商用航空发动机总装智能制造集成创新与应用

近日，工信部公布2018年智能制造试点示范项目名单，中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司（简称“商发制造”）的商用航空发动机智能装配试点示范位列其中，这无疑肯定了商发制造在智能制造的探索与实践。面对全球范围内新一轮的科技与产业变革，商发制造深刻认识到智能制造将是公司落实创新驱动发展、实现研制模式转型升级以尽快赶超世界先进航空工业水平的关键举措，并提出了着力打造国内首个商用航空发动机智能工厂的战略规划。

商发制造是国产大涵道比商用航空发动机的总装交付中心，承担着航空发动机产品的制造、试验、测试、装配和试车任务，并最终交付满足设计要求和客户要求的产品。在全球范围内，具备完全独立研制民用大涵道比涡扇发动机能力的只有美国（通用电气、普惠公司）与英国（罗尔斯罗伊斯）两个国家。西方国家明确禁止出口相关技术。

作为我国大型客机发动机研制主体及主制造商的商发制造深刻认识到智能制造将是公司落实创新驱动发展、实现研制模式转型升级以尽快赶超世界先进航空工业水平的关键举措，并提出了着力打造国内首个商用航空发动机智能工厂的战略规划。并入选工信部2018年智能制造试点示范项目，公司在智能制造的探索，对于我国打造强劲“中国心”,助推“中国梦”意义重大。

商发制造秉承国家意志，自主研发商用航空发动机，作为创新驱动型企业，商发制造规划通过数字化、网络化、智能化工具，逐步建设创新的自主研制体系，实现产品数字化定义、数字化制造与数字化管理，促进异地协同设计与协同制造，最终提供商用航空发动机产品的卓越质量交付与客户体验。

智能制造战略规划构想

公司自2015年伊始即着手智能制造建设规划，并陆续通过国家和地区的智能制造专项项目，开展试点建设，以商用航空发动机某关键工序为实施载体，依据适航要求和航空发动机研制特点，以智能制造、业务并行、协同互助为出发点，应用先进的信息化技术、智能机器人技术、智能感知与决策技术、先进制造技术、高可信网络技术等，研制智能装配机器人，搭建异构DNC网络制造环境，以期逐步提高商用航空发动机试点工序的质量管控水平，构建商用航空发动机智能制造新模式。

围绕商发制造作为商发公司的总装交付中心，承担商用航空发动机产品的制造、试验、测试、装配和试车，并最终交付满足设计要求和客户需求的产品这一公司定位，商发制造提出实施智能制造战略的总体目标：

商发制造智能工厂的总体目标是围绕商用航空发动机工装/转接段/核心零部件加工、零组件/单元体/整机装配和零组件/核心机/整机试验测试三大核心业务，以产品全生命周期数字化和卓越绩效一体化管理体系为基础，以航空发动机产品及其关键零部件生产决策、过程控制智能化为目标，开展具备网络互连、人机交互、智能传感等特征的业务CPS建设，最终建成可持续满足顾客需求并实现卓越交付的现代化商用航空发动机智能工厂。

商发制造智能工厂总体目标的制定原则是充分满足中国制造2025定义的智能制造四大特征：以智能工厂为载体、以关键制造环节智能化为核心、端到端数据流为核心、网通互联为支撑。总目标对应的实施周期为2016~2025年，共分三个阶段，各阶段目标为：

第一阶段（2016年-2019年）：完成智能工厂通用基础建设规划，完善智能制造安全、标准、网络、基础技术研究等基础保障条件建设，突破以大部件精确对接、高压压气机转子直线装配、自锁螺母拧紧、发动机同心度评价等为代表的智能装配关键技术，基本实现大涵道比航空发动机核心机智能装配；

第二阶段（2019年-2022年）：持续完善智能工厂基础保障设施建设，重点突破核心零部件的自适应加工、智能装夹、加工过程在线监控等智能加工技术，以智能生产线或智能车间建设为载体实现核心零部件的智能加工，进一步强化大涵道比发动机核心机装配能力，实现整机智能装配和智能试验测试的突破；

第三阶段（2023年-2025年）：基本建成基于工业互联网、全过程数字化，具备一定自适应能力，满足大涵道比发动机装配、试验、测试任务需要的商用航空发动机智能工厂， 2025年达到年产X台大客发动机的优质批量交付能力。

