备制造应用等方面，加速推动了新一代信息通信技术与武器装备制造技术融合。

3.1 美国军工智能制造的发展及应用

美国通用电气公司（GE）是全球最大的技术服务跨国公司，在2012年首次提出“工业互联网”理念，通过传感、计算、分析和控制等手段有效提升了设备机群和系统网络的运行效率，降低了使用成本；2014年，通用公司将工业互联网和制造技术融合，提出了智能工厂的建设模式——“卓越工厂”，主要核心理念就是实现产品全生命周期的数字化和智能化。2015年2月和12月、2016年4月和8月通用公司先后在印度、波兰、美国和加拿大建成4家智能工厂，这些智能工厂可实现高度柔性生产，根据不同的需求，在同一工厂的同一生产线制造航空发动机、燃气轮机等不同类型产品。2015年底通用公司退出名为“卓越工厂”的智能工厂整体解决方案，将设计、制造、供应链、销售、服务等环节集成到一个可拓展的智能系统中，实现数据的实时采集、分析、优化的智能化生产。方案实施后使不同产品生产效率提升20%，生产周期缩短10%～20%，库存降低20%。

美国雷神公司作为全球最大的导弹制造商，近年来，雷神公司在原有软、硬件基础上，引入机器人、计算机控制、精益生产、柔性制造等先进技术理念，布局数字化、智能化改造、虚拟现实、制造执行系统，稳步向智能工厂迈进。2014年，雷神公司利用导弹装配、集成、测试等技术发展微小卫星制造能力，并启动航天智能工厂建设，在图森工厂部署了柔性生产线。2018年12月，雷神公司智能工厂生产的“SeeMe”微小卫星发射成功。

纽波特纽斯造船厂是美国唯一可以建造核动力航母的造船厂，2014年纽波特纽斯造船厂利用3D扫描和设计技术建立三维物资库、工艺和原型工具，并在航母CVN-73上进行试验；随后又在航母CVN-79上开展集成数字化造船环境试点建设，构建了1000多个数据包，投放150多个平板电脑移动端。2016年5月纽波特纽斯造船厂创建集成数字化造船环境，实现无纸化设计、制造，预计第三艘航母CVN-80的建造成本将降低15%。

洛克希德·马丁空间系统公司是全球领先的航空、航天、安全和信息技术公司，是美国最大的军火商和防务承包商，2017年8月，公司投资3.5亿美元建设多尺度卫星柔性制造智能工厂“门廊中心”，2018年7月建设完成，“门廊中心”形成了卫星的敏捷、高效、高精度的多尺寸柔性制造能力，能满足从微小卫星到大型卫星的无纸化、数字化生产，具备同时生产5颗A2100卫星平台或多可微小卫星能力，将测试过程执行时间缩短15%。

3.2 欧洲军工智能制造的发展及应用

德国西门子公司作为欧洲最大的通信设备企业和军工电子生产商，旗下安贝格电子制造工厂是欧洲乃至全球最先进的数字化工厂，是最接近工业4.0雏形的智能工厂，安贝格工厂拥有高度数字化的生产流程，能灵活实现小批量、多批次生产，生产线可靠性达99%，可追溯性达100%，安贝格工厂10多年来工厂人员及厂房规模（1200人左右，10000㎡）均没有太大变化，通过自动化、数字化等先进技术融合，产能提升了8倍。

随着工业4.0的到来，空客公司（Airbus）提出“未来工厂”建设构想，目标是通过先进技术创新，实现高度数字化、智能化，大幅提高产品的制造效率和质量。空客公司通过机器人技术的研究，开发出多自由度协同机器人、可穿戴式外骨骼等，能实现飞机装配线的高度自动化；通过虚拟现实技术，开发出人机工程分析工具，大幅推进了飞机生产车间向数字化、智能化转变；利用3D打印技术，实现飞机装备急需零件的快速制造。2016年初公司与航天一网公司在法国图卢兹建设里一条生产线，验证和优化One Web的批量化生产；2017年3月，在美国佛罗里达建设卫星制造智能工厂，2018年7月完成主体结构建设，将搭建2条集微小卫星组装、集成、测试为一体的先进智能流水线，每天可生产4颗One Web卫星。

3.3 日本军工智能制造的发展及应用

日本山崎马扎克（Mazak）公司是机床行业的全球领军企业，随着制造技术和自动化、数字化水平的不断发展，马扎克公司独创DONE IN ONE理念和SMOOTH技术，形成机床制造的Mazak ISMART Factor智能工厂方案，目的是建设高度数字化的、不断进化的智能化工厂，将ERP、MES等系统并入网络中，通过智能加工中心、上下料机、立体仓库、自动工装、自动物流等智能装备，向上层ERP和MES系统传递物联网采集的设备和制造数据，实现底层数据和上层运营管理的互联，形成720无人值守的高柔性化智能工厂，2016年6月～2017年5月，工厂非计划性停机相比2015年减少55%。

