楊 鋒，穆志國，范軍華，王帥邦

（中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089）

大型飛機的研制生產(chǎn)是體現(xiàn)國家綜合國力、先進制造技術(shù)能力的重要標(biāo)志，對于提高國防建設(shè)能力、國民經(jīng)濟發(fā)展水平、應(yīng)急救援能力等具有重要意義?！笆濉币詠?，在科研院所、飛機制造企業(yè)的持續(xù)探索與研究下，基于模型的設(shè)計（MBD）、基于數(shù)字量的裝配協(xié)調(diào)、測量輔助裝配（MAA）等一系列先進技術(shù)得以應(yīng)用，有力地提高了我國飛機制造技術(shù)能力。脈動生產(chǎn)線作為一種先進的、高效的飛機生產(chǎn)組織模式，在國內(nèi)外多個型號飛機的研制生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，為其產(chǎn)能提升、準(zhǔn)時化交付奠定了堅實基礎(chǔ)。但與國外相比，我國的大型飛機裝配脈動生產(chǎn)線還處于起步階段，在流程及站位設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)裝備、物料倉儲配套、生產(chǎn)線管控等方面水平依然較低，尚需立足國情進一步開展研究，不斷建設(shè)更高水平的數(shù)字化、柔性化、適度智能化的大型飛機總裝集成脈動生產(chǎn)線，助力國產(chǎn)大飛機產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展。

1 研究背景

20世紀(jì)中后期，歐美國家部分航空企業(yè)系統(tǒng)研究了飛機數(shù)字化裝配關(guān)鍵技術(shù)，并逐步形成了數(shù)字化移動和脈動生產(chǎn)線。波音公司在2000年建成了第一條飛機總裝配脈動生產(chǎn)線并應(yīng)用于阿帕奇武裝直升機的總裝配，洛·馬公司在2004年建成了F–35飛機總裝配脈動生產(chǎn)線，意大利的阿古斯特維斯特蘭公司在2011年建立了W–159武裝直升機的脈動生產(chǎn)線，空客公司在A320飛機的總裝配中也應(yīng)用了脈動生產(chǎn)線，使得生產(chǎn)周期縮短了45%、生產(chǎn)效率提高了35%，在質(zhì)量和成本控制上也取得了卓越成就[1]，如圖1所示。

圖1 國外飛機總裝配脈動生產(chǎn)線Fig.1 Foreign aircraft final assembly pulsation line

隨著脈動生產(chǎn)線理念的不斷引入以及良好的示范效應(yīng)，程濤[2]研究了數(shù)控定位器的設(shè)計，郭志敏等[3]研究了大部件調(diào)姿對接系統(tǒng)，為飛機大部件的對接提供了較好方法。嚴(yán)金鳳[4]基于某型號飛機總裝脈動生產(chǎn)線建設(shè)項目，研究了飛機總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃的詳細(xì)方法與過程。陳軍等[5]針對飛機總裝脈動生產(chǎn)線，探討了基于虛實映射環(huán)境的建模仿真和決策支持等技術(shù)對飛機生產(chǎn)線規(guī)劃、飛機裝配工藝以及物流配送和資源調(diào)度等的優(yōu)化方法。鄭諧[6]討論了遺傳算法在脈動生產(chǎn)線中的應(yīng)用，為解決脈動生產(chǎn)線的負(fù)載平衡問題提供了思路。萇書梅等[7]討論了智能制造技術(shù)在脈動生產(chǎn)線中的應(yīng)用。上述研究內(nèi)容對于我國大型飛機制造技術(shù)發(fā)展提供了研究思路，逐步突破了制約脈動生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)難點。在多個型號上，相繼建立了不同技術(shù)層次的總裝脈動生產(chǎn)線，但與國外相比，還存在生產(chǎn)節(jié)拍不均衡、配套裝備不健全、過程管控不清晰、自動化水平低等問題[8]，尚有較大的提升空間。國內(nèi)外飛機總裝配生產(chǎn)線特點對比如表1所示。

表1 國內(nèi)外飛機總裝配生產(chǎn)線特點對比Table 1 Comparison for characteristics of final assembly line home and abroad

“十四五”期間，國防現(xiàn)代化建設(shè)、國民經(jīng)濟的發(fā)展對于大飛機的生產(chǎn)制造效能提出了更高的要求，進一步推動脈動生產(chǎn)線的應(yīng)用及升級是滿足大飛機需求的必由之路。本研究結(jié)合大型飛機總裝集成脈動生產(chǎn)線的設(shè)計及應(yīng)用，對所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

