火工品数字化制造体系及关键技术研究与实践.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）火工品数字化制造体系及关键技术研究与实践陈云波，李聪，聂振康，冯川，李爱民，龚读（四川航天川南火工技术有限公司，四川 泸州 646000）摘要:新一代信息技术已被广泛应用于航天制造领域，火工品作为典型的长征系列运载火箭配套产品，面对供需压力和市场竞争挑战。航天火工品亦存在制造模式向智能化转型的迫切需求。从狭义的数字化制造体系角度，阐述火工品数字化制造体系的层级要素及关键特征，提出火工品数字化制造体系架构，明确火工品数字化制造体系的各项关键技术及其具体内容，通过实践论证火工品数字化制造体系的指导性和合理性。关键词:航天火工品；数字化；制造体系；数据标准化；信息模型中图分类号:TP 399 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.040Research and Practice of Digital Manufacturing Systems and Key Technologies to Aerospace Initiating Explosive DevicesCHEN Yunbo，LI Chong，NIE Zhenkang，FENG Chuan，LI Aimin，GONG Du（Sichuan Aerospace Chuannan Initiating Explosive Technology Limited，Luzhou 646000，Sichuan，China）Abstract:The wave of intelligent transformation triggered by the new generation of information technology in aerospace manufacturing.As a typical aerospace product of the Long March rocket，facing the pressure of production capacity supply，demand，and market competition challenges，it s urgent for aerospace initiating explosive devices to transform to intelligence.This article has elaborated on the hierarchical elements and key features of the digital manufacturing system for initiating explosive devices from the perspective of the digital manufacturing system.It proposed a digital manufacturing system architecture for initiating explosive devices，clarified the various key technologies and specific contents，and demonstrated the guidance and rationality of the digital manufacturing system for initiating explosive devices.Key words:aerospace initiating explosive devices；digital；manufacturing system；data standardization；information model0引言 科研和工业生产数字化转型是数字时代发展趋势的必然选择，以云计算、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术引领的信息化革命正深刻地影响着航天制造企业的发展脉络。在长征系列运载火箭高密度发射的背景下，大力推进新一代信息技术与科研生产深度融合，构建以模型数据为核心的数字化制造体系，赋能生产制造模式转型升级，是适应新常态，构筑数字时代竞争新优势、推动航天强国和两个“一流”建设新引擎、实现传统研制模式向“三高”模式成功转型的必由之路。航天产品具有高精度、高可靠性、高安全性等特点，近年来，随着产品需求的快速增长、研制周期的持续缩短和市场竞争的不断加剧，越来越多的航天制造企业开始向智能化转型，为适应长征四号等系列运载火箭的发射任务和创新技术需要，航天火工品作为具有典型“多品种，小批量”制造特点的配套产品，同样面临着制造模式向智能化转型升级的困难和压力1。“十三五”期间，航天制造领域的制造能力和工艺技术飞速发展，集成化制造、单元化制造等先进制造手段的应用，使航天产品的产能和质量一致性收稿日期：20230604；修回日期：20230612作者简介：陈云波（1986-），男，高级工程师，本科，主要研究方向为火工品设计与制造。