2024-10-24 智能脉动式装配生产线
飞机装配是飞机制造过程中最为重要的环节之一，其装配技术和装配质量直接影响到产品的性能及可靠性。随着我国航空工业高速发展，传统机库式装配模式由于装配效率低、劳动强度大、作业管理困难，无法满足现代飞机装配周期短、节奏快、精度高的生产作业需求。由于机库式装配存在的种种问题，飞机制造业逐渐引进脉动生产线这一最新装配方式，脉动式装配生产线逐渐成为目前飞机产品装配过程中最常见的生产线组织模式。 「 1. 脉动式装配生产线的概念及特点 」 飞机脉动式装配生产线最初从Ford公司的移动式汽车生产线衍生而来，是通过设计飞机装配环节中的各个流程，完善人员配置与工序过程，把装配工序均衡分配给相应作业站位，让飞机以固有的节拍在站位上进行脉冲式移动，操作人员则要在固定站位完成飞机生产装配工作。脉动装配生产线还可以设定缓冲时间，对生产节拍要求不高，当生产某个环节出现问题时，整个生产线可以不移动，或留给下个站位去解决，当飞机的装配工作全部完成时，生产线就脉动一次。整条生产线由4部分组成：脉动主体、物流供给系统、可视化管理系统、技术支持。 （1）脉动主体：站位设施、对接定位设备、可移动的装配设备等。 （2）物流供给系统：AGV车、完备的配套和配送系统。 （3）可视化管理系统：现场可视化系统、ERP与MES无缝融合的信息管理系统、工作现场的固定和移动终端。 （4）技术支持：质量保障、生产现场问题应急处理。 脉动式的装配方式改变传统飞机装配的生产模式，有效缩短了生产周期、提高了装配的质量和效益。与传统装配模式不同，飞机脉动装配生产线具有以下特点： （1）生产具有明显的节奏性。用户需求和产能决定脉动装配线的迁移速度，生产线要做到均衡生产，并按设定的节拍完成脉冲式移动，装配过程流畅，不会产生挤压或脱节。 （2）工位专业化程度高。飞机脉动式装配线将指令分配至各站位，站位内仅完成固定指令的操作，生产线分工明确细致，工作量单一重复，生产效率比较高。 （3）装配进度易于掌握。各个站位工作小组要在限定节拍内完成相应的装配任务，飞机装配进度可通过飞机所在站位位置来获知。 （4）自动化程度高。生产线上配备了专业的自动化设备和先进的供给线，有效降低了生产过程中人为的误差。 图1为美国F-35飞机的脉动式装配生产线场景。 图1 F-35脉动式装配生产线 「 2. 智能脉动式装配生产线技术应用 」 在脉动式装配生产线的初始设计过程中，以飞机总装配的年产量需求，设计脉动式装配生产线的节拍，并对各个站位的工作内容进行划分。脉动式装配生产线可设置多个站位，如图2所示，各站位的主要任务分别为：部件对接、机械系统安装；特设系统安装；系统试验；通电联试；交付等。同时，生产线的基础设施配备有先进的数字化对接调姿设备、激光跟踪仪测量设备、整机线缆检测设备、智能工具柜等，为生产线智能制造技术的应用奠定了基础。总装脉动生产过程中智能制造技术的应用，依托于数字化、信息化软硬件平台环境，满足智能制造的发展目标。 图2 脉动式飞机总装生产线示意图 1）生产线智能管控系统 在实际应用过程中，广义的企业智能管控业务主要由企业的ERP、PLM、SCM和MES系统等共同完成市场分析、经营计划、物料采购、产品制造以及订单交付等各环节的控制与决策。对于飞机总装生产线来说，生产线智能管控系统以主生产流程模型为驱动，以多源信息感知网络采集的数据为输入，通过计划自动分解与下达、调度派工管理、装配现场管理、物料管理、工具管理、设备管理、人员管理和质量管理等一系列功能，使总装现场能够按照订单要求有序运行。通过该系统，企业决策者能够掌握企业自身的生产能力、生产资源以及所生产的产品，能够调整产品的生产流程与工艺方法，并能够根据市场、客户需求等动态信息做出快速、智能的决策。 2）物料精准配送系统 为了保障总装脉动生产线平稳顺畅运行，总装车间物料精准配送系统必不可少，如图3所示。系统硬件主要包括物品吊装机构、物料运输小车、装配执行机构、手工作业机构、物料分拣装置等。系统运行过程中，以物料配送主流程模型为驱动，以生产管控系统数据为输入，通过物料配送系统实时自动监控管理，实现物料仓储补给、现场配送预警，保证生产线物料按需、定时、定点精准配送。在物料标识方面，系统首先对各个产品及流动辅助物体贴上可识别的RFID码，然后采用条码自动读写硬件技术将条码符号所代表的数据转变为计算机可读写数据，形成物料与计算机之间的数据通信。 图3 物料精准配送系统流程图 3）智能工具管理系统 飞机总装作业工具的使用数量大、种类多，对工具状态信息有效管理可极大节省人力、物力。