航天关键结构件制造工业物联应用标准的研究与试验验证

1）必要性

随着航天工业的发展，国内整个航天行业面临着劳动力成本上升和关键结构件制造要求越来越高等诸多困难，依靠传统工艺的生产投入已经无法适应航天行业的快速发展，想要屹立于世界航天工业之林，航天工业必须在加速深化改革的同时，不断提升自己的软实力，针对自身技术水平、硬件基础等特点，着眼于工业4.0和互联网+等新兴概念和技术，应用智能制造的技术，形成一套以自身特点为导向的技术体系，提高产品的制造质量和制造效率，改善制造流程，减少各类场地的占用，为航天关键结构件制造企业降本增效做出贡献。

在航天领域推进智能制造已是国家战略，航天关键结构件智能制造的基础是互联互通。体现在关键结构件生产过程中从原材料、设计、工艺、制造、装配到测试的横向集成以及从设备、生产线、车间到企业的纵向集成。智能制造，标准先行，航天结构件制造占据了整个航天制造比重的70%以上，为支持国家十三五航天发展战略，应建立航天结构件智能制造的关键应用标准——面向航天关键结构件制造的工业物联网应用标准和体系。

①完善国家智能制造标准体系：根据国家智能制造标准化建设指南，项目建立的标准承上启下，以在制品物联标识为核心，将关键结构件制造过程的设计、设备、工艺等有机融合在一起，填补标准空白。

②推进航天制造智能制造落地：落实工业物联网技术在航天关键结构件智能制造中的应用，以提升制造效率、质量管控和关键结构件制品全生命周期追溯为目标，有巨大的实际应用价值。

③有巨大的行业示范效果：依靠企业强大的标准制订实力、国内航天关键结构件制造的领头羊角色，率先展开关键结构件制造过程的工业物联标准化应用建设，引领我国航天智能制造标准体系建立，有着巨大的示范作用。

2）研究目标

按照指南和《中国制造2025》的指导思想，从航天关键结构件智能制造的标准化需求出发，以航天智能制造为对象，在航天产品智能制造新模式和制造过程智能标识的基础上，将IIoT技术应用于航天关键结构件制造的全生命周期中，提出航天关键结构件制造过程中的制造装备间、制造装备与加工对象间、制造装备与制造系统间互联互通与互操作的规范及标准，建立适合我国航天关键结构件智能制造的工业物联网标准体系。该标准体系的建立，将整体提升我国航天制造水平，为形成高质量、高效率的航天制造模式奠定新基线。同时可以发挥区域行业和企业示范的作用，推动标准的贯彻实施，建立科学、完善的智能制造技术体系和标准体系，满足产品研发、生产、装配、测试、管理、服务等全生命周期智能化的要求。

制订五项应用标准草案：航天关键结构件制造的工业物联网参考模型标准、航天关键结构件制造过程智能标识、航天关键结构件制造装备间M2M、航天关键结构件制造装备与加工对象互联互通、航天关键结构件制造装备与制造系统互联互通。

标准应用验证：选择三家典型航天关键结构件制造企业，验证标准的合理性和可行性。

建成试验验证平台：形成推进智能制造标准贯彻实施的公共服务平台。

图6-22所示为三层次互联互通和系统集成验证平台。

3）研究内容

（1）航天关键结构件制造工业物联应用参考模型研究。

以航天关键结构件为生产对象，整合并协同所涉及的上下游企业生产平台，此体系具有三层次的互联互通和系统集成，主要包括：①基于OPC UA的航天关键结构件制造装备间M2M；②采用智能物联标识，制造装备与加工对象集成与互联互通；③制造装备与ERP/PLM/MES制造系统的纵向集成；④工业物联在航天关键结构件制造过程中的应用。

（2）航天关键结构件制造要素智能物联标识。

图6-22　三层次互联互通和系统集成验证平台

为实现现代航天的智能物联，首先要建立生产要素的智能标识（Tag）系统，其在航天关键结构件制造过程中唯一标识，用来识别制造过程中的工艺信息、制造信息和位置信息。能够基于其对标记后的对象进行实时控制和管理，以及进行相关信息的获取、处理、传送与调用。图6-23所示为结构零件全生命周期物联标识。

