我国航空航天制造业的数字化实践

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 航天制造业对于数字化的理解 自从1957年10月4日前苏联发射了人类历史上第一颗人造地球卫星以后，地球上开始了一个航天新时代。此后，各种卫星、飞船、空间站、行星探测器飞出地球大气层，或飞向月球，或奔向太空。我国于1970年4月24日成功发射“东方红一号”地球卫星，于1999年发射“神州一号”飞船，于2003年成功发射“神州三号”载人飞船。“航天”一词和航天飞行器已经深入民心。 本文的航天制造业是指我国航天工业行业或称航天工业部门（目前为航天科技集团公司和航天科工集团公司）中的制造业务，它包括了其业务所辖的导弹、火箭、卫星、飞船等，既有战术产品，也有战略产品；既有飞出地球的航天器，也有在大气层中飞行的各种导弹。这些飞行器功能不同，大小有时相差很大，飞行的距离有的相差悬殊，工作环境也有不同。但是，从设计和制造的角度分析，还是具有多项典型的共同之处： （1）产品从分系统到系统组成复杂，结构件数量很大。因此，从设计、制造直至发射运行，是一个涉及多学科、多专业、多工种的庞大的系统工程。 （2）结构件种类繁多，形状、形面复杂，成形和尺寸传递的技术协调关系复杂。 （3）研制工作量大，高难度、高精度零件、部件大量增加，新材料、难加工材料项目大量增加。 （4）新型复合材料构件项目增加迅速。 （5）工艺装备种类繁多，结构复杂，协调路线复杂，技术要求不断提高。 很显然，航天制造业，从飞行器本体到各分系统的数字化制造，不仅需要飞行器本体（结构）生产和装配（习惯称之为总装厂）的数字化，也是各分系统（发动机、制导、控制等）生产厂的数字化，同时也与设计部门、管理部门和数字化紧密相关。 党的“十五大”提出了“推进国民经济信息化”，“十六大”又进一步提出了“以信息化带动工业化”。我国国防工业系统推出了“数字军工”计划，并认为“数字化是信息化的核心”。因此，一般情况下不必严格区分“信息化”与“数字化”。对于一个“大制造”的概念，即包括设计的系统而言，按CIMS的结构图解，其数字化（或信息化）包括了设计、工艺技术、经营与生产管理和质量管理的数字化与系统集成。 航天制造业数字化的目标 可以说，我国航天制造业的数字化征程至今已近30年。由于数字化技术的复杂性，数字化是一个学习、研究、试验并不断争论的过程。从最初的引进数控加工机床、CAM技术的应用，到后来的CAD/CAM和CAD/CAPP/CAM一体化、数字化车间，再到ERP、PDM的集成，制造业数字化的目标在研究、应用过程中不断探索与修正。 1986年，国家863/CIMS计划批准实施。原国防科工委以柔性制造系统为主线启动了相关的发展计划。 几乎与此同时，航天系统（当时属航空航天部）自筹资金，着手建立一个导弹总装厂、一个伺服机构生产厂的CAM、FMC技术应用示范点，并带动多个工厂开展数控加工和CAM技术应用。1988年2月，以某类导弹为应用背景的车间级CAM应用系统正式启动。此时，距离1979年航天制造业最早引进加工中心（四坐标联动）已近10年。此后20多年，航天制造业数字化目标大致可归纳为五个方面。 （1）数控加工和CAM的研究与应用离散制造业工厂，最初的数字化应用差不多都是看重数控加工，航天制造业也是如此，最初的目的特别希望解决关键的或者是高难度的零件、部件加工。航天系统曾组织专家研究提出了52项部件的关键制造技术，其中超过30项与数控设备和CAM技术紧密相关。这一目标一直贯穿企业的数字化过程。它在数字化征程中收益最为显着，最为直观，因此逐步得到众多的认可。虽然这项目标又是经费投入最多的“花钱”工程，它却能使企业制造能力大幅度甚至几倍的增长，使企业的面貌发生根本变化。 （2）CAD/CAM一体化与CAD/CAPP/CAM集成CAD与CAM的集成，乃至CAD/CAPP/CAM的集成，从工程技术角度来分析，应当是计算机技术发展顺理成章的事。特别是CAD与CAM的集成（也称一体化），在飞机、火箭、导弹等飞行器领域有着更为直接的意义。 早在20世纪60年代的飞机工艺中就已经提出了设计制造一体化的理想。数十年来，飞机制造的尺寸传递原则是互相依赖的模拟量传递。它依靠理论模线到样板、标准样件，再到夹具、模具，再到零件、部件，最后在装配夹具（装配型架）形成组合件、部件，直至整个飞行器产品。CAD/CAM一体化就在于代之以计算机三维模型产生的数字量直接传递到加工机床，或者至少将数字量传递到模具、夹具等工艺装备，以取消或者尽可能地减少中间的模拟量环节。从事飞行器制造的技术人员通常认为，这就是所谓“数字化制造”的本质含义。 