272第 40 卷 2023 年第 s1 期陈云波，等：火工品数字化制造体系及关键技术研究与实践得到了有效提升，产品成本得到有效控制，“十四五”期间，我国国防建设和航天产业发展责任仍然重大且任务艰巨，机遇与挑战并存，从国家总体发展态势及国防建设目标来看，长征四号等宇航型号对火工品的需求将呈现攀升态势，加速增长的产能需求与制造能力之间的矛盾将愈发突出。根据国内外先进制造模式的发展经验来看，制造产业升级的过程大多遵循从标准化到自动化和数字化，再到智能化的发展路径，随着数字化制造、智能化技术在航天制造领域的加速渗透，构建适应当前产业变革新环境和行业发展新形势的数字化制造体系，是推进航天制造企业逐步向智能化发展转型的首要任务2-8。为此，本文面向航天领域的发射任务和创新技术需要，针对航天火工品制造的生产模式特点和智能化工厂建设的基础需求，从狭义数字化制造体系着手，分析、提出并实践面向航天火工品的数字化制造体系关键技术，旨在探索和践行具有智能化孵化属性的先进数字化制造模式6，以期为航天制造业的数字化转型提供借鉴与参考。1火工品数字化制造体系概要 数字化制造体系为航天火工品制造提供更加精准、高效、安全的生产方式，实现制造过程的可视化、可控化、可优化，大幅度降低了生产成本，提升生产效率。根据“动态感知、实时分析、自主决策、精准执行”等智能制造工厂的关键属性特征9-10，结合数字化建设的基础框架，火工品数字化制造体系建设应贯穿策划、计划、执行等多个环节，依托以下3个层级展开。1）生产执行层。利用信息化采集、自动化设备、智能物流等多种数字化、智能化方式，保障实现现场生产高效率和质量可靠性等目标。作为现场执行层，是所有上层决策依据的数据来源和产品制造者，是数字化制造体系的底层建筑，应做到所有资源的精细化管理和所有生产过程岗位数据的准确收集。2）生产管理层。以推进生产为首要目标，通过对生产数据的实时分析，实现生产计划与生产资源的合理匹配。作为生产管理层，能够接收工厂管理层下达的生产任务，动态分析现场生产状态、资源供应情况，以工艺资源信息为基础，结合现场状态数据优化生产决策，再将生产计划信息推送至具体生产执行单元。3）生产策划层。立足企业生产总体安排，通过对接需求和企业生产状态，借助多种类、多任务的智能排产平台，实现排产的自主化、柔性化，以智能化手段保障工厂整体生产决策的科学性和合理性。作为决策调度层级，总体生产策划应以结构化生产数据作为基础支撑，通过数据筛选、整理、关联、建模、分析等处理，实现针对企业总体生产制造状态的动态评估、分析与自主决策。面向各层级内容，离散制造型企业智能化所依托的数字化制造体系应包含的要素有1：具备完整的车间总体设计模型、产品工艺流程、资源约束及生产布局数字化模型；具备生产过程数据采集、分析和控制系统（数字化管控系统），对产品制造进度、生产操作流程、质量控制数据等生产现场数 据 信 息 进 行 充 分 采 集；具 备 制 造 执 行 系 统（Manufacturing Executive System，MES）和资源计划管理系统（Enterprise Resource Planning，ERP），且二者交互集成。面向航天火工品制造的狭义数字化制造体系，应具备生产岗位标准化、制造过程信息化、生产数据结构化、生产决策自主化等关键特征，为打造集数据采集、数据分析、数据监测、数据应用与数据可视化为一体的火工品制造数字化生态奠定体系架构，支撑航天火工品生产制造单元的数字化建设与智能化转型。2火工品数字化制造体系架构 火工品数字化制造体系架构如图 1 所示，顶层为生产设计与策划层，是整个生产系统的生产数据源，从工艺和生产任务角度输出生产数据；中间层为生产管控层，是整个数字化制造体系的核心，负责生产任务的组织实施与管理，是核心的生产数据中心；底层为现场管控层，是生产制造的具体执行层，肩负着组织生产、数据采集、过程检验等生产实施重任。在制造执行系统和数字化管控系统外，设有库房管理系统，负责对生产资源的物流运转进行具体实施。3火工品数字化制造体系关键技术 针对火工品数字化制造体系所需具备的生产岗位标准化、制造过程信息化、生产数据结构化、生273第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）产决策自主化等关键特征，根据数字化制造体系的业务逻辑和组织特性，以及航天火工品生产现场的生产组织模式和产品制造特性，将体系构建过程所涉及的关键技术概括为岗位标准化与工艺结构化、数据接口及存储形式规范化、生产管控数字化和生产决策自主化等 4项内容11-13。3.1岗位标准化与工艺结构化岗位标准化以提升工艺精细化控制水平、提高岗位操作质量和岗位作业数据结构化为目标14-17，通过构建以标准岗位为核心的工艺分级管理体系（见图 2），充分识别工艺文件及其它过程控制文件要求，将各项控制要求施行分级管理，分别纳入不同层级的文件中，实现岗位分级、控制管理要求分级、人员要求分级、培训分级，实现工艺过程的精细化管控和岗位数据的标准化、结构化定义。