2 關(guān)鍵技術(shù)

流程及站位設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)裝備、物料倉儲配套、生產(chǎn)線管控等是制約飛機總裝集成脈動生產(chǎn)線技術(shù)水平及效能的關(guān)鍵要素。站位設(shè)計方面應(yīng)確保各站位節(jié)拍的一致性以及飛機狀態(tài)的穩(wěn)定性，提高站位作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化；技術(shù)裝備方面應(yīng)加大數(shù)字化、自動化裝備的應(yīng)用，降低手工作業(yè)的比例；物料配套方面應(yīng)實現(xiàn)倉儲預(yù)警、配套、配送的自動化，減少缺件影響；生產(chǎn)線管控方面應(yīng)實現(xiàn)對人員、計劃、物料、現(xiàn)場等多維要素的集中管控，尤其是安全、質(zhì)量、進度態(tài)勢的管控[9–11]。

2.1 基于負(fù)載平衡的流程及站位設(shè)計

總裝配是實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)集成以及系統(tǒng)功能集成的環(huán)節(jié)，通常包括大部件對接及零組件安裝、系統(tǒng)管線成品安裝、系統(tǒng)功能試驗以及飛機特性測量4個環(huán)節(jié)。工藝流程設(shè)計是脈動生產(chǎn)線運行效能的核心，產(chǎn)量需求以及技術(shù)能力最終決定了站位的數(shù)量，脈動生產(chǎn)線站位設(shè)計的主要流程如圖2所示。

圖2 脈動生產(chǎn)線站位設(shè)計主要流程圖Fig.2 Main process of station design for pulsation assembly line

結(jié)合大型飛機部件結(jié)構(gòu)重量尺寸大，管路線纜成品種類多、數(shù)量多、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，系統(tǒng)功能試驗項目多、風(fēng)險大的特點，按照“條件優(yōu)先、最大并行、避免返工”的原則，設(shè)計了一種總裝配工藝流程，如圖3所示。

圖3 大型飛機總裝配工藝流程圖Fig.3 Large aircraft final assembly craft process

大型飛機總裝集成脈動生產(chǎn)線的站位數(shù)量取決于裝配節(jié)拍與產(chǎn)能需求，采用例比分析與理論計算相結(jié)合的方法，合理確定站位數(shù)量與轉(zhuǎn)站節(jié)拍的規(guī)劃。假設(shè)單架飛機的總裝生產(chǎn)周期為A個工作日，則飛機年產(chǎn)量與站位數(shù)量之間的關(guān)系為

式中，D為全年工作日；A為單架飛機生產(chǎn)周期；C為年產(chǎn)量；N為站位數(shù)量。

根據(jù)式（1），取全年工作日D=251，在A為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7的情況下（A1～A7為呈線性增大趨勢的正整數(shù)），N為N1、N2、N3、N4（N1～N4為呈線性增大趨勢的正整數(shù)）時，年產(chǎn)量C和站位數(shù)量N兩者之間的關(guān)系如圖4所示?？梢姡趩渭茱w機制造周期固定的條件下，隨著站位數(shù)量的增加，飛機年產(chǎn)量呈線性增加的趨勢；在站位數(shù)量固定的條件下，隨著單架飛機生產(chǎn)周期的減少，飛機年產(chǎn)量呈現(xiàn)增加的趨勢。

圖4 飛機產(chǎn)量和站位數(shù)量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between aircraft production and platform numbers

在實際生產(chǎn)過程中，隨著站位數(shù)量的增加，飛機轉(zhuǎn)站所耗費的時間逐步增加。因此，在理論計算的條件下，應(yīng)當(dāng)考慮到飛機轉(zhuǎn)站耗費時間和實際裝配工作時間之間的配比關(guān)系。假設(shè)飛機轉(zhuǎn)站所需時間為2d，實際裝配工作時間占生產(chǎn)周期的比例μ的變化關(guān)系為

式中，T轉(zhuǎn)站=2N，μ在N值為N1、N2、N3、N4時的變化趨勢如圖5所示?？芍?，當(dāng)站位數(shù)量一定時，隨著單架飛機生產(chǎn)周期的增加，μ逐漸增加；當(dāng)單架飛機生產(chǎn)周期不變時，隨著站位數(shù)量的增加，實際裝配時間占整體裝配時間的比例呈線性減小的趨勢，即有效作業(yè)時間減少，增加飛機裝配質(zhì)量的風(fēng)險。因此，在進行站位數(shù)量設(shè)置時，要綜合考慮總生產(chǎn)周期、年產(chǎn)量、有效作業(yè)時間、人員技能、產(chǎn)品成熟度、物料保障及時性等因素，實現(xiàn)站位、工序、人員負(fù)載的平衡。根據(jù)國內(nèi)外飛機總裝脈動生產(chǎn)線經(jīng)驗，一般連續(xù)工作裝配負(fù)載不應(yīng)低于75%[12]，脈動生產(chǎn)線負(fù)載平衡率按照式（3）計算。