飞机总装生产中通过利用RFID技术开发智能工具管理系统。系统可使借还人通过身份识别打开工具柜。在对工具进行借用时，工具表面粘贴有RFID识别标签，经阅读器处理分析将结果传输至计算机，因此免去了以手写登记的方式记录工具借存状态的环节。同时也对工具的清点定位起到重要作用，在查找遗忘、丢失工具时，工具的主动式ID可发出信号，通过使用检测设备进行扫描定位，可以快速、准确地找到丢失工具。 4）飞机部件智能装配系统 飞机部件智能装配单元是飞机总装智能生产中不可或缺的组成部分，智能装配单元以部件装配和检测仿真模型为驱动，以激光跟踪仪测量数据为输入，采用大部件对接误差实时测量与自适应控制系统，实现部件数字化装配与测量的闭环工作模式。在飞机智能总装生产线中包含智能柔性工装系统、智能自动钻铆系统、智能机器人系统、智能对接装配系统等，通过各个智能装配单元之间相互联系、相互配合，最终可建设形成高度集成的智能生产线。 5）飞机装配生产线智能健康监测 生产线健康监测管理是通过对设备运行状态的监控、诊断、预测和维护来管理设备，以保证设备利用率能够达到最大值。由于设备在装配过程中随着不断地生产加工，其磨损和腐蚀程度也会随着不断递增，若没有采取相应的设备维护，则该设备有可能会进一步衰退甚至会发生故障。因此，对设备的预测在设备健康管理中占据重要的支撑地位，其主要内容包括预测设备的健康等级、剩余使用寿命以及需要维护的时间节点等，通过及时向企业生产人员以及管理者发出预防警告，从而在由于设备故障造成装配线停机之前，尽可能将企业发生的损失降到最低，控制企业设备维护成本，提高生产效率。 利用各种传感器和数据处理方法对自动化装配设备的健康参数数据采集，实现对装配设备健康参数的实时感知；通过对设备状态、设备特征运行参数及设备运行指标等信息的分析，对采集到健康特征参数进行数据处理、数据规范，实现对故障参数化描述，由故障的参数化描述导出故障的风险度评价模型，对设备健康状态进行求解，并对设备健康状态进行定量化描述；对自动化装配设备故障发生规律建立数学模型，将设备健康指数进行回归拟合，建立设备健康指数评价公式，实现基于健康指数对设备健康状态进行综合评价，实现对自动化装配设备的全生命周期管理，从而将传统的事后维修转变为事前维修，实时监控设备健康状态，维护设备的安全性、可靠性，节约维修保障成本，保证生产线的产品质量与生产效率。 「 3.脉动式装配生产线的发展趋势 」 脉动装配生产线很好地继承了汽车移动式生产线的思路，在飞机制造企业实现成功应用并取得了一系列成果经验；因此，其他领域的军工生产企业对脉动装配生产线开始深入研究，在航空工业的多个领域扩展了脉动式装配生产线的应用。主要有以下4个方面的发展： （1）从飞机向其他产品发展。波音公司最先尝试把脉动装配线引入到军工产品制造的其他领域。2008年波音为美国军方新一代GPS制造卫星建成了脉动装配线，尽管总共只承担了12颗卫星的制造任务，而仅仅在第4颗星的制造才能用上脉动装配线，但是波音还是在极小批量、极复杂的产品生产中，成功地运用了脉动装配线。法国的斯奈克玛（Snecma）公司改变了传统的继承GE在立式固定机架上“穿糖葫芦”式的总装过程，在2011年实现了CFM56发动机的脉动装配，减少装配周期35%，这条脉动装配线也将用于LEAP发动机的装配。巴布科克国际（Babcock International）在生产豺式巡逻车中采用了由12个站位组成的脉动生产线并配有脉动生产管理系统，达到日产1辆的水平。脉动装配线在军工制造领域的广泛应用，彻底打破了航空和复杂军工生产不能采用流水线生产的制约，为发展航空工业的生产力提供了无限的可能。 （2）从总装向部件延伸。最近两年关于飞机部件装配采用脉动生产线的报道逐渐增多，并且有部件脉动式装配生产线优先于总装配线建设的趋势。如在生产C-17运输机的发动机悬架时，采用脉动式装配生产线减少装配周期20%，降低成本10%。波音787复合材料结构的水平尾翼和垂直尾翼的脉动生产线、空客A350的复合材料机身蒙皮壁板的脉动生产线也陆续投入使用。因为部件采用脉动装配时受企业外部供应链影响较小、易于成功、见效快，也成为近来部件脉动装配生产线发展较快的原因。 （3）从制造向维修延伸。2003年英国空军和英国宇航BAE引入脉动线使“鹞”式飞机的修理和维护周转时间减少到75%，节省成本的25%，显著地提高了飞机的出勤率。2005年美国波音公司在进行KC-135运输机的返厂维修中，使用脉动生产线将维修周期减少了18%，从而获得了美国的精益优秀奖。