XX航空装备数字化、网络化、智能化制造技术路径

第三篇 若干产业数字化、网络化、智能化制造技术路线图 ⏐
097
航空装备数字化、
网络化、智能化制造技术路线图
航空产品研制过程是一个复杂的系统工程，这一过程将设计与制造、机械与结构、计算机控制与辅助技术、网络技术、自动化技术、微电子技术、材料技术、管理技术等集成为一体。

随着航空产品设计制造技术和计算机技术的发展，传统的以设计图样为载体的设计数据表达方式已经逐渐被产品数字化模型所取代，计算机三维模型成为航空产品信息的基本载体，其制造过程也伴随着计算机技术、信息技术、网络技术的发展和不断完善，从早期以数控加工为主体的计算辅助制造扩展到零件加工、生产运行、部件装配及总体装配等全过程的数字化制造。

伴随着数字化技术的发展变化，航空产品研制在经历了二维图纸、三维模型、数字样机等典型阶段后，发展到并行协同工作模式，数字量信息贯穿从设计到装配的整个过程，大大提高了研制质量并缩短了研制周期。

随着现代制造技术、计算机及网络技术、工程控制技术的不断发展和融合，航空制造业未来将向以高度的集成化和智能化为特征的先进制造模式方向发展，广泛采用先进工艺装备进一步扩展人的体能，同时也将更广泛地应用数字化、智能化工艺系统以部分取代制造中人的脑力劳动，进而发展到在整个制造过程中通过计算机将人的智能活动与智能机器有机融合，推广和应用制造专家的经验知识，实现制造过程的智能化和自动化运行。

对于航空制造业数字化、智能化技术的研究和应用，不仅是为了提高航空产品质量、生产效率和降低成本，也是为了提高航空制造业响应市场变化的能力和速度，以期在未来竞争中求得生存和发展。

航空制造业数字化、智能化制造的发展路线图规划，面向未来发展，以现有技术状态为基础，从信息技术与制造技术深度融合的角度，规划和确定未来一段时期内航空制造业数字化、智能化的发展路径、执行步骤、应用目标，为航空制造领域的可持续发展提供支持。

本项发展路线图的制定，重点面向航空零部件的制造过程，主要涉及工厂、车间层次相关的数字化、智能化技术发展的主要内容、实施步骤。

1.1 概述
航空制造业是国家的重要产业之一，在国民经济中占有重要地位。

经过60多年的发展，我国的航空工业已经从飞机的维修、仿制生产发展到了完全自主研制的阶段，逐步形成了歼击机、运输机、直升机、教练机等较为完善的产品系列谱系。

近年来，又不断在民用飞机、通用航空领域不断拓展，航空产业规模不断成长壮大，不仅满足了国防领域对航空产品的需求，也有一些产品进入了国外市场，同时，在民用领域也开始追赶国外航空制造巨头的发展步伐。

航空产品制造技术涉及众多的技术领域，主流制造技术包括铸造、锻造、机械加工、钣金成形、非金属材料构件制造、热处理与表面改性、焊接、喷涂、装配等。

随着航空制造技术不断向纵深发展，数字化模型已经成为航空产品的定义和表达手段，数字化制造技术目前已广泛应用到航空产品研制中的结构件机械加工、热表处理、钣金零件成形、非金属构件制造、工艺装备制造等全部生产环节，从而使航空制造技术手段发生了本质性的变化。

现代航空产品主要特点是良好的飞行性能、长寿命与高可靠性、合理的制造与使用成本等。

这些特点使得航空产品的零件结构、材料体系不断发展变化，整体结构、高强度材料、抗疲劳要求等都要求产品制造阶段提升零件加工精度、提高表面质量，实现零件制造精度稳定控制。

国内围绕满足航空产品加工精度控制、提高工件加工质量、生产运行控制等方面开展了许多很有针对性的研究，形成了一批单项技术成果。

“八五”期间，航空工业成功研制了我国第一个准生产型的柔性制造系统，在网络数据库和通信技术、信息集成技术、运行调度控制技术、生产计划与管理技术、CAD/CAPP/CAM集成技术等信息技术方面取得了重大的进步，当时使柔性制造技术在总体上接近国际先进水平，“九五”期间将柔性制造技术在国防工业相关企业进行了推广应用。