结构化工艺总体框架如图 3 所示，工艺结构化依托结构化工艺设计平台开展典型工艺知识库的结构化建设，通过对工艺知识的分类聚合和工艺设计流程的梳理，形成工艺知识库和标准化的工艺设计流程，借助数字化手段建立工艺设计环节与工艺知识的关联关系、进行工艺设计流程的固化、通过流程驱动来确保工艺设计标准化流程的执行、工艺知识的按需推送，以期实现工艺精益设计。3.2数据接口及存储形式规范化火工品生产现场数据种类包括生产数据、质量数据和环境数据等，数据分为符号、数字、文字和多媒体等数据类型，以及关系型数据库、word 文档、excel文档、csv文档、图片、视频等数据格式；数据采集方式分为人工采集和设备工量具输出；数据传输的接口形式有 RS232 串口、RS485 串口、以太网口等多种类型。针对数据来源、属性、类型、格式、采集方式和接口形式的多样性所暴露的数据孤岛林立、数据接口不标准、数据结构不合理、数据格式不规范和数据交互不通畅等问题，理应规范各类数据的接口、采集和存储方式，形成标准统一的数据结构化采集及存储形式，打破数据孤岛，形成数据跨图 2工艺分级管理体系Fig.2Process of hierarchical management system图 1火工品数字化制造体系模型Fig.1Model of digital manufacturing system for pyrotechnics274第 40 卷 2023 年第 s1 期陈云波，等：火工品数字化制造体系及关键技术研究与实践层级传递路径（数据采集层级见图 4），为数字化制造 体系的数据应用提供标准化和结构化的底层数据源。1）通过梳理数据源到数据应用的流程，结合智能制造的数据需求，明确火工品标准化数据定义，划分数据层级，建立数据接口、采集及存储格式标准制度。2）以生产信息数字化为目标，开发通用性强的数据采集与格式转换软件，打通设备工量具的数据传输路径。3）强化生产现场数字化定义，扩大数字化定义范围和维度，实现生产过程中进度、质量、设备、物流、物料等数据的充分采集。4）推动满足标准规范要的生产过程数据应采尽采，构建完善的数字化标准体系及贯通火工品全生命周期的数据信息管理体系，为实现数据在全制造体系层级穿透提供技术支撑。3.3生产管控数字化生产过程管控主要包括针对人、机、料、法、环、测等要素的过程及质量数据的采集、管理、监测与反馈。根据航天火工品的制造过程特点，基于生产现场的生产模式和技术能力，从面向未来数字化、智能化出发，面向制造过程的数字化管控系统，应该以过程监测、过程数据采集、数据汇总分析等功能为目标，提高火工品制造过程的可视化、集成化和实时水平，保障火工品制造质量。合理完备的数字化管控系统生态（见图 5）应涵盖以下内容18-20：1）具备强大的数据采集能力和生产状态监控能力，实现对工位、设备、物料信息、人员信息、环境信息等数据的实时收集和质量数据的管理功能，并能够独立输出任务质量数据。2）具备质量分析功能，对产品生产的质量数据及时做出分析评价，并能够推送给生产人员及工艺和质量管理人员，及时发现问题，避免质量风险的出现。3）具 备 设 备 管 控 功 能，实 现 设 备 的 控 制 与执行。图 3结构化工艺框架Fig.3Framework for structured processes图 4数据采集层级Fig.4Data acquisition hierarchy275第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）4）具备无纸化指导功能，以工艺内容、操作视频等多种形式实现对生产现场的作业指导。5）具备计划调度功能，与制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）实现统一对接，接收来自 MES的生产任务，对接收到的任务进一步优化排产和下发工位，应用数字化管控系统实现制造执行层的计划决策。6）具备针对各产线或功能中心生产状态的监控采集，包括生产数据、任务派工数据、设备运行数据、库房物流数据、生产环境数据等对象的统一采集监控管理，实现各类数据的统一汇总。7）具备针对制造系统的数据分析和可视化能力，实现对各类数据的分类、预处理及统计分析，形成成套的质量数据，并将各类数据转化形成生产能力、生产进度预测、质量数据分析、设备故障预警、库存储备及物流运转等特征信息，为智能制造提供数据支撑。8）具备各种数字化管控终端的运维能力，实现服务器运行状态、人员资质、岗前考试、系统配置等内容的管理与维护。9）具备外协外场的生产进度管控能力，实现生产任务流转、外协质量及进度管控。3.4生产决策自主化航天火工品制造过程整体呈现加工工序多、工艺难度大、专用设备多、手工作业与机械作业并存等特点，计划与排程工作又具有离散性、多约束性、多目标性等特征，基于经验的排程方式缺乏实时性、准确度和灵活性；同时，生产现场时常出现生产计划调整、设备系统故障、物料工装短缺以及在制品质量问题等影响既定生产策划的干扰因素，以人工经验为主的生产策划存在效率低、耗时长、沟通成本高等缺点，导致生产部门无法准确评估上述干扰因素对生产实施和订单交付产生的影响，生产现场应对干扰时间的灵活程度和响应速度受到严重制约。