（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，成都 610092）

結(jié)構(gòu)件是飛機機身的連接與承載單元，對飛行性能有重要影響。飛機結(jié)構(gòu)件主要通過數(shù)控加工生產(chǎn)，經(jīng)過幾十年高速發(fā)展，我國飛機結(jié)構(gòu)數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)取得了長足進步。新一代飛機快速研制和批量生產(chǎn)是國家防空安全的重要保障，為實現(xiàn)這一目標，結(jié)構(gòu)件制造面臨提質(zhì)和增效兩大難題。柔性制造系統(tǒng)是實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件智能制造的基礎(chǔ)載體，為飛機結(jié)構(gòu)件制造轉(zhuǎn)型升級提供了有效途徑。飛機結(jié)構(gòu)件加工具有科研、生產(chǎn)混線，小批量、大柔性等典型特征，在構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)時需要從設(shè)備布局、物流運輸效率、生產(chǎn)現(xiàn)場信息管控等多方面考慮，其中設(shè)備布局和物流設(shè)備規(guī)劃是柔性生產(chǎn)線建設(shè)前期規(guī)劃的重點。

目前關(guān)于探索構(gòu)建航空、航天智能車間的研究頗多，大都集中于探討智能制造的特征、內(nèi)涵以及智能制造實施的總體框架[1–2]，其中一些研究對構(gòu)建柔性生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析[3]，特別強調(diào)了智能生產(chǎn)設(shè)備和自動化物流系統(tǒng)的重要性[4–5]，但關(guān)于智能生產(chǎn)設(shè)備布局以及物流設(shè)備初期規(guī)劃的報道鮮見。在自動化物流系統(tǒng)的研究方面，學(xué)者們相對集中地研究了基于排隊理論的AGV調(diào)度控制研究[6–8]，這些工作都基于生產(chǎn)線已經(jīng)建成，AGV（Automated Guided Vehicle）數(shù)量已經(jīng)配置到位，通過優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)來提升系統(tǒng)的產(chǎn)能。劉建等[9]的研究表明，在既定車間自動物流系統(tǒng)中，AGV 過多會造成交通擁堵，AGV 過少會導(dǎo)致貨物等待時間過長，這兩種情況都會影響生產(chǎn)效率。雖然，物流系統(tǒng)調(diào)度控制優(yōu)化有助于改善生產(chǎn)效率，但在柔性制造系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)既定的情況下，系統(tǒng)的產(chǎn)能難以發(fā)生質(zhì)的飛躍。張春遠等[10]通過遺傳算法仿真研究了AGV 配置數(shù)量與產(chǎn)品產(chǎn)量之間的關(guān)系，結(jié)果表明合理的優(yōu)化AGV 配置不僅可以提升效率還可以控制成本。由此可見，在柔性生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計初期，綜合考慮物流設(shè)備數(shù)量和加工設(shè)備工藝布局的影響，對于柔性生產(chǎn)線建設(shè)效果具有舉足輕重的作用。

本文將深入分析飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝流程特點，以此為基礎(chǔ)開展飛機結(jié)構(gòu)件柔性生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備工藝布局分析及物流設(shè)備優(yōu)化研究，為建設(shè)高效、高產(chǎn)的飛機結(jié)構(gòu)件柔性生產(chǎn)線提供理論指導(dǎo)。

構(gòu)建結(jié)構(gòu)件柔性線的難點

飛機結(jié)構(gòu)件加工工藝流程是建設(shè)柔性生產(chǎn)線的重要參考依據(jù)。如圖1所示，飛機結(jié)構(gòu)件槽腔特征復(fù)雜、繁多，通常完成單項零件的加工需要翻面或多次變換工件的裝夾定位。與其他行業(yè)大批量、工序單一的生產(chǎn)線加工相比，用于飛機結(jié)構(gòu)件加工的柔性生產(chǎn)線要適應(yīng)一個零件的多個加工工序。零件多次裝拆，長時間及多次占用柔性線裝卸位，零件與托盤裝拆卸過程人為因素影響明顯，裝拆時間波動大，使得加工過程管控難度增大，為構(gòu)建柔性生產(chǎn)線帶來了挑戰(zhàn)。