数字化、智能化制造技术在航空制造业具有广泛的应用需求，其中，零件机械加工、钣金成形、复合材料构件制造、零部件装配是数字化、智能化技术应用的重点领域。

到目前为止，航空工业已经在产品设计过程中全面采用了数字化手段，特别是在新型号产品研制过程中，数字化模型发放已经替代传统的设计图发放模式，制造过程以数字化模型为唯一数据源，进行机械加工、钣金成形、复合材料构件生产、零部件装配等工艺活动，数字化的装备成为各个工艺环节不可或缺的基础资源，复杂形状零部件制造的工艺活动已经由传统的手工操作变成程序控制执行，这种数字化执行手段也为制造过程的智能化运行提供了基础条件。

航空产品制造通常分为飞机机体结构制造、发动机制造两大领域，尽管各类零部件有不同的材料、结构形式和加工精度要求，总体上都涉及复杂型面、空间复杂结构，配合面尺寸协调、加工精度一致性控制等核心问题，工件几何形状、表面质量的严格控制成为制造过程追求的最终目标，以满足产品加工基准协调、表面光顺匹配、产品寿命控制的基本要求。

在机械加工、钣金成形、复合材料构件制造、零部件装配等各主要工艺环节中，工艺设计、加工余量分配、工件定位、现场加工操作、质量状态监控等常常受人工因素影响较大，能够采用智能化手段消除机体结构、发动机产品制造过程中各个主要工艺环节人为因素的干扰，将会从根本上提升航空工业的核心研制能力。

航空产品包括飞机（固定翼）、直升机、发动机、机载设备等类别，目前以中国航空工业集团公司、中国商用飞机公司为主体，形成了歼击机、运输机、教练机、直升机、无人机、支线/干线客机、水上飞机、航空发动机等产品的综合研制能力，发展出飞豹、枭
龙、猎鹰、太行、秦岭、新舟、ARJ21等成熟产品。

2009年起，中国航空工业集团公司跨入世界500强企业之列，2014年在世界500强企业中排名上升至第178位，2013年营业总额接近3500亿元人民币。

航空产品研制已经进入全数字化时代，伴随着计算机技术和工业控制技术不断发展、制造工艺与装备技术不断完善，航空产品制造过程的数字化、网络化、智能化是航空制造技术发展的一种必然趋势，数字化表达、网络化连通、协同化研制、智能化处理、数字化执行已经成为航空领域新产品研制的基本需求。

1.2 现状分析
航空制造技术一直是先进制造技术发展和应用的重点领域之一，数控机床、CAD/CAM技术首先是为了满足航空产品复杂结构制造需求而出现、不断发展，并大量应用于航空产品的研制过程。

目前，数控机床、CAD/CAM技术已经从早期的航空零件机械加工应用，拓展到了钣金、复合材料、装配等关键制造工艺过程，铸造、锻造、热处理及表面处理工艺也开始进入自动控制、数字量数据传递时代，航空产品全数字化设计制造模式已经形成，数控车间已经成为各航空企业的核心能力建设重点，数控设备已经成为航空企业近年来技术改造配备的主流装备。

总体上，航空零件制造技术发展大致经历了三个阶段：①高精度数控机床应用，实现机加零件的计算机辅助制造、分布式控制；②数字化柔性生产线应用，实现产品设计制造集成化；③建立集成产品协同研发环境，实现计算机集成制造和协同研制。

产品制造工艺技术的成熟发展是制造领域数字化智能化技术应用的前提，长期以来，航空制造企业已经较好地掌握了先进工艺技术并广泛应用于产品制造，如整体薄壁结构精确加工、复杂结构加工变形控制、高速铣削、工艺及参数优化、柔性工装、理论外形数据处理及加工仿真技术等，并逐步建立完善了设计制造数据库。

集成制造技术在航空领域也不断进行探索和实践，以机械加工零件为主体的FMS技术、无纸设计制造、航空CIMS工程、异地协同等经过“八五”至“十五”期间的不断探索和深化研究，为飞机数字化工程的实施奠定了重要技术基础。

“十一五”期间启动的“飞机数字化工程”已经在机械加工、钣金成形、复合材料构件制造等专业推动了设计制造异地协同、工艺数据的集成设计、规范化工艺设计及输出、典型生产线数字化运行的发展应用，示范性的企业/车间网络已经初步形成，ERP、CAM/CAM、CAPP、MES等基本数字化系统已经成为航空产品制造过程中提升数据处理能力的基本工具。

近十年来，航空工业在基础条件建设方面投入了大量资金，各企业在数控设备、检验测试、零部件调试、信息化等方面的基础条件快速发展完善，“十三五”期间仍将继续补充各种类型的数控设备，在主机厂基本上实现机加工设备的全部数控化，复合材料构件制造、钣金成形、零部件装配等也开始在制造过程中应用数字控制装备，如自动铺带机、铺丝机、自动制孔设备、数控喷丸成形设备等。