图6-23　结构零件全生命周期物联标识

①生产要素物料编码原则。在企业实施生产管理时，应针对企业的实际情况进行分析，制定符合企业需要的分类方法和编码规则，而编码的设计就是要能够适应企业的需要，采用具有包容性的编码策略，制定便捷的编码规则和编码体系。在建立编码体系时，应充分考虑企业的现状和未来的发展。

②基于企业EPR的基本物料编码段。物料编码是用来表示客观事物属性的字符集合，它由字母和数字组成：能够准确、唯一地表示某一客观事物；能够被计算机系统识别、接收和处理。物料编码的设计就是用规定的字母或数字符号唯一地标识客观事物的过程。

③设备编码与标识。机床型号应完整地表示出机床的名称、主要技术参数与性能。 目前我国机床型号是按《金属切削机床型号编制方法》（GB/T15375—1994）编制的。型号由基本部分和辅助部分组成，中间用“/”隔开。前者需统一管理，后者纳入型号与否由企业自定。由上述可知，机床型号是由汉语拼音字母和阿拉伯数字按一定的规律组合而成的。

④刀具编码与标识。车间刀具集成管理系统应用以刀具编码标识为基础。刀具编码由四部分组成：第一至三部分为主码，第四部分为辅码。主码采用刚性编码系统，即位数一定，辅码采用柔性编码方式。

⑤夹具编码与标识。夹具分类编码系统的结构采用链式结构：各横向分类环节之间是独立的环节。参考已有零件的编码系统，设计的数控机床夹具编码系统由12位组成，前10位为主码，是在具体设计数控机床夹具时最需要考虑的要素。

⑥托盘编码与标识。托盘采用RFID标识：托盘上包括多个关键结构件，托盘管理可以采用RFID，项目采用GB/T 28925—2012标准，其数据模型规范参考ISO/IEC 646、ISO/IEC 15961：2004和ISO 28560：2011标准。

图6-24　物料编码的数据关系

（3）航天关键结构件制造装备间M2M标准研制。

①装备间M2M模型框架。航天关键结构件制造业的生产线集成对于互操作性的通信较之其他行业更为迫切，这与航天制造业涉及了流程控制、批次控制、离散的机器控制，以及MES系统的集成等有关，这些系统将会实现跨平台、多总线融合，这样会更好地获取数据并用于商业决策，远程维护与诊断等。使用OPC UA将设备之间互联，是一种智能化与自动化的方法，可以更好更快地实现对于设备的实时监控，达到自动化控制，提升生产效率，使得航天生产车间实现一种智能车间的效果，提升生产效率，减少产品的废品率。

② M2M技术层次。M2M涉及五个重要的技术部分：机器、M2M硬件、通信网络、中间件、应用。智能化机器：实现M2M的第一步就是从机器/设备中获得数据，然后把它们通过网络发送出去；使机器“开口说话”，让机器具备信息感知、信息加工（计算能力）、无线通信能力；让机器具备“说话”能力的基本方法有两种：生产设备的时候嵌入M2M硬件，对已有机器进行改装使其具备通信/联网能力。通信网络：通信网络在整个M2M技术框架中处于核心地位，包括广域网（无线移动通信网络、卫星通信网络、Internet、公众电话网）、局域网（以太网、无线局域网WLAN、 Bluetooth）、个域网（ZigBee、传感器网络）。中间件：中间件包括两部分，即M2M网关、数据收集/集成部件；网关是M2M系统中的“翻译员”，它获取来自通信网络的数据，将数据传送给信息处理系统，主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。应用：数据收集/集成部件是为了将数据变成有价值的信息；对原始数据进行不同加工和处理，并将结果呈现给需要这些信息的观察者和决策者。这些中间件包括：数据分析和商业智能部件，异常情况报告和工作流程部件，数据仓库和存储部件等。

③航天关键结构件设备间M2M。 M2M功能架构中定义了三个功能实体，分别为应用实体AE、底层网络服务实体NSE和公共服务实体CSE，并通过标准化的接口Mca、 Mcc和Mcn等实现不同实体的互联互通。为了使不同M2M服务提供商（service provider， SP）域中的M2M实体（例如CSE， AE）能够通信，M2M域内的配置确定是否允许这样的通信；如果允许，M2M系统将支持在始发M2M SP域和目标M2M SP域内的流量路由。

