工業4.0在航空制造業的應用

殷 俊

（中航工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610091）

0 引言

“工業4.0”是指在2011年德國的漢諾威工業博覽會上提出的以實現智能生產為主要目標的第四次工業革命。德國之所以將此次改革稱為“工業4.0”是為了與之前的三次工業革命作比較。第一次工業革命源于18世紀末蒸汽機的誕生，使得機械制造替代了純手工制造；20世紀初期的第二次工業革命時代，人們利用發電機、電動機替代了原有的蒸汽機作為動力能源，大大地提高了工業的生產效率。第三次工業革命是指生產自動化，由計算機控制替代了人工控制，提高了控制速度和精度，同時減少了工人的重復勞動，工業生產效率與產品質量得到進一步提高。而“工業4.0”是指利用如今已經非常發達的網絡通信技術以及數據處理能力，通過傳感器以及嵌入式操作系統采集生產制造過程中的數據，并對數據進行分析處理，并將數據反饋給控制系統，最終實現對各個生產環節的快速、精準的調控，形成智能生產系統[1]。

航空制造業作為衡量國家工業發展的重要標志，是我國的戰略性高科技產業，其發展程度直接影響著國家安全和國民經濟的發展，因此，實現我國航空制造業的技術改革對保衛國家安全、提高人民生活水平具有重要的戰略意義[2]。

“工業4.0”主要包括兩方面內容，一方面是“智能工廠”，該方面主要研究利用信息技術對目前工業的生產流程進行優化改造，實現全生產線的質量監控。例如當前航空制造業在生產中出現生產和產品質量問題時，大多數只能依靠有經驗的工人，對生產過程逐個進行檢驗得到問題所在，這種方式往往不僅費時費力，還存在問題定位不準確的缺陷；而在未來的“工業4.0”時代，每個產品從剛剛生產開始，便會獲得唯一的編號，我們將對每一個生產的產品進行實時的質量監控與跟蹤。另一方面是“智能生產”，該方面主要涉及整個企業的生產以及物流管理，通過市場調研、大數據分析等手段，根據市場需求動態調整生產產品與目標，從而提高資源配置效率，提高企業市場競爭力[3]。

1 工業4.0的特性

德國的“工業4.0”戰略本質是通過互聯網和物理信息系統實現制造業由信息化向智能化的轉變，從而構建一種高度靈活的柔性生產系統，其特性主要表現在互聯性、創新性、集成性以及大數據四個方面[4]。

1.1 互聯性

“工業4.0”的核心內容是實現設備之間的互聯。主要表現在生產設備之間、設備和產品之間、虛擬和現實之間的互聯三個方面。生產設備之間的互聯即利用互聯網技術，將具有不同功能的單機智能設備連接在一起組成智能車間和工廠，使位于不同地域的生產線、車間、工廠、能夠實時的通信從而組成一個龐大的智能生產系統；智能工廠的最終目標是實現工廠的自行運轉，設備和產品之間的互聯指設備和產品之間能夠互相交流，設備通過讀取產品的信息可以獲得下一步的操作指令，使整個生產系統更加智能，最終實現智能生產；物理信息融合系統作為“工業4.0”最本質的內容，它通過將單機智能設備與互聯網的連接實現網絡世界和物理世界的融合，使這些智能設備具有自適應、自診斷、自修復和遠程協助等功能[5]?！肮I4.0”發展的最終目標是使所有的產品和設備都成為一個網絡終端，實現人、設備、產品的互聯，使彼此之間可以實時的實現數據的交換功能。

1.2 集成性

“工業4.0”通過物理信息系統將生產系統中的傳感器、控制系統、生產設備連接在一起形成一個智能網絡，從而實現工業的橫向、縱向以及端到端的高度集成。

“工業4.0”縱向集成的目標就是實現工廠內部從產品設計、生產制造、物流運輸以及使用維護等環節信息無縫連接，這是實現智能化生產的基礎；在以前的工業生產模式中，企業一般只是追求自身內部環節的連接與協同，但是在“工業4.0”的應用過程中，要實現從企業內部信息集成向產業鏈信息集成的轉變，使企業間的合作更加緊密。