然而，由于产品材料体系变化，使得一些关键零件加工工艺处于边探索、边完善的状态，加工效率低、周期长，常常制约产品的交付周期；伴随零件的整体化、大型化、复杂化的结构变化，使得加工变形控制、高精度稳定加工成为数控加工工艺优化、工艺参数优化过程的新问题；同时，多品种、小批量生产的状态，使得数控设备数量和工作量急剧增加，加工精度的一致性、稳定性控制成为生产现场的当务之急。

在这一过程中，制造数据采集传递、产品质量及设备状态监控、工艺过程优化、运行状态跟踪等过程亟需先进技术手段支持。

此外，飞机产品完全采用三维设计手段，构建了全数字样机，并行协同研制已经成为新机研制的基本模式，在型号研制过程中，一些关系紧密的参研单位已经通过专用网络、统一软件平台实现了局部性的产品数据协同管理和控制，但在制造层面上，则仍然处于分散的、多层次多方式协调的运行状态。

全数字化设计手段的广泛应用，使得数控设备运行环境需要进一步优化和提升，生产车间的综合集成和协同能力亟需强化。

目前，数字化模型已经成为航空产品数据表达的基本方式，新产品研制中已经逐渐取消了传统的设计图纸，代之而来的是通过数字模型实现从设计过程到制造过程的全数字量传递，主要的零件制造过程广泛使用数控设备，部件及整机装配也在近年来积极推进柔性装配技术的应用，航空产品研制已经进入全数字化时代，数字化表达、网络化连通、协同化研制、数字化执行已经成为新产品研制的基本模式。

但从总体上看，航空产品研制过程尚处于数字化孤岛状态，特别是由于相关基础环境和平台条件还不能准确、及时、有效支持产品研制、数据协同、运行监控、全生命周期管理等关键过程，导致产品研制过程中，存在数据传递及时性差、数控设备运行效率低下、产品质量跟踪控制难等一系列制约产品及时交付的问题。

1.3 需求分析
航空产品具有材料多样、零件结构复杂、制造工艺综合性强等特点，产品的制造具有与其他机械产品完全不同的特点，主要表现在以下几个方面。

（1）零件结构：具有气动外形要求，几何形状复杂，几何形状精度及位置精度要求高；相互关系复杂，相关零件之间有协调性要求；材料多样化，铝合金、钛合金、高温合金、高强度钢、复合材料广泛应用，加工性能各异，增加了零件制造难度。

（2）制造工艺路线：结构件机械加工典型工序包括铸/锻/轧毛坯、车/镗/铣/钻/磨/化、测量/检验、表面处理、装配、清洗等；钣金成形典型工序包括下料、成形（拉、压、滚、胀）、热处理、切割等；复合材料构件典型工序包括下料、铺放、固化、轮廓切边等过程。

在零件制造过程中，生产线是基础、装备是关键。

（3）制造过程：工件加工过程复杂，设备多样，力、热、化学多因素耦合作用于表面，变形、摩擦、腐蚀等因素影响工件几何精度和物理特性；多次定位装夹及多工序组合过程中工件基准协调复杂，制造过程以人工检测控制为主，偶发因素多、误差累积大；部分零件加工时易产生变形，影响工件的几何尺寸、位置精度，加工精度稳定性控制难度大。

（4）装配过程：表面接差控制严、零部件协调环节多，以人工操作为主，装配质量受人的技能影响大。

目前，航空产品制造过程中存在的主要问题如下。

（1）工件加工精度、表面质量、物理性能的离散度大。

（2）生产现场状态及信息反馈滞后，运行过程难以及时监控。

（3）工件制造过程受干扰因素多（人员技能、管理方式、信息传递、资源流动等都影响工件加工状态）。

（4）支持工具缺乏、制造过程受人为影响大。

总体来讲，航空产品制造必须关注工艺优化及生产系统完善、信息采集监控、智能化的数据分析处理、具有精准控制的制造执行等环节，才能满足现代航空产品高精度、高质量的加工要求。

在这些环节中，针对机械加工、钣金成形、复合材料构件制造、部件及主机装配过程的数字化智能化加工设备、车间网络、信息采集与处理系统是主要基础条件，工艺数据准备系统、生产线制造执行系统、在线检测监控系统、物流传输系统是生产运行的基本手段，而其中的智能处理与决策则是保证制造精度和质量的核心。