④基于OPC UA的航天加工设备间物联方法。OPC是自动化行业及其他行业用于数据安全交换时的互操作性标准。本标准设备互联采用OPC UA标准，它独立于平台，并确保来自多个厂商的设备之间信息的无缝传输，OPC基金会负责该标准的开发和维护。随着在制造系统内以服务为导向的架构的引入，给OPC带来了新的挑战，如何重新定义架构来确保数据的安全性？这促使OPC基金会创立了新的架构——OPC UA，用以满足这些需求。与此同时，OPC UA也为将来的开发和拓展提供了一个功能丰富的开放式技术平台，可以实现车间各异构加工设备之间广泛的互联互通（图6-25） 。

（4）航天关键结构件制造装备与加工对象互联互通。

航天关键结构件制造装备与加工对象之间的互联互通在智能物流与配送体系的基础上贯穿整个关键结构件制造全生命周期：设计、加工、热处理、焊接、装配、测试。在此过程中加工对象的形态会发生变化，但从一个形态变化到另一个形态的过程中，其基本信息、工艺信息等都会通过智能物流进行对接。在物联网之下，在生产车间的每个环节中，智能物流能准确准时地配送相应需要的工具与材料，及时进行加工制造。

①设备与加工对象间的互联互通体系。在航天关键结构件制造环境下，由于使用RFID技术获取的货物信息来源不同，而且数量非常庞大，仅仅使用常规的数据处理方法不仅费时费力，而且会出现很多问题，因而如何对RFID数据进行规范化以及有效处理是当前航天物联网开发工作中的一项重要任务。(www.xing528.com)

图6-25　制造设备间互联互通

②基于数字主线的联通体系。数字主线（digital thread）是指利用先进建模和仿真工具构建的，覆盖产品全生命周期与全价值链，从基础材料、设计、工艺、制造以及使用维护全部环节，集成并驱动以统一的模型为核心的产品设计、制造和保障的数字化数据流。数字主线将集成并驱动现代化的产品设计、制造和保障流程，以缩短研发周期并实现研制一次成功，它也是处理当今产品复杂性唯一可能的方法。对中小企业而言，如果要在未来生态型市场中卡位并取得竞争优势，那么基于开放标准的双向数字主线是最重要的基础技术。

③数字孪生体下的互联互通方案。数字孪生体是实体的虚拟的数字化的映射对象，它是从设计/仿真延伸到产品全生命周期。CPS内涵中的虚实双向动态连接有两个步骤，一是虚拟的实体化，如设计一件东西，先进行模拟、仿真，再制作出来；二是实体的虚拟化，实体在使用、运行的过程中，把状态反映到虚拟端去，通过虚拟方式进行判断、分析、预测和优化。

图6-26所示为基于智能物联的关键结构件三维装配工艺现场可视化功能框架图。

图6-26　基于智能物联的关键结构件三维装配工艺现场可视化功能框架图

（5）航天关键结构件制造装备与制造系统互联互通。

①航天关键结构件制造装备与制造系统互联互通框架。航天关键结构件制造装备与制造系统互联互通，主要体现在设备与系统的纵向集成。

②航天关键结构件制造全流程数据采集。在企业内部网范畴内建立生产过程实时监控系统，分为控制中心、生产现场两层级对航天关键结构件制造全过程进行监控。集成管理平台集成管理控制中心与生产现场，包括资源能力信息、设备使用情况、数据/知识管理等。其中生产现场针对关键结构件制造装备的多态性完成多级网络的制造装备的互联，并定义统一数据定义模式与接口对加工过程数据进行采集，以此完成对在关键结构零件、质量、加工过程稳定性、设备等的在线实时监控。在此基础上完成生产现场与控制中心的传输与同步，于控制中心对采集到的数据进一步分析、处理、挖掘，完成对加工过程质量的监控、生产进度的监控、以加工过程稳定性为核心的参数分析及设备监控与部分自修复。