可见，以数字化手段提升生产现场对生产任务、物料资源、设备资源、人力资源等生产要素的调度策划与管理能力，是数字化制造体系建设中的重要内容。生 产 决 策 自 主 化 依 托 高 级 计 划 与 排 程 系 统（Advanced Planning and Scheduling，APS），用以提高生产决策效率，优化生产流程，降低生产成本，实现个性化生产，提高制造质量，进而推动数字化制造体系的发展和优化。根据火工品生产现场的生产组织模式和产品制造特性，以及现有各类数字化系统的结构，结合生产车间及相关职能部门在计划排程方面的业务诉求所明确的高级计划与排程系统架构如图 6所示。系统分为资源信息、任务信息、约束信息等输入信息项，生产计划、监测与预警、动态仿真、分析评估等输出信息项，以及权限管理、系图 5数字化管控系统生态Fig.5Ecology of digital management system276第 40 卷 2023 年第 s1 期陈云波，等：火工品数字化制造体系及关键技术研究与实践统配置等系统配置项，以及高级计划与排程算法引擎，高级计划与排程系统与制造执行、数据采集等环节相互衔接，共同构成数字化制造体系的基础设施和核心能力。4火工品数字化制造体系实践 根据岗位标准化与工艺结构化、数据接口及存储形式规范化、生产管控数字化和生产决策自主化等 4项火工品数字化制造体系关键技术所涉及的核心内容，开展应用实践，通过实践并取得的相应成果（见表 1），论证了生产岗位标准化、制造过程信息化、生产数据结构化、生产决策自主化等 4项火工品数字化制造体系关键特征的指导性和合理性，并为未来坚定开展基于火工品数字化制造体系的智能工厂建设夯实基础。表 1火工品数字化制造体系实践成果Tab.1Practical results of digital manufacturing system for pyrotechnics岗位标准化与工艺结构化标准化岗位体系建设关键特性岗位自动检测能力建设结构化工艺平台开发与应用结构化工艺知识库建设实现了对所有岗位的准确识别和划分和对标准岗位的分级管控，建立了系统的岗位培训教材和考试题库，建立了岗位培训与考核办法，规范了岗位记录模板，建立了工艺编制基础数据库关键特性岗位的自动检测率达到 48.6%完成平台开发并实现应用，提升了机加、装配、试验工艺设计的质量与效率，为实现基于流程化的工艺设计及管控打下了基础依托结构化工艺设计平台完成典型工艺知识库的结构化建设关键技术核心内容成果图 6高级计划与排程系统架构Fig.6Framework of APS277第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）数据接口及存储形式规范化生产管控数字化生产决策自主化数据采集、传递与存储标准规范制定数据采集与格式转换接口软件开发与应用数字化管控系统开发与应用运维平台和数据分析及数据可视化平台开发基于流程和资源的工艺仿真模型构建面向产线的自主/辅助决策管控的数据模型开发完成数字化生产线数据采集规范和数字标识体系规范发布及数据接口硬件标准选型清单制定，为数据采集标准化及软硬件开发提供指导依据完成数据通用转换程序、多媒体采集程序、工艺过程数据定制化采集软件，设备数据个性化管理软件开发与应用，针对设备及工量具在软硬件层面的数据采集基础建设覆盖率达 97%完成生产现场、外协、检验检测等多项管控系统开发并投入应用，应用对象涵盖火工品种类的 80%，实现 80%的过程关键数据在线判定控制，40%的数据自动采集，达成了全产品类型的生产过程管控目标完成各项功能模块论证与开发，实现了与数字化管控系统的数据交互完成模型构建与应用，实现典型产品的产能评估与瓶颈资源优化的过程数字化，为推进智能排程系统应用奠定理论基础完成模型架构设计和基础矩阵数据格式定义，为高级计划与排程系统的开发建立基础条件续表 1关键技术核心内容成果5结束语 数字化制造体系是一个复杂且重要的研究领域21，航天火工品的质量可靠性要求及制造过程的离散程度，决定了其数字化制造体系的构建与发展应当融合先进制造技术与传统制造经验，在明确数字化制造体系关键特征前提下，以基础关键技术和智能化单元构建思路为纲领，借助数字化技术和智能化手段，稳步推进制造全流程由数字化、自动化向智能化转型。航天火工品数字化制造体系的构建与实践过程，对同类型制造模式的生产企业开展数字化制造体系规划与建设具有参考意义和工程应用价值。未来，随着数字化制造技术的发展，航天火工品数字化制造体系将会进一步完善和优化，为航天火工品持续提质增产提供不竭动力，支撑长征系统火箭的技术创新和发射任务。参考文献1 钟杰华，娄依志，张沥新.型火工品技术在未来武器系统的应用分析 J.科技创新与应用，2018，13：6-102 焦洪硕，鲁建厦.智能工厂及其关键技术研究现状综述J.机电工程，2018，35（12）：1249-12583 刘强.航空航天制造中的智能化技术 J.现代制造，2020（9）：8-94 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