飛機總裝脈動生產線智能制造技術研究與應用

（中航工業(yè)陜西飛機工業(yè)（集團）有限公司， 漢中 723215）

飛機總裝主要包含大部件對接、發(fā)動機安裝、管路電纜安裝及檢測、整機供電及氣密試驗、水平測量及交付等工作，是飛機制造過程中的最后一個環(huán)節(jié)，其裝配質量與裝配效率將直接影響飛機的交付日期[1]。由于總裝作業(yè)具有內容復雜、專業(yè)性強、工作面窄、開敞性差等特點，并且受到現(xiàn)場管控水平、生產規(guī)模、工廠技術水平等多方面因素影響，因此提高飛機總裝的技術能力和管控能力一直是飛機制造的關鍵問題[2]。

近年來，我國飛機總裝開始從機庫式作業(yè)向脈動式、移動式作業(yè)模式發(fā)展[3]。2000年，美國波音公司建成第一條脈動總裝線，并首次將其成功用于阿帕奇直升機總裝，脈動總裝的優(yōu)勢得到了實踐的驗證。洛克希德·馬丁公司的F-22裝配生產線采用脈動總裝線后，年產量由2003年的11架增加到2007年的32架，極大地提高了裝配效率。空客公司A320總裝中也都采用了脈動總裝線，使交付周期縮短45%，生產效率提高了35%。在波音737、波音777、波音787等機型上，波音公司進一步探索和采用了連續(xù)移動式總裝作業(yè)模式。當今，波音、洛克希德·馬丁和空客等世界先進航空制造企業(yè)在實施新的戰(zhàn)略規(guī)劃時，不斷將新的數(shù)字化、信息化和自動化手段應用于飛機總裝，并逐步朝智能化方向發(fā)展，引領著未來航空工業(yè)制造技術和制造產業(yè)發(fā)展的新方向[4-5]。與此同時，伴隨我國飛機總裝技術的不斷發(fā)展，脈動生產模式在我國多個型號飛機制造中逐步開始應用。

當前，隨著“德國工業(yè)4.0”、“美國工業(yè)互聯(lián)網”和“中國制造2025”戰(zhàn)略中智能制造相關概念的提出[6-7]，新一代航空工業(yè)制造技術和管理模式的變革蓄勢待發(fā)。為適應我國航空制造業(yè)的發(fā)展需求，中國航空工業(yè)集團公司明確給出了智能制造架構，建設具有“數(shù)字化、集成化、自動化、智能化”特點的智能生產線，已經成為新一代生產線建設的基本要求[8]。因此，探討飛機總裝生產線智能制造技術的研究與應用，促進形成相應的技術方法和軟硬件系統(tǒng)，使飛機總裝生產中信息孤島向物聯(lián)共享、事后檢測向過程控制、經驗協(xié)調向自適應決策的轉變，具有重要的理論意義和實踐價值。

總裝脈動生產線智能制造技術發(fā)展思路

智能制造系統(tǒng)的典型特征是“動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行”，即利用傳感系統(tǒng)獲取制造系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)信息和數(shù)據；通過高速網絡實現(xiàn)數(shù)據和信息的實時傳輸、存儲和分析；根據分析的結果，按照設定的規(guī)則或積累的知識通過人工智能方法做出判斷和決策；最后，再將處理結果反饋到現(xiàn)場完成精確調整和處理，這一過程是在數(shù)字化、網絡通信和自動化技術支持下實現(xiàn)的。圍繞智能制造的4大特征，結合飛機總裝作業(yè)中裝配與檢測部位分散，高度交叉作業(yè)等特點，重點從生產管控、物流配送、裝配和檢測等方面突破智能制造技術的研究與應用，建設一條管控全面信息化、物流配送精準化、作業(yè)適度自動化、決策有限智能化、現(xiàn)場管理精益化的總裝脈動生產線，如圖1所示，是我國飛機總裝迫切需要解決的關鍵問題。

總裝脈動生產線智能制造技術的研究

圍繞型號飛機總裝過程，首先需要在企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)字化、信息化和網絡化的基礎上，突破支持總裝智能制造過程的一系列關鍵技術，為后續(xù)軟、硬件系統(tǒng)的升級和研制提供技術支撐。分析發(fā)現(xiàn)，對照智能制造的建設目標，某型飛機總裝現(xiàn)場當前迫切需要解決的技術點包含多源信息采集、總裝作業(yè)智能管控、物料倉儲與精準配送、部件對接誤差實時測量與自適應控制、整機線纜在線集成檢測與實時反饋5個方面。