德国汉莎航空于2010年建成CFM/V2500发动机的精益脉动线进行发动机的分解、检修和重装，大修周期从60多天减少到45天。另外英国在维修“阿帕奇”直升机中，也采用了脉动线。航空产品的修理和维护是手工作业最多、不确定性最严重的领域。在飞机和飞机发动机的修理和维护中采用脉动式装配线是航空工业特有的创新。 （4）向自动化、集成化发展。最近10年航空制造技术，特别是基于MBD模型的数字制造技术有了突破性发展。MBD模型在产品全生命周期的贯彻，简化了制造、测量和检验、数据采集的过程，更有利于智能化和自动化设备的利用。现行的脉动装配线的装配过程仍然以手工为主。从汽车生产自动化移植到飞机制造的集成装配线（IAL）是目前最先进的飞机制造技术。集成装配线IAL实际上就是一种自动化、智能化的脉动装配线。它最大化地使用机器人和自动化设备，为飞机生产提供更加强大的制造和装配能力，实现用手工方法很难达到的严格质量要求，并提供了一个更有效率的装配环境。集成装配线包括自动化的装配工装系统、运输系统和制造系统，对全部设备通过工厂的通讯系统进行集中的和无线的控制。IAL的核心是一组精确制导的自动引导车AGV，它将装配的构件、工具和其他一切必要的准备从一个工作站移动到下一个。2012年4—10月，F-35的大部件分包商诺斯罗普·格鲁门和BAE分别宣布了它们的集成装配线开始运行，并开始交付在IAL生产的中机身和后机身部件。2013年F-35的水平尾翼和垂直尾翼的组装也将在IAL上进行。IAL成为美国达到每天生产一架F-35的不可缺少的措施。 「 4.对脉动式装配生产线发展的思考 」 脉动式装配生产线是建立在精益制造、柔性制造、智能制造等现代先进制造理论和管理思想基础上的，在飞机生产中采用脉动式装配生产线是世界主流的发展趋势，也是我国飞机制造技术发展必须经历的阶段。从理论上说，传统的大规模生产过细分工的装配线是不适合构型变化多端的飞机生产的，解决这一矛盾的主要方法是：采用精益制造原则和方法；将装配作业均衡地分解到适当规模的不多的几个站位上完成；采用柔性化和大规模定制生产方式和生产设备。 因此，采用脉动式装配生产线会产生一种新的生产模式，如建立总装按一定节拍拉动整个企业活动的新的生产秩序。整个企业在总装配生产的拉动下，精准、高质量的协同工作；形成尽可能减少浪费、高效率、高增值比的工作过程，使飞机装配周期大幅度缩短，成本得到有效控制；简化整个企业的计划管理和生产现场排序，使管理人员有更多的精力保证部门之间的协同和去处理例外问题；装配作业采用标准化工作、自主的质量保证制度，比传统总装方式工人分工较细等，提高了整个企业各个环节的工作质量。 国内飞机制造企业建立和应用脉动式装配生产线任重道远，其应用环境和建线时必须注意的几个问题： （1）生产大纲明确。对前途不明朗和生产任务不确定的型号，不宜建立装配线。波音717就出现对需求量预测不正确而下马，总装配线只运行了不到一年的时间。 （2）飞机的总产量与建立脉动式装配生产线的周期和成本要平衡。建线需要周期，花费成本，装配线刚建成飞机就停产了，显然建线就没有意义。波音的卫星脉动生产线仅仅用来建造12颗星，但是每颗星的建造周期长；P-8A海上预警机总产量也就100架左右，波音都为它们建立了移动装配线。实际上，在确定建线之前都经过很长时间的论证和权衡，洛克希德·马丁公司在2002年为能否采用脉动装配进行了长达8个月的争论。 （3）有精益制造的思想和技术。建立脉动式装配生产线最大的问题是企业需要有较好的精益制造的基础，企业领导班子有对精益思想理解和信仰。必须有应用各种精益方法的积累，如拉式计划管理、均衡生产、单件流、价值流分析、标准化工作、JIT配送、精益的自主质量管理方式等。 （4）解决好脉动式装配生产线设计的技术问题。脉动式装配生产线的建设是一个复杂的制造系统设计的项目。从价值流分析、新系统设计、到部装分支的建设以及配套的可视化和信息化等，是一个涉及整个企业的系统工程。需要预先规划好，不要陆续的“补课”。 （5）注重飞机装配线的全局性。脉动式装配生产线不是总装车间或分部自己的事，而是整个企业的生产管理和运作方式的变革。不能靠一个部门冷冷清清的建设，而是由整个企业的意志和协同精神所支撑。 （6）做好脉动总装与脉动部装的权衡。目前来看世界各国多数采用的是脉动式总装线，他们都具备完善的全球供应链，可以很好地运行脉动总装线；而国内的成品件、原材料等供应环节不够完善。中国航空企业在介入脉动式装配生产线时，不妨从相对容易实现的脉动部件装配线入手。