圖5 裝配時間占整體裝配時間的比例μ的變化趨勢Fig.5 Change trend of assembly time cost proportion μ

式中，tt為單站位所需作業(yè)時間；n為總位數(shù)量；Ni為站位數(shù)量；M為轉(zhuǎn)站節(jié)拍。

2.2 基于自動化的關(guān)鍵裝備設(shè)計

結(jié)構(gòu)集成、系統(tǒng)集成、功能測試是大型飛機總裝配的3個典型環(huán)節(jié)，立足科學(xué)的工藝流程及站位任務(wù)分解，應(yīng)盡可能采取自動化設(shè)備完成相關(guān)工藝過程的實施，提高現(xiàn)場作業(yè)的準(zhǔn)時化與標(biāo)準(zhǔn)化，快速實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)及工藝過程更改的現(xiàn)場實施。飛機總裝配階段主要包括工作平臺類、部件對接類、系統(tǒng)安裝類、功能測試4大類關(guān)鍵裝備。根據(jù)其功能特性、使用特點，采用的設(shè)計原則為： （1）立足核心功能實現(xiàn)，關(guān)鍵裝備的設(shè)計應(yīng)首先保障其核心功能的實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上再疊加其他擴展性的功能。（2）采用集成化、模塊化的設(shè)計原則，裝備與裝備之間相互集成，功能與功能之間模塊化設(shè)計，重組裝備之間采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，提高裝配現(xiàn)場的整潔度和規(guī)范性。（3）以自動化為主，裝備以及產(chǎn)品的定位、調(diào)姿、安裝、連接以自動化手段為主，減少人為因素的影響。（4）兼顧可擴展性，大量定制化設(shè)計的關(guān)鍵裝備應(yīng)考慮在功能、機型上的可擴展性，尤其是使用頻次低、價值高的關(guān)鍵裝備。（5）具備狀態(tài)感知的能力，能夠?qū)嵤└兄b備的位置、運行狀態(tài)并具備狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳集中管控的能力，可移動裝備之間的互聯(lián)互鎖，提高裝備運行的安全性。

針對某型飛機的總裝配，其關(guān)鍵裝備具體實施方案如下。

（1）高集成工作平臺。大型飛機普遍具有大量的外部作業(yè)面，具有作業(yè)部位分散、距離地面高、人員及設(shè)備可達性差的特點，給操作人員帶來了較大的安全風(fēng)險。因此，應(yīng)采用空間精益布局的思想，針對大型飛機外部作業(yè)面設(shè)計高可靠性的工作平臺，在滿足人員設(shè)備可達性及產(chǎn)品協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對風(fēng)、電、網(wǎng)、信息化終端、測試設(shè)備等的高度集成，實現(xiàn)應(yīng)用終端就近布置，降低人員勞動強度。針對平臺的固定、移動部分應(yīng)采用互聯(lián)互鎖、精準(zhǔn)移動，實現(xiàn)對平臺的高安全性控制[13]。一種高集成工作平臺效果圖如圖6所示。

圖6 高集成工作平臺Fig.6 High-integration platform

（2）數(shù)字化裝配測量。大部件對接是大型飛機結(jié)構(gòu)裝配中技術(shù)難度最大、協(xié)調(diào)關(guān)系最為復(fù)雜、安全風(fēng)險最高的工藝過程，極大地影響著整機的裝配質(zhì)量與生產(chǎn)周期。近年來，大部件對接向著模塊化集成交付、多種材料復(fù)合應(yīng)用、基于功能的對接結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面質(zhì)量要求更高的方向發(fā)展[14]。因此，大部件對接應(yīng)采用數(shù)字化裝配測量系統(tǒng)，同時實現(xiàn)關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)在組件、部件、總裝環(huán)節(jié)的同步傳遞，實現(xiàn)部件的可靠性支撐定位、目標(biāo)對象的精準(zhǔn)測量、對接狀態(tài)的自主恢復(fù)、對接路徑的自動規(guī)劃、姿態(tài)調(diào)整的自動執(zhí)行，提高大部件對接的準(zhǔn)確性安全性[15]。某型飛機數(shù)字化裝配測量系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 某型飛機數(shù)字化裝配測量系統(tǒng)Fig.7 Digital assembly measure system