圖1 總裝脈動生產線智能制造建設目標Fig.1 Intelligent manufacturing construction target of final assembly pulsation production line

圖2 總裝現(xiàn)場的多源信息采集Fig.2 Multi-source information collection of final assembly scene

1 多源信息采集

基于物聯(lián)網、工業(yè)互聯(lián)網和先進傳感器等技術，對總裝現(xiàn)場信息進行實時采集，實現(xiàn)生產狀態(tài)的在線感知是智能制造系統(tǒng)的基本要求。一般來說，飛機總裝現(xiàn)場需要實時、精確和可靠地獲取各類制造要素狀態(tài)、運行、控制等參數(shù)，具體體現(xiàn)為對當前生產過程、現(xiàn)場物流、關鍵裝配工序、工具工裝、產品質量等多源信息的采集。為了實現(xiàn)上述目標，需要進行如下工作：首先，依據脈動生產線的站位劃分，分析裝配現(xiàn)場的信息采集需求；然后，從工況、質量和物流狀態(tài)的角度對所需采集的信息類型、信息數(shù)量、采集頻率等進行合理定義；最后，通過感知設備的選擇、布局和互聯(lián)，形成面向總裝智能生產的物聯(lián)感知網絡，總體思路如圖2所示。此外，車間需要綜合分析所采集的多源信息，建立信息整合規(guī)則，完成多源數(shù)據在制造執(zhí)行環(huán)境中的融合處理，實現(xiàn)多源數(shù)據在制造執(zhí)行環(huán)境中的最終整合。

2 總裝作業(yè)智能管控

飛機總裝生產過程的復雜程度越來越高，生產過程控制涉及大量的設計、工藝、生產、質量等數(shù)據，并且對信息處理手段和及時性有很高的要求。因此，總裝作業(yè)智能管控技術成為飛機生產過程管理的關鍵技術之一?？傃b作業(yè)智能管控的研究思路如圖3所示：首先，研究面向多專業(yè)的作業(yè)關聯(lián)模型，對總裝作業(yè)中各專業(yè)的關聯(lián)性進行分析，獲得面向多專業(yè)綜合優(yōu)化的總裝線作業(yè)計劃；其次，為控制生產線運行過程中站位作業(yè)能力的差異，研究站位資源的彈性配置方法，實現(xiàn)站位作業(yè)能力的快速調整；再次，為滿足管理者和生產人員快速掌握作業(yè)過程的需求，通過數(shù)據的抽取、刷新、整合，建立工藝、質量、試驗和生產等基礎數(shù)據庫，并從數(shù)據庫中對關鍵信息進行提取和分析，研究并建立車間數(shù)字化智能看板；最后，通過健康參數(shù)感知、健康狀態(tài)求解、健康狀態(tài)多維度綜合評價等方法，在實時生產數(shù)據采集的基礎上實現(xiàn)總裝線綜合狀態(tài)的實時監(jiān)控和調整。通過總裝作業(yè)的智能管控，管理者可以對生產過程進行全面、高效地現(xiàn)場管理，從而大大提高生產管理的效率和準確性。

3 物料倉儲與精準配送

為了降低成本，保證總裝生產作業(yè)按照節(jié)拍要求平穩(wěn)進行，需要提升車間倉儲物料轉運效率，實現(xiàn)物料配送的精準化、高效化和柔性化。具體研究思路如圖4所示：首先，研究基于JIT的車間物料庫存管理方法，以工藝流程為驅動，對物料入庫、出庫、轉庫、盤點等流轉全過程進行動態(tài)、精細化管理，并實時監(jiān)控物料種類、數(shù)量、狀態(tài)、存放位置等具體信息；其次，以最小化配送時間和配送成本為目標，按生產線各站位的物料需求，采用智能算法規(guī)劃物料配送方案，并以AGV等智能物流設備為基礎，實現(xiàn)各站位物料的精準、按需配送。

4 部件對接誤差實時測量與自適應控制

部件對接是飛機總裝的重要工作，其對接誤差的控制結果將直接影響產品的最終質量。由于誤差具有“過程性”，因此現(xiàn)代制造環(huán)境下的關于裝配質量控制的研究不僅涉及到產品質量本身，而且更重視對產品裝配過程中裝配誤差的監(jiān)控。在飛機總裝智能制造技術中，建立部件對接誤差的實時測量和自適應控制機制尤為重要，具體思路如圖5所示：首先，依據部件數(shù)字化對接過程中的測量需求，給出對接環(huán)節(jié)的數(shù)字化測量流程，構建全局數(shù)字化測量場和測量基準；然后，基于激光跟蹤儀和iGPS等先進數(shù)字化測量設備，建立對接過程中的檢測數(shù)據采集、綜合分析和傳輸方法，并與部件的柔性調姿系統(tǒng)集成；最后，以實時測量的誤差數(shù)據為輸入，構建面向位姿偏差的部件姿態(tài)實時調整方法，形成數(shù)字化對接的閉環(huán)測控。

