姚小衛(wèi) 喬迎軍 王海平 劉 飛 趙玉龍

現(xiàn)代管理

航天地面設(shè)備制造型企業(yè)柔性制造方式探討

姚小衛(wèi) 喬迎軍 王海平 劉 飛 趙玉龍

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，長(zhǎng)治 046000）

針對(duì)多品種、變批量、快節(jié)奏的航天地面設(shè)備產(chǎn)品制造，簡(jiǎn)單闡述了柔性制造的基本原理、構(gòu)成和國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況及效果。并介紹了柔性制造涉及的成組技術(shù)、零點(diǎn)定位技術(shù)、信息化技術(shù)等關(guān)鍵組成，根據(jù)需求探討了相關(guān)技術(shù)結(jié)合可行性。提出了基于柔性制造思想的航天地面設(shè)備產(chǎn)品制造的改善思路和實(shí)施模型。國(guó)內(nèi)外多個(gè)企業(yè)應(yīng)用實(shí)踐表明，柔性性制造技術(shù)對(duì)航空、航天類(lèi)產(chǎn)品制造的綜合效益有明顯改進(jìn)，能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

柔性制造；成組技術(shù)；零點(diǎn)定位；融合

1 引言

隨著以數(shù)字化、信息化、智能化制造為標(biāo)志的新工業(yè)變革席卷全球，“德國(guó)工業(yè)4.0”、“美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等一系列有關(guān)先進(jìn)制造的政策與計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。面對(duì)機(jī)遇和挑戰(zhàn)，中國(guó)提出了“中國(guó)制造2025”規(guī)劃和具體要點(diǎn)，涵蓋航空航天裝備領(lǐng)域，鼓勵(lì)優(yōu)勢(shì)企業(yè)開(kāi)展柔性化訂制生產(chǎn)，增品種、提品質(zhì)、創(chuàng)品牌[1]。2016年，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司組織召開(kāi)了航天先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際研討會(huì)，進(jìn)一步落實(shí)“制造強(qiáng)國(guó)”規(guī)劃，籌備“航天制造2025”、“智能制造”等專(zhuān)項(xiàng)活動(dòng)[2]。

2 航天地面設(shè)備制造型企業(yè)面臨的問(wèn)題

面對(duì)機(jī)遇和挑戰(zhàn)，航天地面設(shè)備制造企業(yè)也積極提出了應(yīng)對(duì)措施。但隨著國(guó)家政策、總體市場(chǎng)環(huán)境的變化，航天地面設(shè)備制造型企業(yè)生產(chǎn)方式呈現(xiàn)出多品種、變批量、快節(jié)奏的典型特點(diǎn)，生產(chǎn)成本居高不下、質(zhì)量穩(wěn)定性不高、準(zhǔn)時(shí)化交付壓力越來(lái)越大，具體表現(xiàn)為：a.研制能力強(qiáng)，批產(chǎn)能力弱，生產(chǎn)模式為研制、批產(chǎn)混線(xiàn)生產(chǎn)；b.根據(jù)產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)，設(shè)立對(duì)應(yīng)的車(chē)間、工段，設(shè)備布局多采用機(jī)群式布局；c.短期內(nèi)不能形成多品種快速批產(chǎn)能力，生產(chǎn)管理多采用延長(zhǎng)工作時(shí)間、增加臨時(shí)外包方等方法滿(mǎn)足客戶(hù)需求；d.生產(chǎn)計(jì)劃頻繁調(diào)整，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)頻繁換產(chǎn)；e.生產(chǎn)準(zhǔn)備調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備常處于停機(jī)待產(chǎn)狀態(tài)，高價(jià)值的大型加工設(shè)備的利用率普遍低于行業(yè)平均水平；f.信息化建設(shè)不足、應(yīng)用不充分，基于傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)組織與管理不能適應(yīng)快節(jié)奏的多品種變批量的生產(chǎn)模式；g.生產(chǎn)一線(xiàn)、建設(shè)人員、操作人員、生產(chǎn)輔助相關(guān)人員常年加班加點(diǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作積極性不高。