牧野机床公司是全球高端铣床和加工中心的领先厂商之一，为了保障机床主轴的加工效率和精度，牧野机床公司的厚木工厂对自动化、数字化、智能化技术与工匠精神相融合，配合物料取放、工装供给、工件装夹、搬运、检测等复杂作业，形成了完整的柔性制造生产系统（FMS），并在此基础上，由3台卧式加工中心、1台工业机器人、1个立体仓库组成一条可容纳900多道工序、120多种零件柔性制造生产线；和另一条由6台大型加工中心和5000多种刀具组成的可容纳800道工序和130多种零件的柔性制造生产线，这2调柔性生产线均能连续24小时的多品种、中小批次无人化生产。

日本三菱电机公司是全球知名的综合性企业集团，早在2003年就提出了“e-F@ctory”智能工厂解决方案，起初的基本理念是灵活运用FA和IT技术，目的是减少开发、生产、保养等全过程的总成本。通过实践和完善后，“e-F@ctory”构建了IT系统、边缘计算和生产现场的三层架构，形成完整的智能工厂方案。在功能层面，“e-F@ctory”涵盖智能产线设计、可视化、MES应用、SCADA数据采集、质量缺陷分析、设备可维护性分析等技术领域。三菱电机的可儿工厂主要生产电磁开关，引入“机器人组装单元化生产模式”，并应用“e-F@ctory”，实现了自动化在达90%以上的高速自动作业，生产效率提升了30%，运转效率提升了60%，工序数下降了55%，每月的产量在50000以上。

4 智能制造在国内军工行业的发展及应用

我国军工智能工厂的起步滞后于国外发达国家，目前仍处于前期的建设和试验阶段，但随着军工企业的自动化、信息化、数字化水平的逐渐形成，为日后军工智能化工厂的建设与完善奠定一定基础。

4.1 建设军工智能工厂的意义

军工智能工厂的建设，可以实现武器装备的高质量、快速、低成本研制与生产，提高武器装备研制与生产的快速响应能力，是满足武器装备快速发展需求的重要抓手，同时也能加速军工制造向数字化、智能化转型升级，是军工制造业实现创新发展与价值创造的重要保障。

4.2 建设军工智能工厂面临的问题

“十三五”期间，国家出台相关政策，大力推进国防科技工业领域的军工智能工厂申报、评审和建设工作。但由于当时军工行业对智能工厂的理念认知不全，概念理解不清，导致我国军工智能化工厂主要存在以下几点问题。

一是对智能化工厂认知片面，系统性规划不足。对智能工厂的认知主要集中在产品、装备、生产、管理、服务、研发设计和维修保障等某个环节的智能化改造，信息化与企业业务尚未完全融合，往往会出现众多信息系统整合困难，数据质量差不连贯，数据基础管理水平薄弱等问题。

二是智能工厂的建设规划与企业战略不匹配。智能工厂虽然能帮企业赢得转型成绩、突破创新和可持续发展的机会，但企业自身应做好市场需求、产品效益和生产质量分析，不能盲目追求自动化、数字化、智能化，提高品质和效率才是迈向智能化工厂的成功之路。

三是前期军工部投入形成的数字化条件难以支撑智能化工厂的建设。大部分军工企业的装配和检测环节自动化程度仍然较低，自动化与信息化独立建设，数据采集困难，信息化与自动化分离，信息化的数据规范性较差，与管理业务没有充分融合。

4.3 军工智能工厂建设的政策

《中国制造2025》于2015年5月8日正式发布，要把智能制造作为企业转型升级的重要突破口和抓手；2015年～2018年，国家工信部共批准了智能制造试点项目305项；2016年12月，国家工信部和财政部联合发布《智能制造发展规划（2016～2020）》；2018年3月，国家工信部正式印发《智能制造综合标准化与新模式应用项目管理工作细则》；同年7月，由国家工信部和国家标准化管理委员会共同制定并发布了《国家智能制造标准体系建设指南（2018版）》。

4.4 军工智能工厂的实施案例

军工制造设计航天、航空、船舶、电子、兵器、核工业六大行业，其产品、生产、工艺、管理及信息化水平均有所不同，因此军工智能化工厂的建设与实施没有统一模板，需要根据军工企业的发展线略、研制情况、产品特点、管理模式、信息化水平和数字化条件等进行定制化的、有针对性的系统性规划和实施。

