林明路 徐騰飛 付仕

摘? 要：通過對(duì)用于飛機(jī)裝配的工程裝備（簡(jiǎn)稱工裝）制造方面進(jìn)行分析，在工裝設(shè)計(jì)與返修、工裝工藝設(shè)計(jì)與采購(gòu)、工裝生產(chǎn)與外協(xié)、工裝的物理信息全覆蓋、系統(tǒng)融合這五大部分中，針對(duì)工裝制造效率低下問題，提出提升效率的方法與展望。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)工裝;工裝設(shè)計(jì);工裝生產(chǎn);工裝工藝設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V262.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0079-03

Abstract： Based on the analysis of the manufacturing of engineering equipment for aircraft assembly， the methods and prospects of improving efficiency are put forward， aiming at the low efficiency of engineering equipment manufacturing in terms of five parts of engineering equipment design and repair， engineering equipment processing design and procurement， engineering equipment production and outsourcing， full coverage of physical information of engineering equipment， and system integration.

Keywords： aircraft engineering equipment; engineering equipment design; engineering equipment manufacturing; engineering equipment processing design

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)的飛機(jī)制造廠商，大多存在同時(shí)進(jìn)行某一型號(hào)飛機(jī)規(guī)模批產(chǎn)、某一型號(hào)試驗(yàn)生產(chǎn)、某一機(jī)型研制生產(chǎn)的現(xiàn)象[1]。由于飛機(jī)的機(jī)型多，在獲取型號(hào)合格和試航審定所需要的數(shù)據(jù)與證據(jù)的前提是：用于飛機(jī)以研制和試驗(yàn)機(jī)型為主要任務(wù)的工裝生產(chǎn)要保質(zhì)、保量。當(dāng)然，工裝的生產(chǎn)不僅僅包含研制和試驗(yàn)機(jī)型，也包含已經(jīng)使用工裝的改進(jìn)升級(jí)、功能優(yōu)化、損壞維修等[2]。飛機(jī)的機(jī)型多，相應(yīng)的，飛機(jī)生產(chǎn)的周期就長(zhǎng)，生產(chǎn)成本就高，用于輔助飛機(jī)制造的工裝的數(shù)量就多、型號(hào)就復(fù)雜。但限于有限資源，工裝生產(chǎn)壓力巨大。因此，有必要對(duì)影響現(xiàn)有工裝制造狀況的情景進(jìn)行綜合描述與分析，并且提出具有指導(dǎo)意義的提升工裝制造效率的策略。在深入調(diào)研了國(guó)內(nèi)幾家飛機(jī)制造廠，梳理出影響飛機(jī)工裝制造效率的幾大主要因素：工裝設(shè)計(jì)與返修、工裝工藝設(shè)計(jì)與采購(gòu)、工裝生產(chǎn)與外協(xié)、工裝的物理信息全覆蓋、系統(tǒng)融合。

1 工裝設(shè)計(jì)與返修

現(xiàn)有的技術(shù)條件，工裝的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)仍以串行模式為主[3]。設(shè)計(jì)得到的工裝指令來源于三個(gè)途徑，第一是研發(fā)本體的數(shù)?；蛘咦鴺?biāo)，附帶有技術(shù)要求;第二是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中，需要某種輔助類的工裝;第三是裝配過程中，飛機(jī)本體的實(shí)際誤差導(dǎo)致工裝重制或者返修。為提高工裝設(shè)計(jì)與返修的生產(chǎn)效率，可選取以下多種策略。