另外，隨著國(guó)家軍民融合戰(zhàn)略、軍隊(duì)體制機(jī)制改革和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展等國(guó)家戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，軍事裝備領(lǐng)域更加開(kāi)放，準(zhǔn)入門(mén)檻不斷降低，國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)民營(yíng)企業(yè)不斷參與傳統(tǒng)領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中。而民用行業(yè)體制、機(jī)制靈活、市場(chǎng)化運(yùn)作能力強(qiáng)，尤其部分民用特種裝備類(lèi)企業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)好、制造能力強(qiáng)，使航天地面設(shè)備制造企業(yè)在外部合同履約能力、內(nèi)部生產(chǎn)成本管控上，都面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。面對(duì)現(xiàn)狀，企業(yè)急需探尋、改善制造方式，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，準(zhǔn)時(shí)交付。

3 柔性制造基本情況介紹

3.1 柔性制造的基本原理

柔性制造是適應(yīng)市場(chǎng)個(gè)性化、多樣化的需求，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的綜合性技術(shù)。柔性制造方式是在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)綜合應(yīng)用成組技術(shù)、精益生產(chǎn)（準(zhǔn)時(shí)化、自動(dòng)化）和計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)構(gòu)建的柔性制造系統(tǒng)。從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)布局劃分，柔性制造系統(tǒng)可分為柔性制造單元、柔性制造車(chē)間、柔性裝配線(xiàn)等等。

3.2 柔性制造應(yīng)用情況

3.2.1 國(guó)外應(yīng)用情況

上世紀(jì)八十年代末，為加快導(dǎo)彈的艙段及其它機(jī)加工件生產(chǎn)進(jìn)度，美國(guó)休斯公司規(guī)劃和建成一套柔性制造系統(tǒng)。沃特宇航公司投資1000萬(wàn)美元，完成一套柔性制造系統(tǒng)的建設(shè)，用以加工B21B飛機(jī)的精密零件。普·惠公司在用戶(hù)資金支持下，建成一套柔性生產(chǎn)線(xiàn)以加工噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、渦輪盤(pán)等典型零件；美國(guó)通用公司也在同時(shí)期構(gòu)建多個(gè)柔性制造系統(tǒng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的加工[3]。

為提高應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求和響應(yīng)市場(chǎng)變化的能力，英國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商羅爾斯·羅伊斯公司投資800萬(wàn)英鎊用4～5a時(shí)間分批建成16套柔性制造系統(tǒng)，用以生產(chǎn)渦輪、葉片、大機(jī)閘等零件。英國(guó)宇航公司分期分批新建和改建復(fù)合材料構(gòu)件、鈑金件的柔性生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線(xiàn)，建成集成化、一體化的柔性生產(chǎn)體系[3]。

3.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日臻成熟，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)開(kāi)始構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)，如某飛機(jī)零件加工的柔性制造系統(tǒng)，它由8臺(tái)臥式加工中心與檢測(cè)工作臺(tái)組成，可以加工600種不同的飛機(jī)零件（利用4個(gè)具有自動(dòng)導(dǎo)向的運(yùn)輸車(chē)完成零件的傳輸。兩個(gè)裝卸工作站采用托盤(pán)存儲(chǔ)與傳輸加工件）。

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)、綜合國(guó)力的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)民營(yíng)企業(yè)也快速應(yīng)用柔性制造技術(shù)。如針對(duì)個(gè)性化的批量定制生產(chǎn)的趨勢(shì)，徐工、三一、中聯(lián)重科，都建成了一批數(shù)字化柔性車(chē)間，使得整個(gè)制造過(guò)程更加柔性化，企業(yè)可以快速應(yīng)對(duì)市場(chǎng)變化。