③航天关键结构件制造质量追溯与管控。航天精益化制造物联标识将航天关键结构件制造过程中的各种数据信息及时传送给管理人员，同时将管理人员发布的加工信息及时传输至制造执行层，利用物联标识技术将原料全部信息与原料绑定，消除上游原料提供商和下游企业之间的信息断层现象，让下游企业能够及时准确地做出决策，从而提高生产效率，降低生产成本，增强企业核心竞争力。

图6-27所示为设备与MES系统互联互通体系。

图6-27　设备与MES系统互联互通体系

（6）标准验证方案。

①验证整体技术方案。根据通用技术条件标准草案特点，结合基础标准、智能单元通用技术条件标准以及集成与互通技术条件标准等各自的特点，分阶段展开应用验证。同时标准试验验证系统的设计体现了标准从编制、试验验证、应用到持续改进的PDCA（计划—执行—检查—改进）全流程。此业务架构的先进性在于可搭建一个提供持续改进机制的智能制造评价标准试验验证系统。

②标准试验验证系统研制。本方案所描述的试验验证过程采用的设备包括：夹具、托盘、刀具、检具、数控喷印装备、数控加工设备、数控焊机、轮廓扫描装置和航天专用检测仪器设备等。本项目的试验验证主要从在制品物联标识编码和关键结构件制造装备互联互通这两个方面来进行验证标准的科学性、合理性和可行性。第一个方面主要用来开展验证《航天关键结构件制造过程中智能标识》标准的试验验证：航天结构件制造要素的物料编码，刀具、夹具、在制品等编码方法是否行之有效；第二个方面是用来开展《航天关键结构件制造装备间M2M》《航天关键结构件制造装备与加工对象互联互通》《航天关键结构件制造装备与制造系统互联互通》此三项标准的合理性试验验证。

③在上海航天设备制造总厂、上海新力动力设备研究所、上海航天控制技术研究所开展应用验证。以运载火箭和空间机构类产品、导弹发动机壳体、战术武器液压舵机等为对象，在工艺设计、机加工、热处理、焊接、装配和测试等全环节现场（图6-28）应用试验验证。

图6-28　试验验证系统布局图

4）创新性

（1）技术上创新。智能制造，物联先行：建立航天结构件制造过程的智能物联编码标准，推进智能物联的行业应用。制造过程一体化：实现“设计-加工-装配-测试-质量监控”为一体的航天结构件制造过程智能物联平台，建立航天结构件最小制造单元的细粒度物联模型，实现精准制造与物料管控，精确实现结构件制造。智能物联识别技术创新：提出了混合智能物联标识技术，将制造现场的物联推入使用。采用二维码，托盘采用RFID。二维码可以采用喷印系统或者冲击点阵打码设备，简单便宜。同时原材料（铝合金等）可能需要进行水洗、除锈和喷涂工作，通过设备间信息互联，进行再次信息喷印比较方便。质量检测采用线激光轮廓和结构件表面处理设备集成，实现贮箱精度和工艺特征的提取和融合。消化引进国外先进加工设备，打造航天结构件制造智能物联平台“中国芯”：引进加工设备（印码设备、数控设备），进行智能化升级。贯入符合我国航天结构件物联编码体系，将自己版权的智能物联体系和平台进行深入集成。形成在结构件加工过程中，基于胖模型技术通过数据驱动，对所物联的物料数据、设备数据、工艺数据、加工过程数据进行集成与演化，形成一系列诸如：智能物联识别技术、原料加工与装配工艺自动识别和匹配技术，以及结构件制造系统互联互通集成等关键技术，形成过程智能物联的“中国芯”。

图6-29所示为关键结构件加工流程与标准验证关系图。

图6-29　关键结构件加工流程与标准验证关系图

（2）工艺验证技术路线创新。关键结构件制造采用智能物联技术，比如带来关键结构件制造工艺的改变。率先在国家航天结构件制造企业进行结构件生产线的互联互通标准化研究，不仅参考智能制造标准建设规范，而且符合国内航天制造技术的要求，做到切实落地可实施、可推广。该标准可以应用到以下主要工艺，实现数字化管理一体化，包括：结构件装配和质量控制一体化；推进无余量结构件加工工艺。