圖3 總裝作業(yè)智能管控Fig.3 Intelligent control of final assembly operation

5 整機線纜在線集成檢測與實時反饋

整機線纜檢測是飛機總裝的又一項重要作業(yè)內容，對飛機總裝效率、產品質量有至關重要的影響。整機線纜在線檢測的主要目的是在不打斷飛機線纜及其工作關系的前提下（即實時在線），使用專業(yè)的檢查設備，將控制、激勵等信號送達在線檢測系統(tǒng)，使其自動化、程序化，實現(xiàn)通電檢查技術條件、圖紙等設計要求，最后，反饋實時結果和故障信息，并對故障進行智能判斷后定位到單束線纜。采用計算機、網絡、測試和仿真等前沿技術，構建高度集成的綜合化測試系統(tǒng)，已經成為整機線纜檢測智能化、高效化發(fā)展的必然趨勢，具體研究思路如圖6所示：首先，研究基于虛擬激勵信號的在線檢測流程設計、檢測數(shù)據實時處理與故障自動識別、故障源快速準確定位等關鍵技術；然后，從接線圖、電纜制造圖中梳理出線纜檢測的針腳關系并輸入系統(tǒng)數(shù)據庫，使用工藝轉接電纜、電纜插頭轉接器將全機線纜與檢測設備連接起來；最后，采用綜合化測試系統(tǒng)，通過程序自動控制實現(xiàn)線纜導通檢測、絕緣檢查、耐壓檢查、總線檢查和故障智能定位，從而達到提高檢測效率，減少人為操作差錯以及故障準確定位的目的，大幅縮短型號飛機總裝配周期。

總裝脈動生產線智能制造技術的應用

在脈動線初始設計中，以某型飛機總裝配的年產量需求，設計了脈動生產線的節(jié)拍，并對各個站位的工作內容進行了劃分。其中，節(jié)拍設計對應的生產能力按每天工作8h計算，每道工序的作業(yè)時間為額定作業(yè)時間。因此，當總裝配過程中各個架次的飛機構型有所變化時，可通過站位內部人員的加班來保證整個脈動線的按時移動。此外，若總裝配過程中出現(xiàn)各個站位的負載能力差異，也可通過多技能工人的流動來平衡裝配作業(yè)。

該脈動生產線共設置5個站位，如圖7所示，各站位的主要任務分別為：（1）部件對接、機械系統(tǒng)安裝；（2）特設系統(tǒng)安裝；（3）系統(tǒng)試驗；（4）通電聯(lián)試；（5）交付。目前，該廠房的基礎設施建設已經完成，配備有先進的數(shù)字化平尾對接調姿設備、激光跟蹤儀測量設備、整機線纜檢測設備、智能工具柜等，為生產線智能制造技術的應用奠定了基礎。總裝脈動生產過程中智能制造技術的應用，依托于企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)字化、信息化軟硬件平臺環(huán)境，然后通過系統(tǒng)升級和新應用工具開發(fā)，來逐步滿足智能制造的發(fā)展目標。

圖4 物料倉儲與精準配送Fig.4 Material warehousing and precise delivery

圖5 部件對接誤差實時測量與自適應控制Fig.5 Real time measuring and adaptive control of component butt joint error

1 生產線智能管控系統(tǒng)

在實際應用過程中，廣義的企業(yè)智能管控業(yè)務主要由企業(yè)的ERP、PLM、SCM和MES系統(tǒng)等共同完成市場分析、經營計劃、物料采購、產品制造以及訂單交付等各環(huán)節(jié)的控制與決策。對于某型飛機總裝生產線來說，生產線智能管控系統(tǒng)以主生產流程模型為驅動，以多源信息感知網絡采集的數(shù)據為輸入，通過計劃自動分解與下達、調度派工管理、裝配現(xiàn)場管理、物料管理、工具管理、設備管理、人員管理和質量管理等一系列功能，使總裝現(xiàn)場能夠按照訂單要求有序運行，如圖8所示。

此外，通過該系統(tǒng)，企業(yè)決策者能夠掌握企業(yè)自身的生產能力、生產資源以及所生產的產品，能夠調整產品的生產流程與工藝方法，并能夠根據市場、客戶需求等動態(tài)信息做出快速、智能的決策。