4 航天地面設(shè)備制造企業(yè)柔性制造應(yīng)用探討

4.1 柔性制造涉及的關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 成組技術(shù)

成組技術(shù)是按照產(chǎn)品或事物的相似性，將性質(zhì)、結(jié)構(gòu)相似的劃為同類(lèi)項(xiàng)合并處理，以?xún)?yōu)化和減少解決問(wèn)題的方案，獲得經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大化，這種方法普遍應(yīng)用于多品種、中小批量產(chǎn)品的制造過(guò)程中[4]。成組技術(shù)符合柔性制造原理：a.設(shè)備柔性：按零件加工特點(diǎn)被安排在不同類(lèi)型成組加工單元中，機(jī)床加工的針對(duì)性強(qiáng)，換刀時(shí)間、組裝新夾具所需的時(shí)間和機(jī)床調(diào)整時(shí)間縮短；b.工藝柔性：成組加工體現(xiàn)了采用與加工某一零件組相對(duì)應(yīng)的設(shè)備組加工零件的能力；c.流程柔性：按流程要求設(shè)置各類(lèi)成組加工單元，屬于哪個(gè)流程就分配在成組加工單元中加工，提高設(shè)備加工的適應(yīng)能力；d.批量柔性：成組后可以使零件組的生產(chǎn)批量加大，改變單件小批量生產(chǎn)的困境，有利于提高生產(chǎn)效率。

4.1.2 準(zhǔn)時(shí)化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)

準(zhǔn)時(shí)化技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)源于豐田精益生產(chǎn)模式。精益生產(chǎn)是一種以最大限度減少企業(yè)生產(chǎn)所占用的資源和降低企業(yè)管理和運(yùn)營(yíng)成本為主要目標(biāo)的生產(chǎn)方式和業(yè)績(jī)改進(jìn)策略，同時(shí)又是一種改善的理念和文化[5]。

準(zhǔn)時(shí)化技術(shù)涵蓋準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)（JIT）、快速切換（SWED）、看板管理、節(jié)拍時(shí)間（Tack-time）、一個(gè)流生產(chǎn)、均衡生產(chǎn)等；準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)的核心生產(chǎn)管理組織模式是拉動(dòng)式生產(chǎn)，輔助目視化看板實(shí)現(xiàn)了“在必要的時(shí)間生產(chǎn)必要數(shù)量的必要產(chǎn)品”的目的，有效消除了生產(chǎn)過(guò)量的浪費(fèi)。

自動(dòng)化技術(shù)是用機(jī)器替代人工的相關(guān)技術(shù)，核心是“自動(dòng)化缺陷控制”，通過(guò)三個(gè)主要的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，即異常情況的自動(dòng)化檢測(cè)、自動(dòng)化停機(jī)、自動(dòng)化報(bào)警。

4.1.2.1 快速切換（SWED）的核心技術(shù)——零點(diǎn)定位

為減少機(jī)械加工中夾具（如臺(tái)虎鉗、墊塊、壓塊等）更換的輔助時(shí)間，實(shí)現(xiàn)夾具（包括產(chǎn)品）與機(jī)床之間的快速切換、精準(zhǔn)定位、可靠夾緊，逐步發(fā)展出零點(diǎn)定位技術(shù)。

某廠(chǎng)商的零點(diǎn)定位系統(tǒng)包括兩部分：零點(diǎn)定位系統(tǒng)（凹頭）和定位接頭（凸頭），零點(diǎn)定位系統(tǒng)通過(guò)大直徑高剛度的滾珠夾緊定位接頭，當(dāng)給零點(diǎn)定位系統(tǒng)通入一定壓力的液壓（氣壓）時(shí)，滾珠向兩側(cè)散開(kāi)，定位接頭可自由進(jìn)出零點(diǎn)定位系統(tǒng)；當(dāng)切斷壓力時(shí)滾珠向中心聚攏并鎖緊定位接頭。這兩部分之間的重復(fù)定位精度是0.002mm，同時(shí)提供5～30kN的夾緊力。零點(diǎn)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 零點(diǎn)定位系統(tǒng)示意