1.3 創新性

“工業4.0”在航空制造業應用的過程就是航空制造技術不斷發展創新的過程，其主要表現在技術、產品、模式創新等方面。

技術創新主要指傳感器技術、嵌入式系統、人工智能技術、無線通信技術等方面的創新，為建設智能工廠奠定堅實的技術基礎；產品創新即實現產品的智能化，將信息通信技術和傳感器技術融入到產品中，使產品具有感知、存儲、傳輸等功能；模式創新主要包括模式創新和組織創新兩個方面，由于單機智能設備利用互聯網技術可以實現自由的、動態的組合，以滿足不同的制造需求，因此，未來的生產模式將實現由大批量生產向個性化定制的轉變。

1.4 大數據

“工業4.0”的大數據是指智能制造設備在生產過程中會產生大量與生產相關的信息數據，需要對這些數據信息進行快速的收集、處理并反饋至生產的各個環節之中，使生產能夠高效高質的運行[6]。例如，生產設備在長時間使用后會出現一定的磨損，再加上生產過程中環境、材質等因素的影響，導致生產出的產品精度下降，智能制造設備能夠及時的將這些數據信息傳遞給智能制造設備。智能制造設備在接收到這些數據后對其進行分析、判斷，并調整控制策略，以保證生產的順利進行。大數據處理技術直接影響著生產的智能化水平，是實現智能生產的關鍵要素。

2 工業4.0在航空制造業的應用

“工業4.0”的核心是智能化，即利用工業互聯網及相關軟硬件設備與系統，建立貫通虛擬產品開發和現實制造執行的智能化工廠，以企業橫向和縱向集成為產品研發和生產過程提供多維信息和總體框架，實現制造業從自動化向智能化的飛躍?！肮I4.0”在航空制造業的應用主要體現在兩個方面：一是建設“智能工廠”，即重點研究智能化生產系統；二是實現“智能生產”，主要涉及智能檢測、人機互動以及3D等技術在工業生產過程中的應用等[7～9]。

2.1 建設智能工廠

智能工廠是指通過工業互聯網將智能物理設備連接起來，使智能設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治五大功能。建設智能工廠的核心就是開發單機智能設備和實現單機智能設備的互聯。

單機智能設備主要指高度集成的模塊化的能進行自我控制并能獨立完成某些任務的執行單元，其主要包括通信、檢測、控制、存儲以及執行等功能[10]。通過通信單元能夠實現機器和機器之間的溝通，并能產生和存儲相關的數據；檢測功能單元通過傳感器實時檢測設備當前的狀態信息并實時反饋給控制單元；控制單元根據控制規則和檢測單元反饋回來的信息部署任務并將任務發送給執行單元；執行單元接收到任務后操控物理對象。

在未來航空制造業的智能工廠中，即使最小的設備也有會一定程度的內置功能。我們可以看到一些高度集成、低功耗、低成本、存儲和無線傳輸等功能標簽貼在生產設備上。智能設備之間可以通過讀取彼此的標簽實現信息傳遞功能。以航空制造業的智能化裝配車間為例，當原件被送到裝配車間后，智能裝配機器人通過讀取元件的標簽可以獲得其參數信息以及該器件從哪來該送往何處，進而自動的選擇夾具，然后通過讀取裝配目標的標簽信息判斷該器件是否為目標需要的，最后通過讀取到的標簽信息自動規劃路徑，實現自動裝配功能。據有關數據統計顯示，智能化裝配系統的使用使裝配成本降低了30%，裝配失誤率降低了80%，裝配周期縮短了70%，極大地提高了裝配質量和效率。