航空制造业已经在数字量传递、生产车间集成、设计制造协同方面进行了不同程度的探索和实践，生产现场已经从手工操作、程序控制走向数字化、系统集成的发展之路。

针对航空产品制造的关键工艺和过程，数控设备智能化、生产系统集成化、制造运行智能化是实现产品快速研制、设计制造集成、精益生产的关键技术基础。

在分布式网络、智能化运行管控、测控集成技术基础上，才能使得工艺准备、制造执行、生产管理、质量控制等过程有效运行，实现产品质量的稳定和整体生产效率提升，对于提升航空产品制造的核心能力具有重要意义。

航空制造业数字化、智能化技术发展的主要领域是产品及工艺设计、机械加工、钣金成形、复合材料构件制造、部件及主机装配。

随着航空产品全数字化模型的日益完善，这些领域对于数字化、智能化装备、生产线、数字化车间的需求更为迫切。

1.3.1 机械加工过程对数字化、智能化技术的需求
在航空产品制造过程中，机械加工是其主体构件制造的主要手段，目前已经从完成主承力构件、整体零件的制造发展到支持钣金零件、复合材料构件的轮廓、结构形状、装配搭接面的精确加工。

该领域也是数字控制技术在航空产品制造中最早发展、应用的领域，在现阶段，数控机床已经成为支撑机械加工领域的基本装备，同时，也是数字化手段及环境发展最为领先的领域，有效地支撑了复杂结构件的制造。

在绝大多数企业中，以数控机床为基础，按照产品类型或工艺方法建立了数控车间，也通过信息化建设、数字化工程实施，形成了一些局部性的数字化生产线、数字化车间，建立了数字量传递的基本手段和环境。

然而，一方面，机械加工领域仍然存在一些非数字化装备、人工作业环节，使得整个机械加工过程的数字化变得孤立而分散，难以让数字化制造的优势充分发挥。

另一方面，对于制造现场状态，尚不能实现及时的反馈控制，对关键工艺装备、状态监控、及时控制等环节尚缺乏智能化处理能力，导致制造过程的信息处理能力滞后阻碍数字化生产过程的有效运行，机械加工领域的数字化执行能力、制造信息的智能处理能力仍然需要进一步提升。

1.3.2 钣金成形过程对数字化、智能化技术的需求
现代飞机对于飞行性能要求日益提高，航空产品的气动外形也变得复杂多样，同时，整体化结构设计已成为现代航空产品零件的主流，要求钣金成形工艺具有完善的大型结构、复杂曲面的高精度高效率成形技术和手段。

近年来，柔性模具、数控成形、空间轮廓切割、镜像加工已经逐步成为钣金成形及其后续处理的基本手段。

在数据处理方面，成形过程仿真分析已经逐步替代人工经验，初步建立了以产品数字模型为基础，以数值仿真分析为手段，实现成形工艺优化设计和成形过程优化控制。

从总体上看，钣金成形过程的数字化、智能化处理能力尚处于快速发展阶段，数字化智能化工艺装备、生产线，以及数字化车间发展极为不均衡，到目前为止尚未能形成典型的有效的应用实例。

主要原因是针对钣金成形过程的工艺装备数字化能力尚需进一步提升，生产过程的数字控制能力需要进一步加强，成形过程数据的智能处理技术急需突破。

1.3.3 复合材料构件制造对数字化、智能化技术的需求
复合材料具有轻质量、高强度、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、成形工艺性良好等特
点，在航空产品中所占的应用比例越来越高，同时，大规格的复合材料构件也广泛采用，如B787机身46段构件规格达Φ5.8 m×10m，A400M复合材料机翼规格达23 m×4m，传统的人工铺放操作已经无法实现这类零件的制造，复合材料构件的自动化铺放成为完成现代航空产品复合材料构件制造不可缺少的关键环节，这涉及自动化铺放装备、数字化控制能力，以及制造过程信息的智能化处理等。

在传统的人工铺放过程中，铺放纤维束浪费率更高达30%～50%，铺放精度一般在3mm左右，一般情况下人工铺放生产率平均为0.5～1.2kg/h；使用自动铺放的材料浪费率仅为3%～10%，自动铺放精度一般可达1.2～1.5mm，最佳精度可达0.76mm，自动铺放生产率平均可达10～20kg/h，制造工艺过程都是由程序自动控制，重复性与一致性好，质量稳定。

据报道，GKN宇航A400M军用运输机23m 长复材机翼梁人工层铺180h×40美元/ｈ，而使用自动铺放1.5ｈ×150美元/ｈ，劳动力费用减少95%以上。

针对复合材料构件制造全过程，建立复合材料构件数字化、智能化生产车间，将推动复合材料构件制造过程的数字化、自动化、智能化技术的工程化发展及应用，提高复合材料构件制造质量的稳定性及成品率，满足现代飞机复合材料构件生产需要。

