为​Airbus​未来​工厂​开发​智能​工具

Sébastien Boria (Airbus)

“我们​对​多个​模​块​系统​(SOM)​和​嵌入式​单​板​计算​机​(SBC)​进行​过​评估,​发现​没有​一项​产品​能​与​NI​软件​集成​功能​相​提​并​论。​由于​NI​系统​设计​方法,​尤其是​NI Linux Real-​Time​和​LabVIEW FPGA​模​块​能够​提高​工作​效率,​预计​使用​NI SOM​的​开发​时间​大约是​其他​替代​方法​的​十分​之一。”

- Sébastien Boria (Airbus)

挑战:

飞机​的​制造​和​组​装​涉及​数​万个​步骤,​必须​由​操作​人员​逐一​完成,​一旦​过程​中​出现​任何​错误,​就要​花费​上千​美元​进行​修正,​因此​犯错​的​空间​非常​小。

解决​方案:

将​智能​功能​应用​于​工具​和​车间​系统,​管理​和​检查​操作​人员​执行​的​任务,​帮助​简化​生产​过程,​提高​生产​效率。​借助​NI​模​块​上​系统,​我们​可以​快速​制作​出​这些​智能​工具​的​原型。

 

现代​的​航天​生产​工厂​与​以往​喧闹​嘈​杂​的​生产​厂房​不同。​先进​技术、​设计​和​设备​的​应用,​使得​现代​化​生产​更加​高效​有序。​那么​未来​的​趋势​又​会​如何?​未来​的​飞机​工厂​将​成为​一个​专门​的​科研​和​技术​项目,​目的​在于​推动​新兴​技术,​改变​Airbus​目前​仍​以​手​动​操作​为​主​的​生产​工序​现状,​提高​其​竞争​优势。

 

信息​物理​系统​和“大​模拟​数据”(Big Analog Data™)​实现​了​更​智能、​以​操作​人员​为​中心​的​生产​过程,​可以​让​操作​人员​和​机械​设备​在​同​一个​物理​环境​中​协同​工作。“未来​工厂”(Factory of the Future)​也​意味​着​模​块​化​平台​的​广泛​使用,​这种​平台​采用​商业​现成​的​模​块,​具有​高度​抽象​化​的​特点。​提升​未来​工厂​效率​的​关键​因素​之一​就是​采用​更加​智能​的​工具。​这些​智能​设备​经过​特殊​设计,​可以​和​主要​基础​架构​进行​通信,​也​可​根据​需要​与​操作​人员​或​其他​工具​进行​本地​通信,​提供​情境​感知​能力,​并​根据​网络​上​的​本地​和​分布​式​情报​做出​实​时​决策。

 

对于​生产​厂房​而言,​智能​工具​可以​通过​避免​手​动​数据​记录​和​操作​来​简化​生产​过程、​提高​效率。​操作​人员​除了​必须​专心​处理​作业​任务,​还​要​腾​出​双手​来​使用​相应​的​工具。​以往​大部分“无​纸​化​项目”相关​的​方案​都是​以“减少​纸张​使用”为​主,​或者​使用​平板​电脑​替代​纸张,​不过​仍然​需要​消耗“被动/​无关​数据”(Passive/​Dead Data)。 智能​工具​则​提供​了​另​一个​替代​方案:“情境​数据”(Data in Context),​这种​数据​会​持续​生成​并​消耗,​也​称为“实​时​数据”(Live Data)。

 

飞机​的​开发​涉及​数​万个​步骤,​必须​由​操作​人员​逐一​完成,​而且​要​检查​很多​次,​才能够​确保​质量。​通过​将​智能​功能​添加​到​系统​中,​智能​工具​将​可​理解​操作​人员​接​下来​必须​执行​的​操作,​并​自动​将​工具​调整​到​合适​的​设置,​从而​简化​操作​人员​的​工作。​操作​人员​执行​完​操作​后,​智能​工具​也可以​监测​并​记录​操作​结果,​提高​生产​过程​的​效率。

 

举例来说,​一架​飞机​的​某​个子​组​件​大约有​400,000​个​位置​必须​拧​紧,​就​目前​的​生产​工艺​而言,​这​就​需要​1,100​多个​基本​拧​紧​工具。​操作​人员​必须​使用​正确​的​工具​依序​完成​一系列​步骤,​确保​每​个​位置​的​扭矩​公式​设置​正确​无误。​因为​是​手​动​操作,​人为​错误​会​为​生产​过程​增加​很多​风险。​即使​只有​一个​位置​没有​正确​拧​紧,​长远​来看​就​会​产生​数​十万​美元​的​成本,​因此​这​是​非常​严重​的​问题。​智能​拧​紧​工具​通过​视觉​功能​来​理解​操作​人员​即将​执行​的​任务,​进而​处理​其​周围​环境​并​自动​设置​扭矩。​此​设备​还​可​将​任务​结果​记录​到​中央​数据​库​中,​以​确保​该​位置​设置​正确。​设备​的​中央​制造​执行​系统​(MES)​数据​库​和​分布​式​智能​可​帮助​生产​经理​在​进行​质量​控制​与​认证​时​精准​地​找到​需要​检验​的​程序​和​流程。