基于统筹规划，分步实施的原则，商发制造在充分借鉴了RAMI4.0、中国《国家智能制造标准体系建设指南》等国内外智能制造标准模型后，结合自身的业务特点，提出了商发制造智能工厂的总体架构。该架构从上到下分别为企业层、商发制造云、业务CPS层和基础支撑层，各层级规划如下：

企业层：整个企业的管理业务层（企业门户），负责整个商发制造工厂的管理业务。

商发制造云：是商发制造的私有云，指整个智能工厂的资源共享云平台，包括了业务云服务和数据云服务两大类。

业务CPS层：车间级的信息物理融合制造系统（Cyber Physical System, CPS），分别实现商发制造的智能加工、智能装配、智能试验测试等业务

基础支撑层：对业务CPS、商发制造云、企业层提供的一些支撑技术和规范，也包括一些共有的基础性资源和基础性建设。

商发制造的各项智能制造建设工作将依据上述阶段目标和总体架构稳步推进。                

智能制造实践现状和效果

智能工厂的建设是需要大综合、大协作的复杂系统工程，智能工厂的建成及运行需要有强有力的管理体系及对应的通用基础平台来支撑。商发制造智能制造的实践现状主要体现在通用基础建设和智能制造试点建设量方面。在通用基础建设方面，在管理与技术体系建设上，商发制造致力于建立异地多职能协同工作体系及平台，通过流程、标准、规范、指导书、检查单及其相应的信息化载体实现对智能制造建设工作的有效管控。在信息化建设方面，公司已经建立了综合管理系统、项目管理系统、产品数据管理系统，目前正在建设数字化工艺管理系统、装配执行系统、试验信息综合管理系统、分布式数控管理系统、设备管理系统，未来还将建立生产线仿真系统、供应链管理系统、生产计划管理系统、物料管理系统等，旨在在设备层级、车间层级、企业层级及外部供应链层级建立支撑智能工厂运维的信息化系统。

2015年，公司申报的“商用航空发动机总装智能装配新模式”入选工信部2015智能制造专项项目，智能制造试点建设工作正式启动。该项目以商用航空发动机整机装配中低压涡轮安装为实施载体, 依据适航要求和航空发动机研制特点，研制智能装配机器人，搭建异构DNC网络制造环境，构建商用航空发动机协同平台、敏捷制造平台，初步建立商用航空发动机智能装配物联网。目前该项目中的大部件自动化对接技术、DNC网络互连技术、网络信息安全、装配系统等智能制造关键技术研究及基础条件建设工作正在开展，该部分涉及的信息化建设已纳入图的实际建设进程和规划中，后续将成为智能工厂的建设的重要支撑基础。

该项目的目标是以商用航空发动机整机装配中低压涡轮的安装为实施对象，通过构建管控一体化平台、设计制造一体化云平台、智能装配平台、敏捷运行支持平台、工业信息安全系统，初步形成商用航空发动机大数据和知识工程，建立商用航空发动机智能装配工程环境、体系、标准，实现航空发动机整机装配中低压涡轮的智能安装，解决低压涡轮安装难题，并提升装配的一致性、稳定性，达到产品研制周期缩短20%、生产效率提高20%、运营成本降低30%、一次装配不合格率降低10%、能源利用率提高4%的目标，探索一条全新的航空发动机智能制造新模式，提升商用航空发动机装配水平。

典型案例：商用航空发动机总装智能装配新模式

2015年6月，商发制造申报的“商用航空发动机总装智能装配新模式”项目经工信部批复立项，正式启动。该项目由商发制造牵头，上海工业自动化仪表研究院和上海钧工智能技术有限公司作为参研单位共同完成。

该项目的目标是以商用航空发动机整机装配中低压涡轮的安装为实施对象，通过构建管控一体化平台、设计制造一体化云平台、智能装配平台、敏捷运行支持平台、工业信息安全系统，初步形成商用航空发动机大数据和知识工程，建立商用航空发动机智能装配工程环境、体系、标准，实现航空发动机整机装配中低压涡轮的智能安装，解决低压涡轮安装难题，并提升装配的一致性、稳定性，达到产品研制周期缩短20%、生产效率提高20%、运营成本降低30%、一次装配不合格率降低10%、能源利用率提高4%的目标，探索一条全新的航空发动机智能制造新模式，提升商用航空发动机装配水平。