1.3.4 部件及主机装配对数字化、智能化技术的需求
装配过程的数字化、智能化是随着新一代飞机研制而逐步体现出迫切需求的，主要是为了满足装配质量、装配效率、减少人工作业强度、降低制造成本而使得数字化智能化装配技术快速发展。

传统方式下，装配过程大多通过人工作业方式完成零部件运送、定位调整、对接调整、制孔、铆接等过程，这些过程中采用自动化数字化装备将极大地提升装配精度、工作效率并有效降低人工操作强度，其中，数字化智能化定位、数字化装备与智能化执行部件、移动式装配生产线智能管控、智能物流配送是目前飞机装配现场急需的技术。

1.3.5 航空制造业数字化、智能化制造的共性化需求
航空产品制造过程除必须具备工艺装备、生产线、车间等主要硬件基础外，还涉及工艺设计与数据准备、现场运行管理与状态控制2个主要环节，工艺设计和现场运行的数字化智能化技术是整个航空产品制造的共性技术，该方面技术主要涉及数字化智能化工艺设计、现场运行的数字化智能化调度与监控、产品数据管理及设计制造协同，其中，制造数据库和制造知识库是支持工艺设计与数据准备、现场运行管理与状态控制的重要基础。

结合航空产业信息化、飞机数字化工程的实施和推进，航空领域已经初步形成了快速工艺设计、计算机辅助车间作业计划排产、现场状态信息采集、生产运行动态调度的基本解决方案和典型应用实例，但工程实现的主体上集中于数控车间层面，尚未成熟应用到整
个航空产品制造过程。

当航空产品全数字化模型成为基本制造依据时代来临时，主要制造工艺过程的工艺设计与数据准备、现场运行管理与状态控制2个关键环节数字化智能化技术则成为提升航空产品制造能力的核心，急需在近期内取得重要突破。

1.4 总体目标
针对航空产品的研制和发展需求，建立关键智能工艺装备研制和应用能力、形成典型产品智能化生产线、开发一批支持产品稳定加工的智能化系统或装置，形成全数字化驱动、网络化协同、全生命周期管理的研制与批生产模式。

针对典型零部件制造过程，研究状态监控与信息采集、基于工况的决策处理、制造过程建模仿真等智能制造关键技术，建立航空产品智能化设计与执行的支持工具，满足机械加工、钣金成形、复合材料构件制造、零部件装配等需求，为航空产品制造提供高精度、高效率、智能化的工艺手段；建立包括智能化测控一体加工、复材自动铺放、钣金数字化成形、数字化光整加工、智能物流传输、数字化柔性装配线等智能化装备及系统，形成航空产品数字化、智能化支持产品；研制以数字化、智能化控制为特征的关键工艺设备及系统，通过设备联网、物流集成、数据协调、生产线运行控制等技术方法集成应用，建立关键零件的集成化生产线，采用智能化的管理、调整与控制技术方法，实现生产线物流、信息流的协调运行，满足航空关键零件加工精度稳定性、表面质量一致性控制的迫切需求。

从现在开始到2018年前，重点攻克测量-调控一体化技术、加工过程加工状态感知技术、智能化功能部件设计技术，形成智能化数据处理工具及系统。

到2020年前，以智能化技术研究能力建设、关键工艺的智能化装备/单元研制为重点，建立并完善航空行业数字化制造技术、钣金成形技术、柔性装配技术等重点实验室，拓展并完善数字化、智能化技术研究及相关智能装备研制能力，重点开发或完善龙门结构智能铣削中心、回转工作台结构智能加工中心、铣车复合结构智能加工中心、大型复合材料构件自动铺带机、自动丝束铺放机、翼面部件自动化制孔设备、机身自动对接单元，建立整体叶盘/叶片零件切削加工智能化生产线、复合材料构件成形数字化车间等智能制造系统。

2020—2025年，继续深入开展智能化技术研究、优化关键工艺的智能化装备/单元，完善机械加工、复合材料构件制造领域进行数字化车间应用，扩展钣金成形、装配及其他制造工艺的数字化车间应用，全面提升航空产品数字化智能化制造能力。

到2025年以后，在航空制造领域将形成较为完善的智能制造产业模型，推进企业层面的智能化协同研制，形成一系列的智能工艺装备和系统、智能化车间、智能企业，建立。