CAD/CAPP/CAM的集成与CAD/CAM的一体化相同之处在于二者都与CAD技术紧密相关，或者说依赖CAD技术的发展。不同之处在于CAPP与CAD的集成比CAD与CAM的关系远为复杂。 （3）计算机集成制造（CIM）及其系统（CIMS）20世纪最后10年是我国制造业信息化空前活跃的10年。航天制造业一方面争取参与国家863/CIMS的推广计划，另一方面许多厂、所参照CIMS结构制定“八五”、“九五”计划。但是，正如当时一些学者所言：“CIMS体现了信息时代利用计算机技术改造整个工业的宏伟设想”。CIMS的实现实际是一个长期渐进的过程。航天制造业多个厂所的CIMS计划基本上是针对部分或典型产品，侧重局部分系统进行研究开发的试点系统。但是，依笔者的认识，CIM作为科学理论已被公认，航天制造业数字化的构建过程中，CIMS始终作为基本目标。 （4）生产车间数字化随着数控设备不断增加、各单位网络普遍建立，不少企业把数控车间数字化作为重要目标。同时，有的单位还在产品总装车间、电装车间、热表处理车间探索数字化管理。这样做有两点好处：一是希望在重点生产环节（车间）提高生产效率，二是力图在数字化技术研究方面，取得更多技术成果。 （5）实施ERP、PDM和企业信息集成尽管在20世纪90年代，ERP（初为MRPⅡ）的争论不绝于耳，但在航天制造业的数字化方案中，自始至终都有ERP的论证和方案。有的工厂的方案长达10年，也有工厂在“九五”购置了ERP软件，真正地进行实施。不过，直至目前，航天企业中尚未有全面运行的ERP实践。 努力提高数控加工能力 数字化制造要的是制造系统的数字化。制造系统的硬件基础是一系列的数控设备，其中最重要的就是数控机床。航天制造首先迫切需解决就是用数控机床加上CAM技术提升生产能力。20世纪80年代，航天事业面临新的发展机遇。但是面对新的型号产品的迫切需求，面对改革开放打开“窗户”所看到的发达国家先进水平，航天制造业倍感焦急。数控加工生产能力的窘迫与困境非常突出： 首先，数控设备稀少。1979年，航天系统才有了数控加工中心（四轴联动）。至80年代初，整个航天只有十几台数控机床。承担着先进的飞船、卫星、运载火箭、导弹任务的大型企业、研究所依靠的都是六七十年代的设备，甚至还有20世纪50年代的机床。在生产先进的极为复杂的火箭发动机车间，依旧采用简陋的工艺。 其次，数控设备应用水平低。如上述，虽然有些工厂花大钱买来了数控机床，但相当长的时间内不能发挥效用。最紧迫的问题是人才缺乏，CAM技术尚未掌握，计算机硬件与软件均不配套。1991年前后，只有在几个试点单位才开始配备计算机工作站，购置了高档的CAD、CAM软件，开始了自动编程的学习和应用。 航天制造业数控加工能力的发展和提高大致可以归纳为三个方面： 首先，集中力量，筹集资金，发展数控设备。上世纪80年代开始，从航天部到各厂所，克服资金紧张等各方面困难，着手信息化推动技术改造，而且，从研究院开始抓机床的数显改造，推行微机控制系统，购置先进的数控机床，建立CAM技术应用试点。 数显改造和微机改造只在一段时间起到了“缓解压力”的效应。而CAM试点的建立和由此带动的重点厂所的数控加工工段或单元的建立却起到了开创作用。 经过几年努力，到20世纪90年代初，航天制造业的数控设备由过去10几台猛增至210多台。其中也包括了电子束焊机、钣金加工机床、强力旋压机床、坐标测量机和非金属成形机床。此后机床数量进一步增长，特别是从“九五”到“十五”，在比较好的“天时、地利”条件下，形成了一个良好的发展局面，有的工厂已经有了先进的数控加工车间，为新时期航天产品的研制和批产发挥了主力军作用。 其次，重视计算机软件、硬件（工作站）的配套，努力提高CAM的研究和应用水平。这个过程差不多奋斗了10年，采取了多方面措施，不但要求技术人员积极探索，还与软件公司进行了紧密合作；不但要求技术人员掌握编程，还要求他们能够实际操作。由于管理、生产、技术、维护各方面协调高效，各单位的数控设备从“八五”开始纷纷发挥作用，包括发动机整体叶轮加工、大型薄壁复杂构件加工、钛合金复杂构件加工、惯导系统精密件加工等。 最后，跟踪先进技术，充分发挥数控加工能力。 近几年，航天制造业工厂的数控车间，一半都已能够“三班制”生产。有时，还安排一人负责两台或几台机床。但是总体情况看，数控设备效率的提高还需要做大量的工作。这包括生产及加工过程的测评、生产管理的改进、CAM技术水平的提高，也包括如高速加工等新技术的应用。 目前，航天制造业工厂也配备了少量高速加工机床，开展高速加工编程、刀具、工艺等方面研究，初步在一些典型零件上应用。 