智能装配平台示意图

基于商发制造自身的业务，融入智能制造的元素，构建商用航空发动机装配协同平台、敏捷制造平台，建立商用航空发动机智能装配物联网，完成商用航空发动机专业数据库的初步建设，并开展数据挖掘，形成商用航空发动机专业大数据和知识工程，实现基于专业大数据和知识工程的产品设计、智能装配、本位检测，装配动态排产，资源的动态调控，以及制造过程的智能管控，打造商用航空发动机总装智能装配新模式，构建全新的商用航空发动机智能装配环境、流程、标准。提升商用航空发动机装配过程稳定性、一致性，提高管理水平，通过建立工业信息安全系统，保障整体运行的安全，打造商用航空发动机总装智能装配新模式，实现低压涡轮的智能安装。

商用航空发动机低压涡轮智能安装业务流程图

智能制造智能工厂航空发动机        

该项目以商用航空发动机大部件本体装配为实施载体，包括从产品设计/工艺设计/工装准备到装配过程全流程的管控，基于某型号的商用航空发动机低压涡轮对接装配过程：

1）构建低涡大部件智能装配平台。针对商用航空发动机整机装配中低压涡轮的安装过程，建立商用航空发动机装配过程综合受力、多维姿态对接测量、分析、反馈中多维度智能数据采集、分析、控制机制，建立集成传感器、激光对接系统的多维度自适应低压涡轮智能安装设备。

2）进行工业物联网建设，构建敏捷制造平台。实现装配设备，3D打印设备、数控加工设备、物料配送设备在内的异构敏捷制造，达到设备间数据的互联互通，进而实现生产资源的统一调度、动态管控。

3）研究低压涡轮安装产品设计和工艺设计方法，构建设计制造一体化云平台。开展基于工艺知识的商用航空发动机本体装配结构化工艺设计，通过装配过程仿真分析优化装配工艺，提升装配工艺的正确性、可行性和经济性。

4）建立基于RFID的物料智能配送系统，物料的智能配送并具有灵活的可追溯性，改变传统人工配送、单设备加工、人工装配的制造模式，减少生产各环节的浪费。

5）进行基于大数据与知识工程的智能决策分析与优化，建立管控一体化平台。

6）工业信息安全系统。依据ISO27001信息安全管理体系，建立商用航空发动机工业信息安全体系和系统，保障制造平台和数据的安全。

商用航空发动机智能装配新模式总方案

从技术实现层面上看，商用航空发动机智能装配新模式以工业物联网、大数据技术、智能装备为基础，实现物流自动化、装配自适应调整、生产管控智能化，如图所示：

智能分析决策层：运用知识及工具进行优化决策，执行判断。

商用航空发动机装配大数据层：是航空发动机智能装配的大脑，完成信息集成，实现数据与物理对象融合计算，进行数据分类、清洗，按需进行信息分类，形成数据中心知识库。

数据物理交互层：是航空发动机智能装配的中枢神经，包括各种传感器及现场网络的接口和 通信控制，实现生产实施信息获取与数据物理交互。

智能设备物理层：是航空发动机智能装配的感官系统，包括生产系统涉及的设备、工装、人员和物流装置等，以及对物理对象进行感知和信息传输的RFID标识工具、传感器和工业物联网等。

航空发动机智能装配新模式建设

下一步智能升级计划

后续商发制造将依据《商发制造智能工厂建设规划方案》这一纲领性文件，同时考虑已开展的智能制造项目，按照“业务导向、顶层规划、项目驱动、整体推进”的建设思路和“统筹规划、协同推进；基础先行、分步实施；开放合作、创新发展”的原则将规划方案逐步落地，预期2025年建成产品全生命周期过程数字化，科研、生产、运营过程管控网络化等特征的航空发动机智能工厂，持续满足顾客需求并实现卓越交付。

智能制造一直是中国制造2025的主攻方向，航空发动机作为飞机制造业皇冠上的明珠，是智能制造工程实践，也代表了一个国家制造业的水平和能力。相信商发制造在智能制造方面的先进实践对于打造“中国心”，实现“中国梦”具有深远的意义。