其次，如圖2所示，飛機結(jié)構(gòu)件種類繁多，單項零件批量小甚至是單件。因而，專用工裝種類多、占比大，導(dǎo)致在柔性生產(chǎn)線有限存儲空間中，工裝庫存量大，毛坯和成品存儲空間占比小，物流轉(zhuǎn)運能力受限。

此外，柔性線裝夾裝卸貨位數(shù)量較少（如圖3所示，通常為1~2 個，若柔性線裝卸貨位太多則占地面積大，會損失加工設(shè)備空間和立體庫存儲空間），而在飛機結(jié)構(gòu)件制造過程中，由于零件加工需多次變換裝夾定位或翻面，零件裝夾過程時間較長時，極易出現(xiàn)立體庫庫外工裝、毛坯等待裝夾，立體庫庫內(nèi)零件、托盤等待拆卸的現(xiàn)象，使得零部件裝拆工序成為提升柔性線生產(chǎn)效率的瓶頸。

飛機結(jié)構(gòu)件柔性線布局設(shè)計

建立飛機結(jié)構(gòu)件柔性生產(chǎn)線，設(shè)備布局設(shè)計既是基礎(chǔ)也是核心。設(shè)備布局設(shè)計的關(guān)鍵在于能夠充分解決飛機結(jié)構(gòu)件加工流程中所面臨的瓶頸問題。

（1）設(shè)置零件二級裝夾模式，第1 級為毛坯和工裝的精細裝夾，在車間集中裝卸區(qū)完成；第2 級為工裝、毛坯的合裝體與機床可交換工作臺的快速裝夾，在柔性生產(chǎn)線裝卸站完成。第1 級裝夾完成，工裝和毛坯的合裝體進入立體庫存儲。收到車間調(diào)度命令后工裝和毛坯的合裝體被運輸至柔性生產(chǎn)線的裝卸站與線內(nèi)可交換工作臺進行快速裝載并等待加工調(diào)度。單面零件加工完成后，在柔性生產(chǎn)線的裝卸站快速拆卸零件、工裝的合裝體與可交換工作臺。合裝體返回集中裝卸區(qū)拆裝、翻面、再裝夾形成第二面合裝體，并再次等待入線與可交換工作臺裝載后加工。通過兩級分層裝夾布局模式，零件翻面裝卸的工序被分割成與兩個獨立單面零件等效的加工流程，可以有效解決飛機結(jié)構(gòu)件多次變換裝夾、長時間占用柔性線裝卸位、加工過程管控難度大的難題。

（2）設(shè)置線邊緩存庫與中央立體庫相結(jié)合的零件存儲管理模式。線邊緩存庫緊靠柔性生產(chǎn)線建設(shè)，用于存儲毛坯（或零件）與通用工裝的合裝體，存儲貨量至少可以滿足柔性生產(chǎn)線單個周轉(zhuǎn)期的物流交換量，確保柔性線實時具備自動排產(chǎn)的物料。中央立體庫的設(shè)置需綜合考慮廠房所有柔性生產(chǎn)線和物流的布局，用于存放毛坯、通用工裝以及成品零件，存貨量需滿足車間內(nèi)所有設(shè)備至少一個周轉(zhuǎn)期的物流交換量。線邊緩存庫通過車間物流系統(tǒng)與中央立體庫進行物料交換，中央立體庫通過對外物流與車間外進行物料交換。二級存儲模式將車間龐大的物料分層管理，一方面減輕了中央立體庫的貨位數(shù)量壓力，另一方面提升了生產(chǎn)系統(tǒng)抗物流擾動的能力。尤其是降低了對車間AGV系統(tǒng)準時性的要求，AGV 數(shù)量及交通規(guī)則制定僅需根據(jù)每個周轉(zhuǎn)期的貨量規(guī)劃即可，無需依賴復(fù)雜的調(diào)度優(yōu)化算法。

圖1 典型的復(fù)雜特征飛機結(jié)構(gòu)件Fig.1 Typical aircraft structural part with complex characteristics

