飛機(jī)部件裝配生產(chǎn)線仿真研究

屈 琦，賈曉亮，鄭植元，劉桂林

（1. 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072；2. 中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710089）

飛機(jī)裝配過程具有涉及零部件數(shù)量大、使用材料種類繁多、裝配生產(chǎn)周期長、協(xié)調(diào)響應(yīng)難度大等特點[1]，飛機(jī)制造在規(guī)劃新飛機(jī)裝配生產(chǎn)線或?qū)ΜF(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整升級時，僅僅依靠設(shè)計人員經(jīng)驗的規(guī)劃方法周期長、成本高、準(zhǔn)確性差，已不能滿足飛機(jī)研制的需求；在生產(chǎn)線投產(chǎn)前，對產(chǎn)能、設(shè)備利用率、生產(chǎn)線平衡等性能的評估已成為企業(yè)考慮的重要參考指標(biāo)，而采用復(fù)雜系統(tǒng)簡化的處理方式所得結(jié)果與實際差異較大，難以適應(yīng)實際生產(chǎn)。隨著航空制造業(yè)數(shù)字化、信息化的不斷發(fā)展，生產(chǎn)線仿真技術(shù)已經(jīng)成為解決飛機(jī)生產(chǎn)制造中存在問題、提高生產(chǎn)效率、快速適應(yīng)市場需求的重要支撐技術(shù)。

生產(chǎn)線仿真是指應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，結(jié)合制造產(chǎn)品的工藝流程、制造資源等信息，對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的各個要素和生產(chǎn)過程進(jìn)行建模，然后對生產(chǎn)線整體布局與物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，從而在生產(chǎn)線投產(chǎn)前評估生產(chǎn)過程，驗證工藝路線，衡量布局設(shè)計，優(yōu)化資源配置，提高產(chǎn)能及利用率以達(dá)到提高生產(chǎn)力、加強(qiáng)節(jié)能高效、提高生產(chǎn)靈活性的目的[2]。目前，對生產(chǎn)線仿真的研究工作主要在于建模方法及仿真優(yōu)化方法等方面，如生產(chǎn)線的建模研究主要有Petri網(wǎng)、數(shù)學(xué)建模及面向?qū)ο筌浖3]；仿真優(yōu)化方法的研究主要使用精確算法、啟發(fā)式算法等對生產(chǎn)線中的瓶頸、配送、物流等問題進(jìn)行優(yōu)化[4]。

為適應(yīng)高度靈活化的飛機(jī)生產(chǎn)制造過程，飛機(jī)制造業(yè)正面臨著產(chǎn)業(yè)模式的升級，生產(chǎn)方式也隨著信息技術(shù)與軟件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)生了根本性的變化。工業(yè)軟件的研發(fā)與應(yīng)用，深切影響了制造業(yè)的發(fā)展[5]。本文介紹裝配生產(chǎn)線仿真的內(nèi)容及基本方法，并以Plant Simulation軟件為基礎(chǔ)，以飛機(jī)典型部件裝配生產(chǎn)線規(guī)劃分析為背景，通過仿真的方法進(jìn)行了飛機(jī)部件生產(chǎn)線的規(guī)劃、仿真，通過仿真發(fā)現(xiàn)了相關(guān)問題并提出解決方案。

生產(chǎn)線仿真技術(shù)

1 生產(chǎn)線仿真技術(shù)主要內(nèi)容

生產(chǎn)線仿真技術(shù)主要包括生產(chǎn)線系統(tǒng)規(guī)劃、生產(chǎn)線建模及仿真優(yōu)化等方面，其總體架構(gòu)如圖1所示。

生產(chǎn)線系統(tǒng)規(guī)劃主要是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)規(guī)模、所具備的生產(chǎn)條件及規(guī)劃目標(biāo)確定生產(chǎn)系統(tǒng)布局及構(gòu)成，包括裝配設(shè)備的類型、數(shù)量選擇與布局設(shè)計；物流、控制流、信息流的配置；有關(guān)輔助設(shè)備、生產(chǎn)條件、項目目標(biāo)的確定等，以便對整個生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行合理配置。

生產(chǎn)線建模是通過計算機(jī)軟件建立生產(chǎn)線的幾何模型及邏輯模型。幾何模型包括生產(chǎn)線上的裝配設(shè)備、物流設(shè)備、暫存區(qū)、檢測設(shè)備等實體模型。邏輯模型是指實際生產(chǎn)中的工藝流程、人員操作情況、設(shè)備運(yùn)行狀況及各類生產(chǎn)決策數(shù)據(jù)模型。邏輯模型可以實現(xiàn)生產(chǎn)線仿真中的控制及數(shù)據(jù)流的輸入輸出，確保模型運(yùn)行符合生產(chǎn)實際中的各類狀況。

生產(chǎn)線仿真優(yōu)化即在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，并對其中的問題進(jìn)行針對性的優(yōu)化。基于生產(chǎn)線模型的仿真可以分析生產(chǎn)線的產(chǎn)能、各站位的工作能力、物流儲存運(yùn)輸?shù)葦?shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷生產(chǎn)線的瓶頸、生產(chǎn)能力、故障分布等指標(biāo)，并為進(jìn)一步的生產(chǎn)線優(yōu)化作參考。

