某航天產(chǎn)品裝配單元參數(shù)化設(shè)計及評估

合肥工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院 姜 康 王 婷 賈 坤

上海航天精密機(jī)械研究所 王 磊

傳統(tǒng)的某型號航天產(chǎn)品裝配模式，存在著串行周期長、反復(fù)檢查耗時多、人員分配不合理等問題。且當(dāng)前的裝配流程作業(yè)方式，適合于型號產(chǎn)品樣機(jī)試制階段，此階段交付任務(wù)相對較少，能夠滿足任務(wù)要求。但是，在定型批量生產(chǎn)任務(wù)的情形下，與生產(chǎn)節(jié)拍嚴(yán)重不協(xié)調(diào)的問題突顯，難以實現(xiàn)既定生產(chǎn)目標(biāo)。

同時，傳統(tǒng)的此類航天產(chǎn)品裝配工藝流程設(shè)計，大部分采用二維方式下的手工設(shè)計方法。此方法耗費大量的人力、物力，規(guī)劃周期長，直觀性差。尤其當(dāng)工藝數(shù)據(jù)改變時，更改工作量大。

王志東等[1]通過單元建設(shè)手段，從工藝合理性和并行作業(yè)等方面對發(fā)動機(jī)裝配流程進(jìn)行優(yōu)化，提高了發(fā)動機(jī)批產(chǎn)交付的能力。喬桂秀等[2]致力于研究基于XML的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來促進(jìn)信息的整合與交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動下的模型自動生成以支持供應(yīng)鏈的最優(yōu)化。Roberto F· Lu等[3]將美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所制定的基于XML的通用原型仿真數(shù)據(jù)規(guī)范，運用到波音公司的機(jī)翼生產(chǎn)線模擬過程中，填補(bǔ)了交換可重復(fù)使用仿真數(shù)據(jù)的空白。本文借鑒單元制造模式思路，研究基于三維仿真的某航天產(chǎn)品裝配單元參數(shù)化設(shè)計問題；同時為了更好地提高仿真模型中數(shù)據(jù)的可重復(fù)利用性[4]，采用XML跨平臺數(shù)據(jù)交換技術(shù)，實現(xiàn)在QUEST環(huán)境下仿真模型的快速自動生成。

1 裝配流程分析

1.1 典型裝配工藝及單元劃分

某航天產(chǎn)品總裝是指在配套完成后，由工人圍繞固定工位(裝配工裝)進(jìn)行各個艙段對接裝配，并進(jìn)行性能測試的整個過程。典型的工藝流程及工時分配如圖1所示。

目前的裝配工藝采用了典型的串行工作方式，其裝配流程較長，導(dǎo)致整個生產(chǎn)周期長。通過對裝配工藝的分析發(fā)現(xiàn)，主要有以下3個方面制約裝配產(chǎn)能的因素：

(1)串行工作方式，效率較低。目前的裝配流程采用串行方式，部分零件在裝配結(jié)束后需冷卻1～2天才能進(jìn)入下道工序，裝配周期長、效率低。

(2)反復(fù)檢查次數(shù)多，測試時間長。產(chǎn)品裝配在準(zhǔn)備階段，需要對裝配件的外觀、多余物等進(jìn)行反復(fù)的檢查、核對，開工等待時間較長。

圖1 裝配工藝流程及工時分配Fig.1 Assembly general process and working hours distribution

(3)人員調(diào)配不合理，勞動生產(chǎn)率低?，F(xiàn)有生產(chǎn)模式采用“雙崗責(zé)任制”，且串行的生產(chǎn)模式，容易造成“人等工作”的資源浪費現(xiàn)象。

1.2 物流配送特點

結(jié)合某航天產(chǎn)品整個裝配流程分析發(fā)現(xiàn)，目前的物流配送方式以人工搬運為主。

(1)體積小、重量輕的裝配件，通常采用人工搬運至下道工序。

(2)體積較大、重量較重的裝配件，采用人工搬運至指定機(jī)械轉(zhuǎn)運設(shè)備，再由人工拖運轉(zhuǎn)運設(shè)備至下道加工工序。

對于產(chǎn)品裝配過程中的零部件，精密性要求極高，人工搬運風(fēng)險大，且容易因工人誤操作或意外情況損壞裝配件；搬運部分較重零件時，工人勞動強(qiáng)度大，不符合人機(jī)工程學(xué)中關(guān)于人的疲勞程度、勞動效率的要求。

目前的某型號航天產(chǎn)品裝配模式，在單件研制生產(chǎn)時能夠滿足交付需求。但在交付任務(wù)較多的批產(chǎn)模式下，因物流轉(zhuǎn)運過程耗時長，導(dǎo)致物流配送與生產(chǎn)節(jié)拍嚴(yán)重不協(xié)調(diào)，很難滿足批生產(chǎn)的需求[1]。