（3）管線自動化檢測。管路、線纜及成品附件的安裝調(diào)試是飛機總裝配的主要工作量，具有典型的手工作業(yè)特點，尤其是管路和線纜數(shù)量多、種類多、識別困難，管路氣密性和電纜導(dǎo)通、絕緣及阻抗測量質(zhì)量要求高、測量數(shù)量多、檢測部位分散，是大型飛機總裝配的瓶頸環(huán)節(jié)。針對目前現(xiàn)狀，管路線纜的安裝應(yīng)采用引入三維可視化引導(dǎo)技術(shù)，提高管線定位的效率與準(zhǔn)確性；管路線纜的檢測應(yīng)采用自動化檢測，實現(xiàn)氣密、應(yīng)力、通斷特性的快速檢測。圖8為一種管路線纜自動化檢測系統(tǒng)。

圖8 管線自動化檢測系統(tǒng)Fig.8 Auto-test system for tube and line

（4）系統(tǒng)功能集成測試。系統(tǒng)功能測試是飛機總裝配的核心環(huán)節(jié)，是通過外部監(jiān)視與激勵設(shè)備模擬飛機的各種工作狀態(tài)，對飛機上聲、光、電、氣、液等信號的采集與識別，驗證系統(tǒng)邏輯與系統(tǒng)安裝的準(zhǔn)確性、符合性。測試周期占據(jù)飛機總裝配周期的50%以上，具有專業(yè)技術(shù)強、測試項目多、串并行關(guān)系復(fù)雜、試驗風(fēng)險高的典型特點。面向大型飛機系統(tǒng)功能測試，應(yīng)采用集成測試?yán)砟?，實現(xiàn)監(jiān)視與激勵設(shè)備的在線統(tǒng)一管控、測試過程的自動化執(zhí)行、測試結(jié)果的自動識別與采集、故障的自主診斷與定位。圖9為一種系統(tǒng)功能集成測試系統(tǒng)。

圖9 系統(tǒng)功能集成測試系統(tǒng)Fig.9 Integrated test system for flight function

2.3 基于智能化的物料倉儲配送設(shè)計

大型飛機總裝配過程中所涉及的零件、標(biāo)準(zhǔn)件、材料達數(shù)千種、數(shù)十萬件，部分零件生產(chǎn)周期長、標(biāo)準(zhǔn)件采購周期長、材料儲存期短，缺件及廢補已經(jīng)成為制約飛機總裝配周期的主要瓶頸。同時，我國各型飛機普遍具有多品種、小批量的生產(chǎn)特點，不同狀態(tài)、不同架次之間的物料配套差異性大，無法實現(xiàn)批次性管理，進一步加大了物料配套的復(fù)雜性和難度。因此，實現(xiàn)脈動生產(chǎn)線的節(jié)拍化運行，必須提高物料倉儲配送的準(zhǔn)確性、及時性與高效性，實現(xiàn)智能化管控、精準(zhǔn)化配送，將傳統(tǒng)“集中存儲、即用即領(lǐng)、人工配送”的物料管控轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶畔⒃谄脚_、物料在工位、上班即開工”的目標(biāo)。基于智能化的物料倉儲配送系統(tǒng)設(shè)想如圖10所示。

圖10 一種智能物料倉儲配送系統(tǒng)設(shè)想圖Fig.10 An ideal map of intelligent material delivering and storing system

大型飛機總裝配為實現(xiàn)人員操作的可達性，各個裝配站位均設(shè)置有大型工作平臺，工作平臺既提供了充足的物料倉儲空間，又接近操作工位，成為物料倉儲與配送系統(tǒng)的良好載體。物料管理包含需求與庫房管理、配套與配送管理兩大部分，庫房管理方面應(yīng)立足信息化手段，采用二維碼標(biāo)簽進行物料的標(biāo)記，標(biāo)簽中植入物料的名稱、編號、數(shù)量、產(chǎn)地等屬性信息，進出料時僅通過掃碼槍即可快速識別物料的信息，實現(xiàn)需求捕獲、出入庫、庫房狀態(tài)、缺件預(yù)警等庫房信息的數(shù)字化、可視化管控。配套與配送管理方面，應(yīng)立足自動化手段實現(xiàn)分揀、配套的精準(zhǔn)化，實現(xiàn)自庫房到工位配送的自動化。圖11為一種信息化物料管理系統(tǒng)。