建造智能工廠的核心內容是實現智能設備的互聯，通過工業互聯網，將工廠內智能設備連接在一起，使得不同類型和功能的智能設備連接起來組成智能車間，最終再由不同功能的智能車間互聯組成智能工廠。這些單機智能設備、智能生產線、智能車間及智能工廠可以自由的、動態的組合，以滿足不斷變化的制造需求，形成高度柔性的生產方式，使高度快速的智能化生產成為可能。

由于智能單元配有傳感器和用以識別設備身份的標簽，并具有通訊功能，工廠管理人員可以通過網絡可以實時監控智能設備的運行狀態以及所在的位置等信息，進而實現對工廠的監控與管理。

航空制造業中智能工廠的互聯網連接方式和普通的互聯網不同，智能工廠利用互聯網相連接的最終目的是實現人與設備以及設備與設備之間的互聯，把不同的設備通過數據交換連接在一起，是工廠內部的智能設備形成一個整體，進而實現智能化生產。在這一階段，智能工廠通過工業互聯網連接在一起可以更好地協調各個車間、工廠的生產，對提高航空制造業的生產效率、降低成本具有重大的意義。

2.2 智能生產

由于航空制造業具有材料難以切削、工藝及精度要求高、過程控制及檢測要求嚴格、多品種小批量等特點，使得航空制造業對制造過程的實時監測以及柔性化生產有著迫切的需求。

“工業4.0”在航空制造業的最終目標是實現產品的智能生產。智能生產技術是在目前自動化技術、網絡技術、無線傳感技術以及人工智能的基礎上，通過感知、人機交互、決策、執行和反饋，實現產品設計過程、制造過程和企業管理的智能化，是信息技術和制造技術的深度融合與集成[11]。實現航空制造業的智能生產是一種目標，其最核心的部分就是實現產品生產排序自動化、生產線自動化、測試檢測自動化、裝配自動化等。

智能生產是一種目標，就是全面實現生產智能化。生產過程中，智能生產系統能夠將智能單機設備存儲的信息進行管理和分析，在無人或者較少人參與的情況下利用這些數據提高生產效率、降低成本以及增加生產的靈活性，最終實現智能生產。

以數控加工車間為例，在對飛機的零部件進行切割時，無論其設計如何精準，在實際的切割過程中如果道具或者其他設備出現問題，都會導致零部件產品的加工偏差。而在智能生產過程中，在零部件進行切割之前就能預測出能否實現準確切割，并在加工工程中實現設備的實時監測，一旦設備或產品即將出現偏差，智能檢測系統能夠及時的自動修復及調整設備，使之加工出來的產品滿足航天工業精度要求。

航天制造業實現智能化生產還依賴于另一項重要技術：3D打印技術。3D打印技術是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。以航天制造業的鑄造車間為例，大多數情況下，即使在實時監測的生產環境中，產品的精度也無法達到100%的準確度。但是采用3D打印技術，工人只需要輸入需要加工的零部件的3D模型，智能制造系統便可以立即將產品制造出來。由于3D打印技術采用增材制造（過去的車銑刨磨是減材制造），它不僅可以將產品生產出來，而且還可以在保證產品精度的前提下修補生產過程中出現的缺陷，避免浪費。

智能產品也是“工業4.0”在航空制造業應用的一個重要體現。智能工廠生產出來的半成品或者產品應該自身信息存儲、自我檢測、無線傳輸等功能。智能產品內置的存儲功能可以存儲產品的工藝參數、加工過程、測試結果等數據，外部設備將不再是記錄產品數據的唯一手段；智能產品的自我檢測功能可以實時的對自身進行檢測，一旦檢測到故障信號，及時的將故障內容和原因通過自身的無線傳輸功能傳送到智能管理系統。由于航空制造業產品結構復雜，智能產品的自我檢測可以大大提高檢測準確度，減輕工人的工作負擔。

3 技術要求

目前，“工業4.0”在航空制造業的應用還處于起步階段，想要完成智能工廠的建設還有許多問題亟待解決。由于“工業4.0”涉及到系統工程、工業工程、軟件工程等多個學科的綜合運用，所以想要解決目前所面臨的問題還有很長的路要走，下面總結出目前“工業4.0”在航空制造業應用中所面臨的主要問題。