首先，柔性思維，鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行柔性創(chuàng)新思維。工裝的剛性結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，比如裝配型架類的剛性結(jié)構(gòu)，升版為可調(diào)節(jié)的、帶活動(dòng)定位的柔性結(jié)構(gòu)。研發(fā)探索框架結(jié)構(gòu)的整體固化成型技術(shù)，減少標(biāo)準(zhǔn)工裝和輔助工裝的數(shù)量。其次，集成式思維，工裝的集成式和模塊化的設(shè)計(jì)，可以為生產(chǎn)并行與維修更換節(jié)省時(shí)間，實(shí)現(xiàn)工裝快修，提高效率。然后，設(shè)計(jì)方向的專業(yè)化，同類型的設(shè)計(jì)任務(wù)由專員進(jìn)行，按照：裝配工裝、標(biāo)工、檢測(cè)工裝、地面設(shè)備、模具模胎五大類分工，設(shè)置合理工時(shí)。同樣，是零件庫(kù)、工具庫(kù)模塊的建設(shè)，這能提高快速設(shè)計(jì)能力與工裝的簡(jiǎn)易化設(shè)計(jì)水平。產(chǎn)品設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)通過機(jī)械設(shè)計(jì)、仿真模擬、電氣設(shè)計(jì)等輔助軟件，改善設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的工作效率，減少設(shè)計(jì)與制造的成本，主要體現(xiàn)在數(shù)字化協(xié)調(diào)和管理的框架中。甚至，計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代、采用多屏顯示器，通過提高計(jì)算機(jī)處理能力也能提高工裝設(shè)計(jì)效率。

另外，工裝的制造車間與使用廠房通常是異地，國(guó)內(nèi)處理工裝的返修或者報(bào)廢處理，仍是需要專門在現(xiàn)場(chǎng)與使用廠房進(jìn)行協(xié)調(diào)的人員[4]。過去，是“推送過程”：由計(jì)劃科室調(diào)度或者現(xiàn)場(chǎng)主管轉(zhuǎn)交需求，結(jié)果工裝生產(chǎn)周期長(zhǎng)、問題交接不清。而新興的“聯(lián)絡(luò)員”崗位，是“拉式過程”：安排對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)缺少的保護(hù)工裝、輔助工裝要有足夠的能力識(shí)別并且轉(zhuǎn)化為可操作的需求的人來?yè)?dān)任，進(jìn)一步縮短工裝返修或者報(bào)廢處理的周期。

2 工裝工藝設(shè)計(jì)與采購(gòu)

工裝設(shè)計(jì)階段完成，過去，打印出設(shè)計(jì)圖紙和3D數(shù)模[5]，現(xiàn)場(chǎng)施工人員需要圖紙作為主要依據(jù)，時(shí)代越來越強(qiáng)調(diào)無紙化，目前在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)三維數(shù)模的預(yù)覽，包括原材料、技術(shù)指標(biāo)、工作節(jié)點(diǎn)、責(zé)任流程等，大幅度提高現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于工裝的理解程度，提高現(xiàn)場(chǎng)施工的工作效率。在工裝圖紙與工裝生產(chǎn)中，起到把關(guān)工裝設(shè)計(jì)的可行性與瑕疵性，起到合理分配工時(shí)與安排工序的就是工藝設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)。工藝知識(shí)領(lǐng)先，大量的工藝基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)于形成標(biāo)準(zhǔn)化工藝，智能化建立標(biāo)準(zhǔn)工藝具有舉足輕重的意義。在工藝設(shè)計(jì)階段，主要存在新制、復(fù)制和返修工裝三大類。工藝編制階段，以往存檔僅是針對(duì)圖紙，現(xiàn)在對(duì)以下內(nèi)容均進(jìn)行云存檔：設(shè)計(jì)圖紙與三維數(shù)模;標(biāo)準(zhǔn)件、品牌件，甚至原材料的采購(gòu)單;工藝路線的編制;數(shù)控加工編程程序，以及以上相關(guān)設(shè)計(jì)人員、操作人員、計(jì)劃人員和節(jié)點(diǎn)安排的全生命周期電子存儲(chǔ)。而基于模型的協(xié)同平臺(tái)，則是將系統(tǒng)的表達(dá)由“文檔為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳Ｐ蜑橹行摹?，建模要基于統(tǒng)一的語(yǔ)言，從設(shè)計(jì)模型、制造、檢測(cè)、返修幾個(gè)方面，全面支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、檢驗(yàn)等活動(dòng)，貫穿工裝的全生命周期。