2 裝配單元參數(shù)化模型的構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)模型的建立及描述

為實現(xiàn)與產(chǎn)品設(shè)計并行的工藝設(shè)計、三維裝配仿真一體化，構(gòu)建了裝配單元的參數(shù)化數(shù)據(jù)模型，其包含生產(chǎn)計劃、資源模型、工藝參數(shù)、工藝邏輯、物流參數(shù)、仿真結(jié)果等內(nèi)容，其邏輯關(guān)系如圖2所示。

(1)生產(chǎn)計劃：擬定目標(biāo)產(chǎn)能，確定整個裝配車間的生產(chǎn)節(jié)拍。

(2)工藝邏輯：主要實現(xiàn)不同工序間的串、并行作業(yè)方式調(diào)整。

(3)資源模型：管理制造資源信息，并可進(jìn)行位姿參數(shù)化調(diào)整。

(4)物流參數(shù)：調(diào)整物流輔助設(shè)備運行速度等，使物流配送與生產(chǎn)運作趨于統(tǒng)一。

(5)工藝參數(shù)：進(jìn)行加工時間、人員數(shù)量等調(diào)整，實現(xiàn)動態(tài)布局下的方案優(yōu)化。

(6)仿真結(jié)果：直觀顯示仿真結(jié)果，為下一步布局調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。

同時，采用XML規(guī)范建立模型數(shù)據(jù)接口。XML能夠以人和機(jī)器可識別的方式記錄文件信息，具有良好的跨平臺數(shù)據(jù)交換能力。存在幾種不同機(jī)制實現(xiàn)XML文件內(nèi)容定義，反之，也使自動檢查XML文件內(nèi)容成為可能[5]。本文用XML描述變量，部分?jǐn)?shù)據(jù)形式如下：

其中，Start1標(biāo)識某一工序名稱，Process_Time定義工序時間，Input、Output分別定義零件的輸入和輸出內(nèi)容。

2.2 仿真模型的動態(tài)生成

圖2 裝配單元參數(shù)化數(shù)據(jù)模型Fig.2 Parametric data model of assembly unit

DELMIA/QUEST是一款較成熟的三維數(shù)字化物流系統(tǒng)仿真環(huán)境，它是柔性的、面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真工具[6]，能夠?qū)ιa(chǎn)工藝流程的準(zhǔn)確性與生產(chǎn)效率進(jìn)行仿真和分析。為實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程從設(shè)計到方案確定的可視化仿真分析，本文利用XML轉(zhuǎn)換成不同格式目標(biāo)文件的能力，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動下三維仿真模型的自動生成。具體流程如圖3所示。

圖3 物流參數(shù)化實施過程Fig.3 Implementation process of logistics parameterization

其中，雙向箭頭方向表示數(shù)據(jù)的存儲與索引，虛線箭頭表示從模型參數(shù)化配置界面到QUEST環(huán)境下自動生成模型的流程。可以通過Excel或Access方式，將相關(guān)數(shù)據(jù)自動錄入到參數(shù)化配置界面中；通過可擴(kuò)展的標(biāo)記語言XML實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動讀取，借助XML解析器生成BCL(Batch control language)和SCL(Simulation control language)文件，DELMIA/QUEST可以執(zhí)行上述文件，從而快速自動生成三維仿真模型。

在模型參數(shù)化配置界面中，可以修改工藝時間，改變工序的串、并行工作方式，增減裝配設(shè)備的數(shù)量，調(diào)整設(shè)備位置等。通過XML重新讀取修改后的數(shù)據(jù)內(nèi)容，生成QUEST可以執(zhí)行的BCL/SCL文件格式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動下的模型快速自動生成。

3 裝配單元的劃分與評估

3.1 裝配單元劃分流程

整個航天產(chǎn)品裝配單元的劃分，是一個不斷迭代、進(jìn)行優(yōu)化選擇的過程。具體過程如圖4所示。

去年，也就是2017年，巴塞爾展剛剛慶祝了其100周年誕辰。才過去一年多，其最重要的參展商斯沃琪集團(tuán)要退出，無疑對巴塞爾展是一記沉重的打擊。

實施產(chǎn)品裝配單元劃分需在保證質(zhì)量的前提下進(jìn)行，初始劃分階段主要內(nèi)容如下：

(1)獨立子單元劃分：獨立子單元是能夠并行工作的流程。為最大限度地減少裝配等待時間，將可以并行的工作劃分為獨立子單元，實行并行作業(yè)方式。

(2)人員動態(tài)分配：劃分子單元后，由“雙崗制”原則結(jié)合人員最小需求方法，確定人員數(shù)量，有效減少人員閑置和資源浪費。

(3)工藝組件分配：獨立子單元中，將幾個內(nèi)容相近、位置靠近的工序組合成一個新的“工藝組件”。

圖4 裝配單元劃分流程圖Fig.4 Flowchart of assembly unit division

(4)物流輔助設(shè)備：工藝組件分配完成后，根據(jù)實際生產(chǎn)狀況合理安排物流輔助設(shè)施，提高物流配送和人員操作效率。

(5) 評價指標(biāo)：通過目標(biāo)產(chǎn)能、生產(chǎn)節(jié)拍、阻塞情況，以及裝配協(xié)調(diào)性、并行度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度、裝配工作量等方面[7]，對初始裝配單元劃分結(jié)果進(jìn)行評估。