在產(chǎn)品加工前，只需將零點(diǎn)定位系統(tǒng)精確地安裝到機(jī)床的工作臺(tái)上，這樣零點(diǎn)定位系統(tǒng)中的每個(gè)定位系統(tǒng)的位置相對(duì)機(jī)床來(lái)說(shuō)都是確定的，然后在零點(diǎn)定位系統(tǒng)自帶的基準(zhǔn)板上裝配夾具及工件。在編制加工程序時(shí)可以將任何一個(gè)零點(diǎn)定位系統(tǒng)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，這就是“零點(diǎn)”，這些“零點(diǎn)”不會(huì)因?yàn)楦鼡Q工裝夾具或者更換工件而改變。零點(diǎn)定位系統(tǒng)應(yīng)用示意見(jiàn)圖2。

圖2 零點(diǎn)定位系統(tǒng)應(yīng)用示意

4.1.3 數(shù)字化制造

數(shù)字化制造是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體等基本技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合。數(shù)字化制造可以根據(jù)產(chǎn)品需求，快速匹配資源，進(jìn)行物料、技術(shù)、設(shè)備等分析、仿真和生產(chǎn)計(jì)劃構(gòu)建，以及產(chǎn)品快速制造的過(guò)程控制[6]。數(shù)字化制造的核心為設(shè)計(jì)、控制、管理三個(gè)過(guò)程的數(shù)字化。其中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)主要措施為制造設(shè)備數(shù)控化、技術(shù)文件電子化、現(xiàn)場(chǎng)管理可視化。

信息化是應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)去整合企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、設(shè)計(jì)、制造、管理等業(yè)務(wù)，及時(shí)地為企業(yè)的“三層決策”系統(tǒng)（戰(zhàn)術(shù)層、戰(zhàn)略層、決策層）提供準(zhǔn)確而有效的信息，以便對(duì)需求做出迅速的反應(yīng)，其本質(zhì)是加強(qiáng)企業(yè)的“核心競(jìng)爭(zhēng)力”。企業(yè)在生產(chǎn)當(dāng)中廣泛運(yùn)用信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。

4.2 航天地面設(shè)備制造企業(yè)柔性制造應(yīng)用模型

為適應(yīng)多品種、變批量、快節(jié)奏的生產(chǎn)特點(diǎn)，航天地面設(shè)備制造企業(yè)有必要進(jìn)行柔性制造模式的改造。結(jié)合以上論述，具體改進(jìn)思路為：a.對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品、專(zhuān)業(yè)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，建立面向產(chǎn)品或面向?qū)I(yè)的產(chǎn)品族或?qū)I(yè)族；b.根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn)確定選取生產(chǎn)特征；c.應(yīng)用成組技術(shù)論證、設(shè)計(jì)生產(chǎn)布局方式、產(chǎn)線(xiàn)配置、設(shè)備型號(hào)；d.按數(shù)字制造技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)換代，實(shí)現(xiàn)加工、檢測(cè)、裝配、試驗(yàn)自動(dòng)化； e.根據(jù)產(chǎn)品情況設(shè)計(jì)通用化、組合化的工藝裝置，并應(yīng)用零點(diǎn)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)品種間快速切換；f.應(yīng)用豐田精益生產(chǎn)準(zhǔn)時(shí)化技術(shù)（如看板管理、拉式生產(chǎn)），實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管理的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)；g.應(yīng)用豐田精益生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)，提升產(chǎn)品品質(zhì)；h.圍繞生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、計(jì)劃管理，配置必須的信息化管理軟件（ERP、MES），實(shí)現(xiàn)信息集成管理。航天地面設(shè)備制造企業(yè)柔性制造技術(shù)應(yīng)用模型見(jiàn)圖3。