編制工藝文件需要構(gòu)建工序檢查和云存儲(chǔ)系統(tǒng)，以便于復(fù)制、返修工裝的工藝能實(shí)現(xiàn)快速編制與下發(fā)[6]。編制的材料清單需要云存儲(chǔ)，以便于快速下單，基于大量的電子文檔下的專家系統(tǒng)，可運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)的算法，智能搜索并推薦合理的材料采購(gòu)方案。當(dāng)然，與不同的供應(yīng)商建立合理的采購(gòu)系統(tǒng)，會(huì)提高信息溝通效率。另外，采購(gòu)仍是限制現(xiàn)場(chǎng)加工進(jìn)度安排的一個(gè)重要因素，打破采購(gòu)、物流、生產(chǎn)制造商三者的“信息孤島”是采用三方平臺(tái)與云計(jì)算系統(tǒng)后，從設(shè)計(jì)階段就產(chǎn)生自動(dòng)預(yù)定的庫(kù)房材料，有效縮短產(chǎn)品制造周期。

3 工裝生產(chǎn)與外協(xié)

零部件制造工藝復(fù)雜，零件材料涉及有色、黑色金屬以及復(fù)合材料，零件結(jié)構(gòu)異型多樣，高精度復(fù)合加工設(shè)備要求高，切削性能差，工藝過程涉及許多工種、工位高度交叉[7]。新型號(hào)任務(wù)多、批次及三包工作量不均衡，對(duì)于生產(chǎn)工序、人員依賴性強(qiáng)，目前國(guó)內(nèi)外智能制造研究的主要方向是在線采集及狀態(tài)傳感器技術(shù)。通過信息系統(tǒng)及傳感技術(shù)，零件全過程加工要實(shí)現(xiàn)融合分析，優(yōu)化產(chǎn)品制造工藝，改進(jìn)運(yùn)營(yíng)模式。圖像識(shí)別技術(shù)，將CATIA的三維數(shù)模與二維圖紙進(jìn)行模糊識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)算法計(jì)算，經(jīng)過大量的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化，自動(dòng)生成工藝流程。防錯(cuò)系統(tǒng)體系的建立：實(shí)現(xiàn)程序糾錯(cuò)、原材料糾錯(cuò)、上料糾錯(cuò)、設(shè)備程序使用糾錯(cuò)等防錯(cuò)體系，生產(chǎn)數(shù)據(jù)不丟失，不能隨意被篡改。

過去，用以傳統(tǒng)機(jī)械加工的車床、機(jī)床占廠房空間巨大，因此必須合理的設(shè)備規(guī)劃減少每次的調(diào)運(yùn)距離，提高運(yùn)轉(zhuǎn)效率[8]。在“去地基化”的追求中，工藝與設(shè)計(jì)的融合，配合現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)機(jī)床加工與轉(zhuǎn)運(yùn)，實(shí)現(xiàn)小型工裝的小批量、多型號(hào)生產(chǎn)，在多臺(tái)AGV小車的基礎(chǔ)上，配合機(jī)器人手臂，實(shí)現(xiàn)雙三軸驅(qū)動(dòng)配合，這種“螞蟻啃骨頭”能靈活、高效、智能的對(duì)工裝實(shí)現(xiàn)打孔、焊接、切割、磨拋的任務(wù)，解決特征復(fù)雜多序加工的部位，將大大減少裝夾次數(shù)，實(shí)現(xiàn)精密加工。

大型架構(gòu)的工裝，傳統(tǒng)機(jī)械加工需要多次切割、多次焊接、多次測(cè)量，采用多機(jī)加機(jī)器人移動(dòng)加工，能夠?qū)崿F(xiàn)加工誤差補(bǔ)償，自主尋位，實(shí)現(xiàn)加工前測(cè)量確定尺寸狀態(tài)，加工后測(cè)量實(shí)現(xiàn)質(zhì)量評(píng)估。從數(shù)控機(jī)床到復(fù)合機(jī)床，再到智能加工現(xiàn)場(chǎng)，工裝生產(chǎn)的去人工、去搬運(yùn)、去工序能力越來越強(qiáng)。智能化的自動(dòng)識(shí)別加工特征、自動(dòng)防止刀具與工件干涉、機(jī)床診斷、在線監(jiān)測(cè)與機(jī)床監(jiān)測(cè)、在線測(cè)量。而骨骼機(jī)器人的使用，使材料搬運(yùn)不局限于行車吊運(yùn)，也適用于短距跨廠房搬運(yùn)。針對(duì)復(fù)雜曲面、異性工裝，采用增量制造方法，如3D打印。