對于需按順序進(jìn)行的串行裝配流程，定義為連續(xù)子單元，并按一定原則劃分為幾個相對獨立的單元。若企業(yè)改進(jìn)工藝流程，改變串、并行作業(yè)模式，進(jìn)行人員動態(tài)調(diào)整，可借助QUEST仿真軟件中的BCL語言實現(xiàn)。

3.2 確定生產(chǎn)節(jié)拍

式中，s為1個工作班的理論工作時間；γ為時間利用率；g為每日工作班數(shù)；α為工人勞動出勤率；d為每月計劃工作日(天)；V為企業(yè)年度計劃生產(chǎn)產(chǎn)量(發(fā))；β為生產(chǎn)線生產(chǎn)能力儲備系數(shù)。

4 基于三維仿真的單元化裝配能力分析

4.1 參數(shù)化配置界面

本文以某型號航天產(chǎn)品裝配工位設(shè)計為對象，通過在QUEST三維仿真環(huán)境下交互式的實現(xiàn)每一步操作，驗證裝配單元劃分效果。圖5為該系統(tǒng)的人機(jī)界面。

圖5 物流模型參數(shù)化配置界面Fig.5 Parameterization configuration interface of logistics model

現(xiàn)將整個裝配流程的工藝參數(shù)、物流參數(shù)、場景模型等信息，輸入到參數(shù)化配置界面中，自動生成三維環(huán)境下物流仿真裝配單元設(shè)計方案1(見圖6)。從圖7對應(yīng)的工人利用率圖表中發(fā)現(xiàn)，部件1工人(預(yù)緊)和部件1、部件2檢查工人的利用率均較低，需進(jìn)一步調(diào)整。

圖6 QUEST環(huán)境中方案1三維布局Fig.6 3D layout of scenario 1 in QUEST

圖7 方案1工人利用率Fig.7 Worker utilization of scenario 1

4.2 方案改進(jìn)與分析

改變傳統(tǒng)手動式的直接在物流仿真模型中更改相關(guān)參數(shù)，本文借助參數(shù)化配置界面實現(xiàn)串、并行工藝邏輯、設(shè)備數(shù)量、布局位置等內(nèi)容的調(diào)整。針對方案1中部件1(預(yù)緊)和部件1、部件2檢查工人利用率不高，進(jìn)行調(diào)整。

(1) 部件1、部件2的成品裝配區(qū)域：減少工人數(shù)量，更改并行作業(yè)為串行方式，BCL實現(xiàn)過程如下：

SET 'Machine1' PROCESS LOGIC TO 'Precedence Process'

······

SET PROCESS 'Process_1' AS PRECEDENCE FOR'Process_2'

(2)部件1裝配區(qū)域：增加一套預(yù)緊設(shè)備，實現(xiàn)部件1(預(yù)緊)工人與部件1(緊固)工人的并行操作。

基于上述調(diào)整結(jié)果，利用參數(shù)配置界面，自動生成裝配單元設(shè)計方案N，如圖8所示。仿真結(jié)果如圖9所示，工人利用率整體較高且均衡，QUEST仿真結(jié)果表明產(chǎn)品數(shù)量達(dá)到了擬定要求。動態(tài)布局下模型的快速調(diào)整、生成，實現(xiàn)了裝配設(shè)計向裝配工藝的有效傳遞，促進(jìn)人員有效配置，提高了目標(biāo)產(chǎn)能。

圖8 QUEST環(huán)境中方案N三維布局Fig.8 3D layout of scenario N in QUEST

圖9 方案N工人利用率Fig.9 Worker utilization of scenario N

5 結(jié)論

為了解決目前某航天產(chǎn)品裝配過程中存在的串行周期長、人員調(diào)配不合理等問題，本文提出了參數(shù)化的裝配單元劃分方式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動下的三維仿真模型快速生成，從而使工藝內(nèi)容提前介入設(shè)計，提高了產(chǎn)品的設(shè)計工藝性，降低制造風(fēng)險。

通過在構(gòu)建的參數(shù)化配置界面中調(diào)整串、并行邏輯，修改工序時間，改變設(shè)備布局位置等內(nèi)容，借助XML技術(shù)，可以實現(xiàn)仿真模型在QUEST環(huán)境下的快速自動生成。對多個裝配布局方案的快速調(diào)整，增強(qiáng)了仿真模型的可更改性，提高了設(shè)計人員的效率。而如何構(gòu)建裝配單元評估體系，實現(xiàn)對仿真方案的智能化自動迭代、優(yōu)化，是將來研究的重點。

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