 

 

Airbus​宣布​开发​三​种​智能​工具​系列,​用以​不同​的​制造​工艺:​钻孔、​测量、​质量​数据​记录​和​拧​紧。

 

钻孔​工具

  • 通过​视觉​算法​处理​周围​环境
  • 检验​待​切割​的​材料
  • 更新​钻​头​在​每​个​材​质​层​的​切割​状态​信息
  • 监测​钻孔​深度
  • 记录​当前​位置​的​钻孔​结果
  • 监测​系统​运行​状况
  • 自动​执行​检查/​校准

 

测量​工具 

  • 通过​视觉​算法​处理​周围​环境
  • 从​数据​库​检索​合适​的​测量值
  • 检查​测量​结果​是否​符合​参数​限制
  • 记录​结果,​必要​时​采取​进一步​操作
  • 自动​执行​检查/​校准

 

质量​验证​工具​(基于​人工​决策) 

  • 通过​视觉​算法​处理​周围​环境
  • 执行​人​机​互动​(手指​追踪、​眼球​追踪、​声​控)
  • 记录​结果,​必要​时​采取​进一步​操作

 

拧​紧​工具 

  • 通过​视觉​算法​处理​周围​环境
  • 为​每​个​位置​设定​合适​的​扭矩/​速度/​角度​公式
  • 监测​紧​固​装置​上​施加​的​扭矩
  • 将给​定​扭矩​记录​至​中央​MES​数据​库​或​企业​资源​规划​系统中
  • 自动​执行​检查/​校准

 

 

由于​NI SOM​提供​的​通用​架构​和​框架​有助​于​加快​从​设计​到​原型​验证​再到​部署​的​整个​开发​过程,​我们​将​该​产品​作为​上述​所有​智能​工具​的​基础​平台​进行​了​测试。​在​NI SOM​上​进行​开发​之前,​我们​创建​了​基于​NI CompactRIO控制器​(cRIO-9068)​的​原型,​集成​了​现有​Airbus​库​和​开​源​算法​的​IP,​以期​快速​验证​我们​的​概念。​图形​化​和​文本​编​程​设计​带来​的​灵活​性,​以及​可​复​用​基于​Xilinx Zynq和NI Linux Real-​Time OS第三​方​开发​代码​的​能力,​为​开发​这些​工具​提供​了​理想​的​抽象​级别。​现在,​我们​可以​复​用​在​NI SOM​上​开发​的​代码​作为​已​布​署​的​解决​方案,​无​需​从头开始​设计​整个​设计​流程。

 

我们​对​多个​SOM​和​嵌入式​单​板​计算​机​(SBC)​进行​过​评估,​发现​没有​一项​产品​能​与​NI​基于​平台​的​设计​方法​和​软​硬件​集成​功能​相​提​并​论。​由于​NI​系统​设计​方法,​尤其是​NI Linux Real-​Time和LabVIEW FPGA​模块能够​提高​工作​效率,​预计​使用​NI SOM​的​开发​时间​大约是​其他​替代​方法​的​十分​之一。 借助​NI SOM​随​附​的​软件,​我们​能够​将​精力​集中​到​系统​的​关键​特性​开发​上,​比如​在​FPGA​上​进行​图像​处理。

 

Airbus​的​未来​工厂​是​一个​长期​的​渐进​式​科研​和​技术​项目,​对于​我们​保持​制造​工艺​的​竞争​优势​至​关​重要。​快速​完成​从​最初​概念​验证​到​实际​部署​的​开发​过程​又是​渐进​式​新​技术​开发​方法​的​重​中之​重。​过去​几年,​我们​一直在​详细​计划​这个​方案,​借助​NI​技术,​我们​能够​加快​开发​进度,​将​想法​变成​现实。

 

作者​信息:

Sébastien Boria
Airbus

图​1. ​ ​典型​飞机​装配​环境 ​
图​2. ​ ​智能​工具​基础/​嵌入式​视觉​定位​系统​示例 ​
图​3. ​ ​智能​测量​工具​的​视觉​算法 ​