零件的管理工作，比如對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工的6S管理，避免出現(xiàn)加工零件的混亂、損壞、丟失現(xiàn)象，尤其是工裝上，堅(jiān)決杜絕“多余物”，因此零件庫(kù)的高精準(zhǔn)借出與歸還系統(tǒng)十分重要。工裝數(shù)控操作人員的技能和安全素養(yǎng)提升，適時(shí)進(jìn)行技能大賽和安全生產(chǎn)競(jìng)賽。工藝員的編程、統(tǒng)籌與技術(shù)能力也是影響數(shù)控加工和工裝生產(chǎn)流程的重要因素，流程的缺失會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)操作的混亂，編程的失誤會(huì)造成工裝的報(bào)廢，帶有工藝規(guī)劃的編程系統(tǒng)，無疑提高工藝的編制效率。

機(jī)械加工的維護(hù)與系統(tǒng)升級(jí)，檢測(cè)機(jī)械的加工精度，不定期與定期相結(jié)合的機(jī)械保養(yǎng)，對(duì)于延長(zhǎng)機(jī)加設(shè)備的壽命，減少因?yàn)闄C(jī)加設(shè)備的故障而產(chǎn)生的停工，影響加工節(jié)奏。

部分零部件或者工序的外包，開發(fā)的一體化平臺(tái)，合作伙伴的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參與，框架協(xié)議的簽署，縮短了工裝的制造周期。針對(duì)眾多合作伙伴、供應(yīng)商，建立多渠道、多維度的評(píng)價(jià)機(jī)制，對(duì)于提高工裝的質(zhì)量也越發(fā)重要。

4 工裝的物理信息全覆蓋

工裝標(biāo)牌或者標(biāo)志由過去的大量文字信息，發(fā)展為條形碼與二維碼的使用[9]。通過掃描工裝二維碼，可以直接反饋工裝的設(shè)計(jì)要求，基準(zhǔn)點(diǎn)，工裝的制造者，工裝的生命周期與定期檢測(cè)周期，以及返修時(shí)間、次數(shù)、位置等。工裝的場(chǎng)景信息反饋更加高效，在掃描完工裝的信息后，根據(jù)不同權(quán)限，即可報(bào)告工裝的維修或者返修要求，并且監(jiān)督進(jìn)度。而帶有執(zhí)行器與傳感器的工裝可實(shí)現(xiàn)工裝的智慧化。VR場(chǎng)景化的物資查找定位，數(shù)字化的提醒使用位置與功能。

5 系統(tǒng)融合

目前，大多數(shù)飛機(jī)制造公司，仍然是存在至少上百個(gè)獨(dú)立的、或者完全不同的系統(tǒng)，在工裝的實(shí)現(xiàn)過程中，系統(tǒng)會(huì)在一定條件下連接，但是在語(yǔ)義不同的情況下，有部分企業(yè)盡管實(shí)現(xiàn)了多種系統(tǒng)的融合，但無法實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的完全整合[10]。在信息流通過程中，就會(huì)出現(xiàn)遺漏、錯(cuò)誤，并且消耗大量毫無意義的時(shí)間。在實(shí)現(xiàn)更多系統(tǒng)融合的云存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)解決所有問題是未來的趨勢(shì)。