圖11 信息化物料管理系統(tǒng)Fig.11 Informationized material management system

針對某型飛機總裝配設(shè)計了一種智能化的物料管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括智能庫、垂直升降貨柜、智能存儲架、滾筒式輸送裝置以及庫房管理系統(tǒng)。對于支架、卡箍、夾布膠管等小型零組件采用智能庫，通過堆垛機實現(xiàn)物料的出入庫及揀選；對于螺栓、螺母、管夾等標(biāo)準(zhǔn)件采用標(biāo)準(zhǔn)化的垂直升降貨柜，通過貨盤網(wǎng)格實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的存儲、指示揀選以及計數(shù)；對于導(dǎo)管、線纜等大尺寸、異形物料采用智能存儲架，智能存儲架上為每一種物料定義獨立的儲存位置以及指示燈，當(dāng)揀選或儲存該物料時，指示燈亮起引導(dǎo)人員快速存?。晃锪系呐渌筒捎脻L筒式輸送系統(tǒng)，當(dāng)工位刷卡領(lǐng)料時，輸送系統(tǒng)自動將配套好的物料輸送至需求工位。圖12為一種自動化倉儲配送系統(tǒng)組成。

圖12 物料自動化倉儲與配送系統(tǒng)組成Fig.12 Composition of material auto-storing and delivering system

2.4 基于全要素的生產(chǎn)線管控系統(tǒng)設(shè)計

工藝規(guī)劃管理、生產(chǎn)計劃執(zhí)行、物料配送信息、過程數(shù)據(jù)監(jiān)控、工裝設(shè)備維護、人員資質(zhì)控制、生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)視等是大型飛機總裝集成脈動生產(chǎn)線管控的主要要素，也是決定脈動生產(chǎn)線生產(chǎn)進度是否可控、產(chǎn)品質(zhì)量是否受控、安全生產(chǎn)是否在控的關(guān)鍵要素[16]。因此，基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建生產(chǎn)線監(jiān)控決策平臺，圍繞人、機、料、管、環(huán)、法、測等生產(chǎn)全要素，構(gòu)建生產(chǎn)線研發(fā)管理平臺，針對自動化移動、定位、監(jiān)視等對象搭建設(shè)備控制平臺，實現(xiàn)對生產(chǎn)線進度及現(xiàn)場的管理、裝配工藝技術(shù)的管理、產(chǎn)品生命周期狀態(tài)的管理，提高全要素在產(chǎn)品生產(chǎn)過程的協(xié)同與控制，確保脈動生產(chǎn)線的節(jié)拍化運行與站位間產(chǎn)品狀態(tài)的控制。大型飛機總裝集成脈動生產(chǎn)線管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖13所示。

針對某型飛機總裝配，以SQCDP為管控要素，設(shè)計了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的生產(chǎn)線管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對人員資質(zhì)、物料配套、生產(chǎn)進度、成本質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等的管理。人員資質(zhì)方面，建立基于技能點的人員能力矩陣，動態(tài)展示人員能力清單及技能薄弱點，同時實現(xiàn)人員資質(zhì)的持續(xù)預(yù)警；針對物料齊套，實現(xiàn)管控系統(tǒng)與ERP、MES、標(biāo)準(zhǔn)件管理系統(tǒng)、成品管理系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)互聯(lián)，以AO/FO為單位，實施展示物料齊套狀態(tài)，為生產(chǎn)派工提供指導(dǎo)；針對生產(chǎn)進度，以裝配MES為數(shù)據(jù)源，實時顯示當(dāng)日開工情況、完工情況以及未完工清單，動態(tài)展示生產(chǎn)計劃的偏離情況；針對成本質(zhì)量，實現(xiàn)對不合格品、廢損、廠房折舊、風(fēng)水電氣消耗的可視化展示；針對設(shè)備狀態(tài)，通過設(shè)備控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等顯示設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，保證設(shè)備的安全可靠。該生產(chǎn)線管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖14所示。

3 結(jié)論

大型飛機總裝集成脈動生產(chǎn)線作為提高大型飛機生產(chǎn)效率、質(zhì)量、安全及管控能力的重要途徑，是滿足我國日益增長的大型軍民用飛機需求的必由之路。本研究提出并總結(jié)了一套大型飛機脈動生產(chǎn)線設(shè)計、實施及運營的理論方法，并對所涉及的工藝流程及站位、關(guān)鍵裝備應(yīng)用、物料配套與配送、全要素管控4個方面進行了重點論述，提出了可應(yīng)用實施的具體措施。同時，也為后續(xù)建設(shè)更高水平的具有數(shù)字化、智能化特點的大型飛機智能化生產(chǎn)做出一定探索。