2 物料精準配送系統(tǒng)

為了保障總裝脈動生產線平穩(wěn)順暢運行，開發(fā)并建設了總裝車間物料精準配送系統(tǒng)，如圖9所示。系統(tǒng)硬件主要包括物品吊裝機構、物料運輸小車、裝配執(zhí)行機構、手工作業(yè)機構、物料分揀裝置等。系統(tǒng)運行過程中，以物料配送主流程模型為驅動，以生產管控系統(tǒng)數(shù)據為輸入，通過物料配送系統(tǒng)實時自動監(jiān)控管理，實現(xiàn)物料倉儲補給、現(xiàn)場配送預警，保證生產線物料按需、定時、定點精準配送。在物料標識方面，該系統(tǒng)首先對各個產品及流動輔助物體貼上可識別的條碼，然后采用條碼自動讀寫硬件技術將條碼符號所代表的數(shù)據轉變?yōu)橛嬎銠C可讀寫數(shù)據，形成物料與計算機之間的數(shù)據通信。

3 智能工具管理系統(tǒng)

圖6 整機線纜在線集成檢測與實時反饋Fig.6 Integrated cable online detection and real-time feedback

圖7 某型飛機總裝脈動生產線的站位劃分Fig.7 Workstation division of a certain type aircraft final assembly pulsation production line

圖8 生產線智能管控系統(tǒng)Fig.8 Intelligent management and control system of production line

圖9 物料精準配送系統(tǒng)Fig.9 Material precise delivery system

飛機總裝作業(yè)工具的使用數(shù)量大、種類多，對工具狀態(tài)信息有效管理可極大節(jié)省人力、物力。某型飛機總裝生產中采用RFID技術，開發(fā)了智能工具管理系統(tǒng)，如圖10所示。該系統(tǒng)可使借還人通過身份識別打開工具柜。在對工具進行借用時，工具表面粘貼有RFID識別標簽，經閱讀器處理分析將結果傳輸至計算機，因此免去了以手寫登記的方式記錄工具借存狀態(tài)的環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)對工具的清點定位也起到重要作用，在查找遺忘、丟失工具時，工具的主動式ID可發(fā)出信號，通過使用檢測設備進行掃描定位，可以快速、準確地找到丟失工具。

4 水平尾翼智能裝配單元

圖10 智能工具管理系統(tǒng)Fig.10 Intelligent tool management system

圖11 水平尾翼智能裝配單元Fig.11 Horizontal tail intelligent assembly unit

圖12 整機線纜智能檢測單元Fig.12 Intelligent detection unit for cable of whole aircraft

智能裝配單元是飛機總裝智能生產中不可或缺的組成部分。某型機飛機總裝建設了水平尾翼智能裝配單元，如圖11所示。該智能裝配單元以部件裝配和檢測仿真模型為驅動，以激光跟蹤儀測量數(shù)據為輸入，采用大部件對接誤差實時測量與自適應控制系統(tǒng)，實現(xiàn)部件數(shù)字化裝配與測量的閉環(huán)工作模式。在飛機總裝生產中，通過各個智能裝配單元之間相互聯(lián)系、相互配合，最終可建設形成高度集成的智能生產線。

5 整機線纜智能檢測單元

針對某型機整機線纜檢測的智能化需求，開發(fā)了整機線纜智能檢測單元，如圖12所示。該單元可基于虛擬激勵信號檢測各系統(tǒng)的技術指標，并進行故障智能識別和定位，及時發(fā)現(xiàn)并排除出現(xiàn)的問題，從而有效提升檢測效率和產品質量。

結束語

本文以我國航空工業(yè)飛機總裝為背景，結合當前智能制造技術的發(fā)展需求，探討了飛機總裝脈動生產線相關的智能制造技術總體發(fā)展思路、關鍵技術研究思路，并結合某型飛機總裝生產線的建設，介紹了相關技術的應用情況。對于航空企業(yè)來說，智能制造技術的研究和應用是一個循序漸進的發(fā)展過程，需要緊密結合企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)字化、網絡化和信息化環(huán)境基礎，逐步完成生產線軟、硬件系統(tǒng)的升級和換代。其中，深刻理解和掌握智能制造的內涵和外延，結合企業(yè)實際情況和產品設計制造的特點發(fā)展智能制造技術至關重要。此外，本文提出的智能制造發(fā)展思路具有通用性，可推廣應用于國內其他飛機型號的總裝生產線建設中。

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