来源 | 《现代制造》2020年第16期

访谈 |  北京航空航天大学教授 刘强

制造业先后经历了机械化、电气化和信息化几个阶段，现在正处于智能化发展的第四个阶段，这四个阶段现在普遍称为四次工业革命。从“工业 1.0”到“工业 4.0”，不同时代制造技术的发展、变迁都有着显著的标志和技术特点。面向“工业 4.0”，未来制造技术面临 4 个新的转变 ：

第一，从相对单一的制造环境到复杂且混合的制造环境。例如金属材料与复合材料、宏观与微纳、增材与减材、数字与模拟等的混合，机器人与人类、赛博空间与物理实体等的融合。

第二，从面向控制的机器学习，到基于丰富数据的深度学习。这不仅要解决机器设备的反馈控制问题，还需要在网络化、大数据环境中，在不确定性动态条件下，保持系统的鲁棒性，做出整体优化的决策和控制。

第三，从基于经验的决策到基于证据的决策，需要将原来传统制造系统中基于经验的知识，转化为可持续运行、自主学习的基于证据的决策。

第四，从解决可见的问题到避免不可见的问题。通过对相互关联的多维系统建模和智能分析，预测运行过程中不可见的问题，给出预警和控制，避免不良后果。

智能制造中的关键技术

我从 2015 年初开始就提出了智能制造的“三要三不要”，可以从这个角度进一步阐述智能制造涉及到的关键技术，我们从航空航天制造企业的先进工艺应用实例说起。在航天产品铝合金燃料贮箱制造过程中，沿用了几十年的传统制造工艺是采用化学铣削工艺加工大量的网格，采用手工熔焊工艺进行筒体的纵缝、环缝等的焊接，采用手工钻铆工艺进行壁板连接装配，这些工艺方法劳动强度大效率低、工期长且污染大，容易产生质量问题。企业采用镜像数控铣削、搅拌摩擦焊、静压伺服铆等的先进制造工艺，取代了落后的工艺方法，实现了工艺创新带来的装备换代和智能化升级。

在先进工艺基础上的装备创新，实现了制造装备的自动化、数字化和智能化，为进一步建设智能制造系统奠定了基础。以先进的智能化加工装备为基础，集成车间数字化建模仿真、智能化运输和物流、制造过程、智能化管理等功能模块，即构建了一个先进、实用的智能化制造系统 IMS。

先进制造工艺发展的趋势包括高速化和复合化、精密化和微细化、自动化、数字化和智能化、绿色化和本质安全化。常用的先进加工工艺技术有高性能数控加工、精密超精密加工、微纳加工、机器人化加工、多点阵列无模成形、高能束流加工、增材制造、复合 / 混合制造、材料结构一体化制造等。在先进制造管理方面，涉及成组技术、并行工程、精益生产、敏捷制造、虚拟制造、ERP、SCM、PLM及CRM等。

信息化一定是在先进管理的理念模式与技术紧密结合的基础上，才能成功实现。而智能化的大厦必须要以坚实的数字化技术和网络化技术作为基础，数字化制造技术包括数字化设计工艺、数字化装备、数字化车间、数字化加工、装配检测、数字化运营、数字化服务等诸多方面。网络化制造技术，涉及网络化制造基础设施、网络化制造模式、网络化协同设计和制造、网络化管理、网络化协同商务等技术。

标准规范要先行，各国从智能制造的顶层设计方面都很重视标准规范工作，以发布多个智能制造参考模型和标准规范。如德国“工业 4.0”参考模型架构及其映射的系列标准规范，美国智能制造生态系统模型和智能制造三面模型，日本的智能制造单元及其通用功能模块等。中国于 2015 年 12 月制定了《国家智能制造标准体系建设指南》，2018 年进行了修订，提出了中国的智能制造标准化参考模型和智能制造标准化体系框架。该参考模型包括生命周期、系统层次和智能特征 3 个维度，为中国智能制造的标准规范先行指引了方向。

强化智能制造的支撑技术基础，从基础能力视角，应重点加强工业四基，基础设施和软硬件基础 ；从标准体系视角，应加强基础共性技术、关键技术和行业应用技术的研究、开发。从当前热点技术的视角，应加强先进制造解决方案，增材制造、增强现实、仿真优化到横向纵向集成，从工业互联网、云、赛博安全、大数据分析等 9 大热点技术的创新和应用。