圖2 種類繁多的飛機結(jié)構(gòu)件Fig.2 A wide variety of aircraft structural parts

圖3 柔性生產(chǎn)線及裝載站Fig.3 Flexible production line and loading station

（3）設(shè)計通用工裝與可交換工作臺快速裝夾接口。通用工裝的裝夾接口分為上下兩部分：上部接口依據(jù)零件的定位夾緊需求設(shè)計為精細裝夾；下部接口依據(jù)通用工裝在柔性線裝卸站的快速裝拆需求設(shè)計，采用零點定位系統(tǒng)實現(xiàn),如圖4所示。通過快速裝夾接口，大大縮短了零件（或毛坯）與通用工裝的合裝體在柔性線裝卸站的停留時間，提升了裝卸站的利用率，從而解決了零部件裝拆工序效率的瓶頸問題。

柔性生產(chǎn)系統(tǒng)工作流程

根據(jù)上述關(guān)于柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的布局分析，可通過圖5所示的柔性制造系統(tǒng)對飛機結(jié)構(gòu)件的加工流程進行基本描述。

首先，通用工裝和毛坯通過庫區(qū)堆垛機由物料入口進入中央立體庫分區(qū)管理。當中央立體庫收到車間生產(chǎn)計劃后，通過庫區(qū)堆垛機將毛坯和通用工裝運往集中裝夾區(qū)進行合裝。合裝體再次由庫區(qū)堆垛機放入中央立體庫等待物流調(diào)度。當中央立體庫收到柔性生產(chǎn)線的物料請求后，由車間物流系統(tǒng)將毛坯與通用工裝的合裝體運送到柔性生產(chǎn)線的裝卸站。與此同時柔性生產(chǎn)線會通過RGV（Rail Guided Vehicle）從線邊緩存庫調(diào)度可交換工作臺到裝卸站，通用工裝與毛坯的合裝體通過零點定位系統(tǒng)與可交換工作臺進行快速裝夾組成待加工的裝載體，并由RGV 運送到線邊緩存庫進行存儲。線邊緩存庫、RGV、裝卸站以及機床的加工情況都由柔性線的管控系統(tǒng)統(tǒng)一管理。管控系統(tǒng)會根據(jù)機床加工狀態(tài)靈活地從線邊緩存庫調(diào)度待加工的裝載體進入某臺機床進行加工，加工完成后的裝載體由RGV 再次調(diào)度進入線邊緩存庫緩存。柔性生產(chǎn)線管控系統(tǒng)監(jiān)測到裝卸站空閑時，會調(diào)度加工完成的裝載體到裝卸站進行拆裝。拆裝后的可交換工作臺返回到線邊緩存庫，而零件與通用工裝的合裝體則會返回到中央立體庫進行儲存。當立體庫監(jiān)測到集中裝夾區(qū)有裝夾空位時，庫區(qū)堆垛機調(diào)度零件與通用工裝的合裝體到空閑裝卸站進行拆卸。工裝和零件再次通過庫區(qū)堆垛機調(diào)入中央立體庫分區(qū)管理。經(jīng)過一段時間生產(chǎn)制造，零件在中央立體庫達到一定批量，由物流統(tǒng)一轉(zhuǎn)運交付。

除了柔性制造系統(tǒng)完整的裝夾、存儲和物流系統(tǒng)方案，在柔性線機床的選型和布局上還需要考慮批產(chǎn)和定制生產(chǎn)的能力。在飛機結(jié)構(gòu)件柔性制造系統(tǒng)中，同一條生產(chǎn)線由同種類型的機床組成，這些機床在加工功能上彼此可替代，即使某臺機床出現(xiàn)故障依然可以保持所加工產(chǎn)品具有較高的批產(chǎn)能力。此外，不同柔性線的機床拓撲結(jié)構(gòu)和尺寸不同，在加工能力上彼此之間具有互補功能，彼此間通過物流系統(tǒng)靈活配合，從而確保柔性系統(tǒng)具有小批量定制生產(chǎn)能力。