企業(yè)經(jīng)營(yíng)層在ERP系統(tǒng)融合MES系統(tǒng)，綜合設(shè)備基本信息、物料庫(kù)存信息、生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)指令，結(jié)合工藝設(shè)計(jì)完成車間的生產(chǎn)計(jì)劃、采購(gòu)庫(kù)存、成本核算、產(chǎn)品銷售、決策分析等管理工作;制造執(zhí)行層基于工廠模型、生產(chǎn)模型及事件模型，完成數(shù)字化車間的作業(yè)計(jì)劃、調(diào)度分析、生產(chǎn)過程追蹤、質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備管理、自動(dòng)預(yù)警與控制、能耗控制等執(zhí)行類工作;過程控制層對(duì)生產(chǎn)中的物流、產(chǎn)品質(zhì)量、人員監(jiān)控、物料監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、工藝參數(shù)等進(jìn)行收集和分析，形成集成化的數(shù)據(jù)管理;智能設(shè)備層由物流AGV配送系統(tǒng)、智能機(jī)器人系統(tǒng)、物流中心自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)等多種關(guān)鍵智能系統(tǒng)及設(shè)備構(gòu)成。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)及相關(guān)的文檔將在企業(yè)設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、銷售、產(chǎn)品維護(hù)的全過程被引用，數(shù)據(jù)引用與融合，人員之間、部門之間協(xié)同工作。設(shè)計(jì)部門、工藝、制造、檢驗(yàn)、質(zhì)量部門產(chǎn)生的產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)，包括工裝數(shù)據(jù)、三維模型、二維圖樣、工藝數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)等，需要共享，實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)。尤其是出現(xiàn)設(shè)計(jì)更改，相關(guān)底層設(shè)計(jì)師要能知道上層設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)要求以及更改的具體數(shù)據(jù)，變更查看的實(shí)時(shí)性，并且要帶有響應(yīng)，而且要保存這種更改的數(shù)據(jù)。建立車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)采集質(zhì)量數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)透明可控。

數(shù)字化車間項(xiàng)目總體規(guī)劃出發(fā)，包括設(shè)計(jì)模式、生產(chǎn)模式、業(yè)務(wù)流程、設(shè)施與物流、物料編碼規(guī)范、IT總體規(guī)劃等方面規(guī)劃、集成與業(yè)務(wù)重組，也涉及生產(chǎn)線的建設(shè)、設(shè)備采購(gòu)與安裝、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、硬件采購(gòu)安裝、多系統(tǒng)集成?？傮w規(guī)劃必須考慮航空制造的特點(diǎn)與精益生產(chǎn)相結(jié)合，構(gòu)建工廠信息模型和工藝仿真技術(shù)，優(yōu)化和重構(gòu)生產(chǎn)工藝流程。集成數(shù)控機(jī)床、原點(diǎn)定位系統(tǒng)、柔性?shī)A具、虛擬模擬裝配場(chǎng)景、精密探測(cè)、機(jī)器人等，信息化設(shè)備的自我學(xué)習(xí)能力，基于數(shù)字孿生的多源自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)器人自動(dòng)尋位等協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)零件的下料、粗精加工、檢測(cè)、修偏等應(yīng)用。移動(dòng)對(duì)接平臺(tái)，集成IGPS導(dǎo)航系統(tǒng)、多維傳感器、多套數(shù)控定位器、移動(dòng)機(jī)械臂的AGV等，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)誤差檢測(cè)與補(bǔ)償。

6 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)在不同程度上，由“硬性制造”轉(zhuǎn)向“柔性制造”，進(jìn)而升級(jí)為“智能制造”。在工裝制造過程中，互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)作用更加明顯，“跨尺度、可移動(dòng)、多工況”的思維趨向明顯，在工裝設(shè)計(jì)與返修、工裝工藝設(shè)計(jì)與采購(gòu)、工裝生產(chǎn)與外協(xié)、工裝的物理信息全覆蓋、系統(tǒng)融合這五大板塊，對(duì)于復(fù)雜工裝的機(jī)械加工處理能力要求更高，去地基化更加明顯，廠房將不再是限制加工生產(chǎn)工裝的障礙;智能系統(tǒng)處理能力，通過大量的原始資料的積累，利用近些年興起的圖像處理與機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方式，提高工藝、編程能力，降低勞動(dòng)強(qiáng)度;提高或者優(yōu)化不同機(jī)器、軟件、系統(tǒng)的語(yǔ)言通用性，提高工裝電子數(shù)據(jù)及其相關(guān)性全生命過程的完整性，集智慧機(jī)床、智能機(jī)器人、大數(shù)據(jù)物流信息、人員管理系統(tǒng)等多系統(tǒng)融合能力，支持高效率、低成本的實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝研制、批產(chǎn)的支持。

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