（3）应用集成技术创新。多种硬件设备的互联互通集成，航天结构件制造过程涉及多种设备：喷印设备、加工系统、焊机系统、搬运系统、高分辨率立体视觉系统、精密数控机床，将通过OPC-UA协议和Rs232c协议，采用MTConnect进行所有设备互联互通；企业应用软件系统横向和纵向集成。系统集成采用SOA构架，保证现有系统的高效集成。采用XML/JSON编码，支持开放性标准。基于实体（EF）构架，将设备、过程数据利用NoSQL海量数据库进行存储，满足现场高频、高并发的数据联通要求，同时为未来工业大数据积累数据源；软件平台图形化界面，所见即所得、即插即用，跨平台满足现场移动办公。

（4）示范落地、技术经济指标突出。应用上下料和搬运小车等设备构建航天关键结构件智能制造生产线硬件基础，应用物联编码体系，传感器、在线检测装置等实现面向物联互通的过程信息采集与感知，利用关键结构件装配工艺数据库等专家系统实现对关键结构件生产过程的工艺、精度控制，形成关键结构件生产系统的信息集成与管理，并通过传统工艺的替代或升级实现制造过程的智能化、信息化、关键结构件制造过程精度控制信息基本可视、可追溯。

5）示范效果

（1）项目成果具有重要的工程应用价值。

近年来，全球信息技术革命正在引领新一轮产业变革，以数字化、网络化、智能化制造为标志的新工业变革将制造业带入了一个新的发展阶段，国外航天关键结构件制造公司加大了数字化技术应用的力度，使我国航天关键结构件制造竞争压力越来越大。本项目拟突破关键构件制造过程的智能化制造技术，应用智能物联、互联互通技术，形成关键结构件智能制造平台，超越国外先进结构件制造技术。同时，将该技术应用在具体实际关键结构件制造过程，形成规模化示范应用，促进国内关键结构件制造企业的智能化项目落地。

（2）《中国制造2025》为本应用提供了广阔的应用舞台。

过去的10年，我国航天关键结构件制造业占世界航天装备制造市场份额的比重呈现明显上升趋势，我国已经成为全球重要的航天装备中心之一。随着世界航天关键结构件制造产业中心向我国的大规模转移，我国在未来的10年内将发展成为世界第一航天结构件制造大国和强国。国家目前正在大力推进《中国制造2025 》，国内航天关键结构件制造企业信息资源尚未实现统一管理和集成应用，结构件制造的信息管理（如CAD/CAM/PDM/ERP等）大都处于单项辅助管理，设计、建造的信息数据仍存在信息孤岛问题，致使整体的关键结构件设计、生产、管理等信息化应用水平不高；通过智能物联技术，使得各单项系统互联互通，将促进关键结构件制造的跨越式发展。

（3）经济效益和社会效益。

①经济效益分析。通过该项目的建设，项目责任单位将在运载火箭、空间飞行器等典型航天关键结构制造过程中，通过智能物联技术，使得各单项系统互联互通，将促进结构件制造的跨越式发展。推动工业物联网标准，将有效缩短关键结构件产品的生产周期，节约1%的制造成本就会带来上千万元的收益。同时，通过提高生产效率、降低运营成本、缩短产品研制周期、降低不良品率和提高能源利用率，可实现新增年产值超过2亿。随着未来新型航天器立项研制生产任务的增长，经济效益将持续扩大。

②社会效益分析。作为我国航天制造水平最发达的地区之一，上海有着国内领先的技术优势和对新技术的敏感。本示范项目责任单位为我国航天飞行器主要研制生产基地，其产品特性、制造工艺、生产模式、装备水平、专业能力等在我国航天制造业具有代表性，且拥有国内最大的航天关键结构件制造基地，在国内首先开展航天关键结构件智能制造关键应用技术标准制订，推动智能化、数字化结构件制造，利用上海的区域覆盖优势，可以将现有成果迅速推广到全国。项目实施过程中形成的专业技术、工程经验、建设效果、整套建设方案，也将在我国制造业形成应用示范效应，对航空、船舶、兵器、重型装备、轨道交通等相关工业领域智能车间的建设具有较强的指导意义，本项目的立项将带来巨大的社会效益和长久的社会影响。