在设计制造一体化之路上艰难前进 （1）1996年开始，航天开展了两个以战术导弹结构件为应用对象的集成系统研究的重大工程课题。其中，CAD/CAM一体化和并行工程是主要研究项目之一。与此同时，航天的空间研究院、运载火箭研究院等都开展了CAD与CAM集成的研究与应用。大家共同的想法是通过设计与工艺的紧密协同，首先在数控切削加工方面实现从CAD模型到NC加工的“无缝”集成。经过五年多的研究、实验，并未取得预想的结果，设计与工艺各自建模的状况基本上没有改变。尽管，各个单位使用的CAD、CAM软件都是世界上最好的软件，但我们却未能应用这些软件走通此路。是软件问题、转换标准问题、设计与工艺的关系问题还是其他技术问题？目前似乎还难以找到可行的突破口。 （2）CAD/CAPP/CAM集成与前述CAD/CAM集成有着紧密的关联，但又有各自特点。从航天企业看，在开始研究CAD/CAM集成之前，CAPP的研究已经风行一段时间。早在1993年，航天某工厂就引进了国外的CAPP软件。 20世纪末，国外的CAPP热潮已迅速冷却，引进国外的CAPP软件在“冷风”中夭折。可是国内的开发热情未减，尽管许多自己开发的CAPP软件只是局限于本厂某类零件的试验，难以存活，个别与高校共同开发的较大项目，也未能走出困境。但是，在20世纪末以来，CAPP转向为自己找到了新生。目前商用CAPP的功能，一是定制表格，编写工艺规程；二是编制材料定额、工艺路线；三是工艺管理。很显然，大家都已放弃了CAD/CAPP/CAM紧密集成这个费力不讨好的难活了。 尽管从1990年代就有不少人着力研究“特征定义”、“特征提取”等技术课题，至今笔者也认为这是必须坚持的方向。攻克了“特征”技术，CAD/CAM、CAD/CAPP/CAM的紧密集成才有希望。 管理数字化推动企业前进 我国航天事业的组织结构是：大型企业集团下属多个研究院。各研究院管辖多个协作关系紧密、技术分工明确的研究所和工厂。这种机制，在一定程度上类似于“事业部制”。在研究院属下的工厂一般以总装厂的管理最为复杂，最具代表性。而研究院所属的总体设计所（部）则是数字化的源头，即CAD的实施单位，同时又是所研制产品的技术牵头单位。因此，从总体设计所到总装厂是研究院数字化工作的主线。通过这条主线，实施了CAD、CAE、CAM、虚拟样机技术，实施了PDM以及以PDM为平台的集成。同时，总装厂还围绕ERP的实施做了大量研究，推动了企业管理的改革，也提升了企业数字化水平。 （1）ERP的应用过程，在航天制造业，也是一个艰难的有时痛苦的过程。在“八五”“九五”期间，航天各院的不少工厂都做了大量调查和研究。一方面是当时潮流推动，跃跃欲试，难舍难分；另一方面则是顾虑重重，难下决断。总的状况是大多数工厂针对比较“容易”的方面，如库房管理、物资管理、质量管理等进行了开发应用，有一定的效果，不少也能解决实际问题；也有几个工厂比较全面的实施了ERP，但是由于航天产品的研制加小批量特点和企业管理特点的限制，其运行效果难以满意。正是由于20世纪的经验与教训，在“十五”以后，工厂普遍能冷静地“稳扎稳打”开展管理数字化工作，不追求全面，不追求先进，以工厂的实用为主。目前不少工厂都在运行或正在实施具有生产管理、物资管理和质量管理的软件。正是他们在“十五”、“十一五”航天产品研制和批生产中发挥了良好作用。 （2）PDM的应用提升了数字化水平。这一方面，航天有独特优势。早在20世纪80年代，航天就组织专家，开发了自主版权的AVIDM（航天飞行器集成信息管理）软件，现已正式成为商用软件。目前在三院、中国空间技术研究院等多个单位已成为主要的工程数据管理软件，并实现了与CAPP的集成。大大推动了工厂、设计所的信息化水平，成为工作不可缺少的平台。 （3）异军突起的OA（办公自动化）系统，在20世纪的信息化潮流中并未得到重视，大家的方案都只看到CIMS结构中的内容。但由于它良好的实用性，迅速跃升为推动企业信息化普及的主力。现在每个单位的管理者、技术人员、部分一线人员每天都离不开它。 作者简介：周世平，研究员级高工，长期在航天系统从事飞行器制造和数字化等先进制造技术的研究与实践。曾任北京卫星制造厂副总工程师、计算机应用研究所所长、研究院专项副总设计师等职。曾受聘担任航天总公司和航天科工集团公司CIMS专家组成员、总装备部和国防科工委先进制造技术战略规划组专家、国防科工委科技进步奖评奖专家、国防重点试验室（柔性制造）学术委员会委员和哈尔滨工业大学外聘教授。(end)

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