3.1 行業標準制定[12]

若想實現“工業4.0”在航空制造業的應用，就必須解決各生產環節的溝通以及銜接問題。目前航空制造業涉及到機械、材料、信息、自動化等多個復雜的領域，雖然在各個領域已經存在通用的既定標準，但是不同領域之間的標準需要進一步調整和制定。而行業標準的制定可以大大提高產品從一級生產到下一級的生產效率。

3.2 非接觸式檢測

由于航空制造業具有工藝及精度要求高的特性，因此檢測技術是工業升級中所要解決的重要問題?！肮I4.0”的一大特點就是實現產品的生產線實時監控，因此對質量檢測也提出了更高的要求，需要達到高效率、高精度的檢測。傳統的接觸式檢測雖然在精度方面相較于非接觸式檢測存在一定優勢，但是由于其效率遠低于非接觸式測量，無法滿足“工業4.0”的要求。因此穩定、高效的無線檢測技術是實現“工業4.0”在航空制造業應用的了基礎。

3.3 工業機器人

工業機器人作為實現工業生產自動化、智能化的重要工具，在實現“工業4.0”在航空制造業應用中起著至關重要的作用。目前工業生產過程中，依舊是以工人勞動為主導，機器人只是起到輔助作用。若想用機器人逐漸替代工人進行生產對以下兩個方面技術提出了很高的要求。

1）復雜裝配問題。目前工業機器人已經可以在簡單重復性工作（如噴漆、弧焊、電焊、堆垛等）上很好的替代工人，但是面對體積小、結構復雜的對象時，工業機器人依舊無能為力。2）柔性問題。目前工業機器人大多數均為完全剛性的，因此導致其一旦出現誤差將會導致工件或者其自身遭到損壞。

3.4 自動識別技術

“工業4.0”追求物聯網與服務網相融合，生產線上的產品不僅僅是單方面接受檢測，還可以與生產設備相互通信，主動發送信息。智能工廠中，設備與設備之間的“交流”都是通過讀取彼此的標簽信息進行的，因此自動識別技術尤其是條形碼和無線射頻技術，是實現“工業4.0”不可缺少的部分。無線射頻技術相對于條形碼技術除了具有非接觸性外的優勢外，還可以存儲溫度、濕度等信息。但是由于考慮到成本的因素，目前工廠仍然在廣泛應用條形碼技術。因此要實現“工業4.0”在航空制造業的應用還需研究開發低成本、低功耗的無線射頻技術[13]。

3.5 網絡安全與可靠性問題

安全和保密問題是軍工企業的產生系統的首要設計原則。一旦軍工企業的互聯網遭受到黑客的攻擊，將對國家的安全和國民經濟造成不可估量的影響。因此，要實現“工業4.0”在航空制造業的發展首先要研究可靠安全的網絡技術，以妥善處理好保密安全問題。

4 結論

由于我國航空制造業目前面臨著資源使用效率低，環境壓力大，人力成本、運營費用高等多種問題，以智能生產為核心的“工業4.0”是未來航空制造業發展的必然趨勢?！肮I4.0”具有資源配置效率高，對市場需求變化響應快，人力成本與物流成本低等諸多優點。但是，我國航空制造業存在基礎較為貧乏，高新技術落后的情況，因此在此次變革過程中，應當發揮自己市場巨大，擅長數據分析的優勢，拉動航空制造業改革，最終借助此次機會縮小與發達國家的差距，甚至實現“彎道超車”。

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[3] 陸斌.實踐“工業4.0”的關鍵技術與思考[J].中國機械,2015, (1).

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[6] 芮明杰.“工業4.0”：新一代智能化生產方式[J].世界科學, 2014,(5)：11.

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[13] Lucke D,Constantinescu C, Westk?mper E. Smart factory-a step towards the next generation of manufacturing[A].Manufacturing Systems and Technologies for the New Frontier.Springer London[C].2008：115-118.