物流設(shè)備計算及布局優(yōu)化

物流系統(tǒng)是保障柔性生產(chǎn)系統(tǒng)物料流通的紐帶，其中物流設(shè)備數(shù)量既關(guān)系到前期建設(shè)投入成本又關(guān)系后期物料流通能力和運行效率，是物流系統(tǒng)建設(shè)關(guān)注的重點。車間整套柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中主要的物流設(shè)備包括車間AGV、柔性生產(chǎn)線RGV 以及中央立體庫堆垛機3 類。由于車間柔性生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)置了中央立體庫和線邊緩存庫相結(jié)合的二級緩存機制，中央立體庫堆垛機和車間AGV 沒有出貨節(jié)奏要求，其數(shù)量主要由中央立體庫轉(zhuǎn)運的貨量、車間工作時間及設(shè)備運行周期決定。

圖4 工作臺與通用工裝快速裝拆接口Fig.4 Rapid loading and unloading interface between table and tooling

圖5 飛機結(jié)構(gòu)件柔性制造系統(tǒng)示意圖Fig.5 Sketch map of flexible production system of the aircraft structural parts

設(shè)定t小時需要轉(zhuǎn)運的貨量為Q，每臺設(shè)備的運行周期為s，每臺設(shè)備的運輸量為q，那么堆垛機和AGV的數(shù)量都可以采用以下表達式進行計算：

式中，n為計算所得堆垛機或AGV的數(shù)量，k為冗余系數(shù)（k越大物流系統(tǒng)冗余能力越強，但成本也會增加，相應(yīng)AGV 調(diào)度復(fù)雜性增加），m為備用設(shè)備數(shù)量（根據(jù)平均維修及充電時間擬定）。

與AGV 和立體庫堆垛機不同，RGV 需要實時配合柔性生產(chǎn)線內(nèi)機床的加工任務(wù)，柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍由線內(nèi)RGV 的效率保證，線內(nèi)RGV 運行狀態(tài)成為整個柔性生產(chǎn)系統(tǒng)順利運行的關(guān)鍵。為保證柔性生產(chǎn)線內(nèi)部具有足夠的物流能力，進行RGV 數(shù)量規(guī)劃研究意義重大。為此，需通過算例仿真計算柔性生產(chǎn)線中不同數(shù)量加工設(shè)備對應(yīng)的最佳RGV數(shù)量。

設(shè)定柔性生產(chǎn)線共需要加工y個工件，RGV 從某臺機床取出加工成品并送入毛坯件過程時間為x分鐘，線內(nèi)共有w臺機床共用一臺RGV，每件工件所需加工時間不超過r小時（任意時刻查看w臺機床的剩余加工時間為0~60min 的隨機數(shù)）。該條柔性生產(chǎn)線設(shè)備平均空閑率可以在Matlab 中通過以下代碼算法進行仿真：

%定義單次RGV 延誤時間存儲器

M=zeros(1,y/w);

%定義延誤時間累加計算因子

N=ones(1,y/w);

%定義平均每臺機床需要加工零件數(shù)

for k=1:(y/w)

%定義w臺機床單次循環(huán)延誤計時器

T=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0…];

%生成每次查看w臺機床隨機結(jié)束時間

A= rand(w,1)×60r;

%對w臺機床結(jié)束時間進行升序排序

B=sort(A);

for i = 1:(y-1)

if B(i+1)-B(i)

%w臺機床延誤時間迭代算法

T(i+1)=x-(B(i+1)-B(i)); B(i+1)=B(i+1)+T(i+1);

else

T(i+1)=0;

end

end

%延誤時間集合

M(k)=sum(T);

end

%平均每次循環(huán)機床耽誤時間為

e=mean(M);

end;

那么單臺機床的平均每天的空置率可以表達為：

式中，e為所有機床單次查看平均空置時間，y為所需加工零件數(shù)量，w柔性線的機床數(shù)量，z為給定零件數(shù)量機床工作天數(shù)。

根據(jù)柔性線機床常規(guī)布局習(xí)慣，給定算例條件為：每項零件加工時間為2h 以內(nèi)隨即數(shù)，每臺機床每年總零件數(shù)約為4200 件，每天工作24h，分以下4 種情況討論柔性生產(chǎn)線機床的空置率：