而对 CPS 的理解一定要全面、准确。首先要理解计算、控制和通信这三者之间的虚实融合和实现的过程，它们在智能制造中的具体实现，就是以制造系统和制造活动的各种数字孪生为基础，构建起赛博物理生产系统 CPPS，而 CPPS 的实现和应用不可能是一蹴而就的过程。

航空航天制造中的智能化制造装备及技术研究

家都知道，机床是最重要的工业母机，而高端数控机床则是工业母机中的高精尖代表性产品。机床的未来发展趋势中，智能化是其重要的趋势之一，集中表现在机床及其控制系统应具有感知、互联、学习、决策和自适应的能力。我们自己对智能机床做了一个定义，即智能机床是一种对机床状态和加工过程，具有信息感知、数据分析、优化决策、适应控制和通用网络互联接口等能力的高性能数控机床。智能机床的功能模块，包括 CAX、CNC 一体化集成功能模块、智能控制功能模块，智能监测与管理功能模块、智能接口模块。

基于上述对智能机床的理解和认识，面向航空航天的应用，我们完成了多个有关智能机床方面的研究项目。项目一是智能数控系统及智能机床开发应用，该项目在国家自然科学基金重大项目支持下，自主研究开发了一台 BH-iNC210 型五轴联动智能数控加工中心，实现了采用多种曲线直接插补方法铣削加工复杂叶片曲面，并融入了多个智能化的功能。我们在机床上增加了测力、振动、温度、3D 在位测量、音频和视频等多种传感器，并通过智能接口接入智能数控系统，实现了 NURBS/双 NURBS直接插补、颤振预报与抑制、电流 / 电压 / 功率动态监测、切削力预先自适应控制、快速 3D 测量与补偿、通用机器通信接口、数字孪生等多个智能化功能模块。也采用 S 型标准测试件成功进行了数控加工验证实验，验证了上述各个功能模块。

项目二是一种六轴五联动智能化数控激光加工机床的开发及应用，用于航空发动机环形机匣零件的激光刻型加工，课题来源于国家重点研发计划。项目完成的首台全尺寸样机已交付沈阳黎明使用，运行状况良好。视频展示了该六轴五联动数控激光刻型机一次刻型和二次刻型的实际加工验证过程。

项目三是数控机床数字孪生技术开发及应用。我们定义了机床数字孪生的架构模型和功能模型，它的特点是可融合多传感器的数据信号，采用了独有的数控系统伺服驱动轴联动的动力学仿真。实例演示了数字孪生用于叶片曲面三轴联动加工的振纹分析与补偿，以及用于开式曲面五轴联动加工的拐角表面质量分析与补偿，实验测试都获得了理想的结果。

项目四是飞机大型复杂构件高质高效数控加工关键技术及应用。针对现代飞机大型复杂构件数控加工过程中，加工损伤、加工失稳、加工变形三大难题，通过理论和实验建模，分析过载导致损伤、颤振引起失稳和应力产生变形的力学本质，从理论预测进行“防”和工艺装备进行“消”两方面入手，采取软硬结合、防消结合的思路，突破了三大关键技术 ：

第一，难加工材料及复杂结构加工过程中切削力 / 热载荷均衡预适应调控加工技术 ；第二，大型薄壁构件稳定高速铣削加工技术 ；第三，大型复杂构件加工全过程残余应力分析及加工变形预测与控制技术。自主开发了建模仿真优化软件和工艺装备硬件系统，形成新一代大型复杂构件数控加工过程关键技术解决方案，解决了加工失稳、损伤和变形的难题，在实际飞机产品生产加工中得到成功应用。

制造技术发展变迁带来了对优质、高效、低耗、绿色、安全的新挑战，基于对智能制造内涵认识和理解，我们提出并构建了一个智能制造理论体系架构，从智能制造“三要三不要”原则的视角，重新梳理和分析了智能制造涉及的关键技术。最后智能数控系统、智能机床数字孪生等项目的研究开发，可为航空航天制造中智能化装备及技术提供新的途径。

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