4.4.1 运载火箭筒体壳段数字化装配生产线

运载火箭筒体壳段构型复杂，可靠性要求高，生产过程涉及工艺、人员、物料、工装、设备等，且任务需求多变，主要以“多品种，小批量”的生产模式为主。在高密度的发射任务下，传统模式已经不能满足需求，急需制造技术革新，转变生产模式，提高生产效率。

生产线以生产制造、物流转运、出入库为核心，以数字化信息平台为载体，整合工艺设计与管理、生产计划与调度、质量检测与控制、工装与物料管理等。如图1所示，由单元层、交互层、功能层和集成层构成，通过单元层进行制造执行；通过交互层进行信息反馈与处理和设备的实时状态查询；通过功能层提供生产线的管理与指令下达；通过集成层处理和衔接各个系统的数据和信息。形成生产任务承接与分解、协同工艺设计、动态排产、质量控制为一体的协同工作环境。

图1 筒体数字化装配生产线框架示意图

该生产线涵盖了3个型号、9种产品，共12种结构的助推器筒体壳段。改变生产模式后，新的工艺布局有效改善装配环境和厂房占地面积，产能提高70%，铆接质量和装配公差100%符合设计文件要求，自动化和信息化水平全面提高，满足了产品的批产和快速响应需求。

4.4.2 直升机旋翼系统智能工厂

旋翼是直升机极为重要的组成部分，为直升机提供主要升力和操控。2015年工信部批准了49个智能工厂试点，昌河飞机工业有限公司是其中之一，开展直升机旋翼系统智能工厂建设。

在现有数控加工、复材桨叶成型、动部件装配及ERP/MES初步集成的基础上，建设前线那单元、应急生产、单件流生产线、柔性制造单元、桨叶成型制造线、装配单元等实体内容，开发制造执行系统和DNC系统、智能仓储与物流控制系统等内容，通过工业互联网和感应元件对各个执行终端进行数据的实时采集，融入状态感知、实时分析、自主决断及精准执行，搭建企业层、车间层及单元层的三层架构工厂，如图所示，实现生产现场自动物流配送及无人调度等。

图2 旋翼系统智能工厂架构

直升机旋翼系统智能工厂在传统信息化和数字化的基础上，进一步提升智能处理能力，在计划执行、设备控制、工艺处理、质量分析等过程引入智能决策处理，极大地减轻了人工信息收集、数据统计和状态分析强度。生产系统的设备数控化率达80%以上，设计数字化率达100%，产品研制周期缩短20%，圣贤效率抬高20%，生产人力减少20%，产品零部件不良率下降10%，单线批产能力达每年50架。

4.4.3 航空智能生产管控中心建设

中航工业成飞公司系统分析飞机制造业管控特点，结合飞机制造数字化技术和智能化实践情况，提出航空智能生产管控建设方案，为成飞公司生产和物流精细化、可视化、敏捷化、智能化提供平台，覆盖飞机制造过程的供应链、零件、保障、装配、试飞等环节，实现飞机制造过程的跨区域、跨组织、多视角、多粒度、实时综合集成管理，以支持飞机制造过程的多要素、全专业、全流程管控。

该平台作为企业生产决策的数字化中枢，依托ERP、MES、生产大数据平台、公司级物联网和集成供应链平台，如图所示，由设备层、控制层、车间层、企业层和协同层组成，由智能制造相关标准及数字化、信息化标准体系进行支撑，以飞机制造系统工程思想为牵引，探索CPS技术、物联网技术、工业大数据等应用，突破飞机结构件只能加工、飞机部断智能装配、集成供应链管控等关键技术；建立跨专业、跨企业和覆盖产品全生命周期的协同、智能制造平台。

图3 成飞生产管控中心业务架构

4.4.4 武汉船用智能生产线建设

武汉船用智能生产线针对船舶与海洋工程机电设备制造特点，提出行业内首个数字化车间解决方案，形成“上下打通、左右联动、精准执行、数字孪生”的数字化环境；开发具有刀具磨损检测、实时调整功能和防错纠错的智能加工单元，建立以大型焊接机器人为核心的智能装配管控系统。

图4 PDM系统体系结构

围绕船用产品“设计、采购、制造、试验、服务”全流程，在船舶配套行业形成核心系统个性化、关键设备智能化的研发配套能力，初步实现产品研发设计周期缩短55.94%、关键工序作业效率提高40%、工艺变更处理效率提高70%、产品零部件不良品率降低12%、车间生产能源利用率提高35.2%，全面提高企业的船舶海洋配套产品设计、制造与服务能力。对促进船海机电设备产品持续的健康、稳定发展具有重要意义。

5 总结

为适用新一代信息技术与制造业深度融合的发展，以及新军事变革对武器装备发展的需求，我国军工制造业应准确把握现阶段信息化建设的核心，逐步推进智能制造建设，不断提升国防科技工业的信息化水平，提高军工制造的核心竞争力。

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