（1）RGV 更換毛坯周期為4min，柔性生產(chǎn)線共有5 臺機床；（2）RGV 更換毛坯周期為4min，柔性生產(chǎn)線共有10 臺機床；（3）RGV 更換毛坯周期為2min，柔性生產(chǎn)線共有5 臺機床；（4）RGV 更換毛坯周期為2min，柔性生產(chǎn)線共10 臺機床。

根據(jù)仿真算例及式（2）可得機床在4 種條件下空置率情況如圖6所示。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，分別對比圖6（a）與圖6（c）、6（b）與圖6（d）可知，將RGV 運行周期減少一半，機床的空置率可大幅度降低，在1臺RGV 負責(zé)5 臺機床的情況下，空置率可降低52%，在1 臺RGV 負責(zé)10 臺機床的情況下，空置率可降低55%。分別對比圖6（a）與圖6（b）、圖6（c）與圖6（d）可知，當RGV 運行周期一定時，減少單臺RGV 覆蓋的機床數(shù)量可以降低機床空置率，但改善效果遠不如降低RGV 運行周期明顯。因此，在構(gòu)建柔性生產(chǎn)線時，為了提升數(shù)控機床的設(shè)備利用率，第一要務(wù)是降低RGV 的運行周期，其次是減少單臺RGV 的覆蓋的運輸范圍。

對于給定工作性能的RGV，其最大運行速度和加速度都有限制，為了降低運行周期只能縮短RGV運動的路程，因此盡量壓縮柔性生產(chǎn)線的長度是有效方法。其次，在給定長度的柔性生產(chǎn)線上，還可以盡量減少單臺RGV 的工作覆蓋范圍來提升線內(nèi)設(shè)備利用率。另一方面，制造企業(yè)總期望能在有限的空間上最大化柔性線的產(chǎn)能和設(shè)備利用率，從而形成最大利潤。綜合這些因素，圖7所示的單線–雙車–雙排機床布局將是柔性線最佳的方案。該方案中，柔性生產(chǎn)線占地空間利用率高，單臺RGV 覆蓋范圍得到控制，同時RGV 在線內(nèi)運行周期得到最大化壓縮。圖7所示的方案基本可以實現(xiàn)圖6（c）算例中RGV運行周期為2min，單臺RGV 覆蓋5臺數(shù)控機床的運送任務(wù)，針對算例給定加工任務(wù)，整條柔性生產(chǎn)線的空置率能夠被控制在1.73%。

圖6 不同機床數(shù)量及RGV運行周期時機床的平均空置率Fig.6 Average vacancy rate under different machine tools and RGV operating cycles

圖7 最佳的柔性線布局圖Fig.7 Optimal layout of the flexible line

結(jié)論

本文以構(gòu)建面向智能制造的飛機結(jié)構(gòu)件柔性生產(chǎn)系統(tǒng)為目標，對當前飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝流進行了深入分析，指出構(gòu)建飛機結(jié)構(gòu)件柔性制造系統(tǒng)的難點在于3 個方面：（1）零件變換裝夾，長時間占用柔性線裝卸位，柔性線加工過程管控難度大；（2）工裝量大，毛坯和成品存儲空間占比小，立體庫物流轉(zhuǎn)運能力受限；（3）零件進出和變換裝夾在裝卸站形成物流瓶頸。

針對上述難題，提出了二級分層裝夾布局模式、線邊緩存庫與中央立體庫相結(jié)合的零件存儲管理模式及設(shè)計通用工裝與可交換工作臺快速裝夾接口3 種措施結(jié)合的解決方法。在此基礎(chǔ)上，詳細描述了柔性制造系統(tǒng)的工藝布局及工作流程，對物流設(shè)備工作需求進行了分析，給出了中央立體庫堆垛機和車間AGV 的數(shù)量的基本計算方法。此外，還對柔性生產(chǎn)線節(jié)拍保障關(guān)鍵環(huán)節(jié)RGV 數(shù)量和布局進行了優(yōu)化研究，并提供了相應(yīng)算例說明，最終給出了柔性生產(chǎn)線的最佳布局方案，為面向智能制造的飛機結(jié)構(gòu)件柔性制造系統(tǒng)構(gòu)建提供重要理論指導(dǎo)。