圖3 航天地面設(shè)備制造企業(yè)柔性制造應(yīng)用模型

另外，在柔性制造方式的基礎(chǔ)上，引進(jìn)自動(dòng)化的物流設(shè)施、機(jī)械人、機(jī)械臂等相關(guān)輔助裝置，通過(guò)仿真分析、專(zhuān)家系統(tǒng)建設(shè)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用，使輔助裝置、加工設(shè)備具備一定的智能決策能力。因此，柔性制造是智能制造的基礎(chǔ)之一。

5 柔性制造應(yīng)用效果舉例

隨著全球化市場(chǎng)的形成和發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都越來(lái)越重視柔性制造的發(fā)展。制造柔性化已成為機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展的重要方向。實(shí)踐證明, 制造柔性化的效益是非常明顯的。如羅·羅公司發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)A320發(fā)動(dòng)機(jī)及CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的盤(pán)軸葉片零件，開(kāi)發(fā)了一個(gè)柔性生產(chǎn)單元，使渦輪盤(pán)的單件時(shí)間從5～6個(gè)月縮短為2個(gè)月，將來(lái)可進(jìn)一步縮短到1個(gè)月，使原需36臺(tái)機(jī)床才能達(dá)到的能力，現(xiàn)僅用16臺(tái)機(jī)床，配置每班10人（原配置36人）就能達(dá)到。國(guó)內(nèi)某飛機(jī)制造廠(chǎng)某制造單元通過(guò)柔性化改造，形成了多品種小批量柔性加工線(xiàn)，使單件產(chǎn)品效率平均提升40%，操作人員從12人減少到3人。

6 結(jié)束語(yǔ)

柔性制造是適應(yīng)市場(chǎng)個(gè)性化、多樣化的需求，提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。面對(duì)市場(chǎng)需求和挑戰(zhàn)，航天地面設(shè)備制造企業(yè)應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)，借鑒柔性制造思想，加快精益生產(chǎn)理念與傳統(tǒng)制造技術(shù)的深度融合，升級(jí)數(shù)字化技術(shù)、信息化技術(shù),構(gòu)建傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化為著力點(diǎn),實(shí)現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量、高效率、高效益發(fā)展。

1 楊箴立. 對(duì)工匠精神的思考[J]. 人力資源開(kāi)發(fā)，2018(8)：30

2 毛凌野. 2018年航天先進(jìn)制造技術(shù)國(guó)際研討會(huì)成功召開(kāi)[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用，2018(11)：72～73

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5 林德輝. 中聯(lián)重科實(shí)施精益生產(chǎn)的研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012

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Discussion on Flexible Manufacturing Mode of Aerospace Ground Equipment Manufacturing Enterprises

Yao Xiaowei Qiao Yingjun Wang Haiping Liu Fei Zhao Yulong

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046000)

In order to meet the needs of multi-variety, variable batch and fast-paced manufacturing of aerospace ground equipment products, based on understanding the basic principles, conposition, domestic and foreign applications and effects of flexible manufacturing, the key technologies involved in flexible manufacturing, such as the group technology, zero-point positioning technology and information technology etc., are discussed. After the feasibility of simultaneously applying the above-mentioned technologies is discussed in combination with requirements, the improvement ideas and implementation models of aerospace ground equipment product manufacturing are proposed from the concept of flexible manufacturing ideas. The application practices of many domestic and foreign enterprises have shown that flexible manufacturing technology has significantly improved the conprehensive benefits of aviation and aerospace product manufacturing, can ensure product quality, increase production efficiency and reduce production costs.

flexiblemanufacturing；group technology；zero pointpositioning；combination

TH186

C

姚小衛(wèi)（1982），高級(jí)工程師，機(jī)械制造設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)；研究方向：航天地面設(shè)備制造技術(shù)、工藝管理。

2021-03-26