圖1 生產(chǎn)線仿真技術(shù)框架Fig.1 Framework of production line simulation technology

2 生產(chǎn)線仿真基本過程

生產(chǎn)線建模仿真屬于離散事件系統(tǒng)仿真，主要分為準(zhǔn)備、執(zhí)行和評估3個階段，其一般流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線仿真流程Fig.2 Technological process of production line simulation

（1）需求分析。分析項目需求，確定仿真方案的可行性，明確仿真目的、工作及需求的結(jié)果與優(yōu)化目標(biāo)。

（2）數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)收集就是獲得仿真建模中需要的數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)基本是實際生產(chǎn)中的要素屬性，如工藝流程參數(shù)、車間布局、生產(chǎn)設(shè)備類型、搬運(yùn)工具參數(shù)、各種工時數(shù)據(jù)、生產(chǎn)任務(wù)分配、設(shè)備故障情況等。以建模工具所需求的參數(shù)和最終的生產(chǎn)目標(biāo)作為導(dǎo)向，通過經(jīng)驗及調(diào)研等方式獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其能匹配仿真軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)收集是建模仿真中的最重要復(fù)雜的環(huán)節(jié)，所得數(shù)據(jù)是否詳細(xì)準(zhǔn)確決定了裝配生產(chǎn)線建模仿真的可靠性與準(zhǔn)確性[6]。

（3）仿真模型建立。將所獲得數(shù)據(jù)結(jié)合建模軟件生成能用計算機(jī)存儲、識別和處理的計算機(jī)模型。

（4）仿真模型檢驗。模型建立好后需要檢驗?zāi)Ｐ捅旧淼倪壿嬪e誤，確保模型控制模塊的語法邏輯正確性，各模塊參數(shù)的正確性，仿真模型與實際系統(tǒng)的相關(guān)性。

（5）設(shè)計試驗運(yùn)行模型。運(yùn)行模型，獲得所需的運(yùn)行結(jié)果。

（6）仿真結(jié)果分析。利用仿真軟件的工具和數(shù)學(xué)工具對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，其結(jié)果將作為項目決策的參考依據(jù)。

（7）仿真模型優(yōu)化。在獲得了仿真運(yùn)行的結(jié)果后進(jìn)行分析，根據(jù)項目的目標(biāo)做出更優(yōu)模型決策。通過建模仿真與結(jié)果分析可以得到生產(chǎn)線產(chǎn)能、生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率、生產(chǎn)瓶頸、生產(chǎn)線平衡性等數(shù)據(jù)，分析此類數(shù)據(jù)可以做出優(yōu)化模型決策，以實現(xiàn)提高產(chǎn)能、節(jié)約成本等目標(biāo)。做出優(yōu)化決策后可以改進(jìn)仿真模型，多次進(jìn)行仿真分析，獲得最優(yōu)決策。

飛機(jī)部件裝配生產(chǎn)線分析

本文以飛機(jī)中機(jī)身典型部件為驗證對象，進(jìn)行裝配生產(chǎn)線的規(guī)劃和驗證分析。

1 飛機(jī)中機(jī)身典型結(jié)構(gòu)

飛機(jī)中機(jī)身位于機(jī)身中部與機(jī)翼交匯處，是全機(jī)載荷匯集，平衡、受載情況復(fù)雜且嚴(yán)重的部件。中機(jī)身主要由中央翼、頂部壁板、左右側(cè)壁板、機(jī)身框、客艙地板、氣密地板、龍骨架、應(yīng)急門框、應(yīng)急門等構(gòu)件組成，地板以上為客艙，地板以下為中央翼和主起艙[7]，典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

飛機(jī)中機(jī)身的典型裝配流程如圖4所示。

圖3 飛機(jī)中機(jī)身典型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of mid fuselage

圖4 飛機(jī)中機(jī)身典型裝配工藝流程Fig.4 Assembly process of mid fuselage

根據(jù)飛機(jī)中機(jī)身的典型裝配流程及工藝分離面的劃分，飛機(jī)中機(jī)身的典型裝配單元可劃分為：頂部壁板組件、左側(cè)壁板組件、右側(cè)壁板組件、左側(cè)底壁板組件、右側(cè)底壁板組件、地板組件、應(yīng)急門框組件、機(jī)身框、中央翼組件、龍骨梁組件[8]。

2 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線布局規(guī)劃

圖5 飛機(jī)中機(jī)身裝配車間平面圖Fig.5 Layout chart of mid fuselage assembly workshop

如圖5所示為飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的初始工廠平面布局圖，其中外圍雙實線表示工廠區(qū)域，實線區(qū)域表示站位區(qū)域，虛線區(qū)域表示實際工作區(qū)域，外圍可作為物料存儲及零件搬運(yùn)區(qū)域。

3 裝配生產(chǎn)線站位及工時分析

由于左右側(cè)壁板及左右側(cè)底壁板裝配時左右壁板為對稱部件，為簡化處理將其合并為單件計算；將各個裝配站位視為一個整體，用工時來衡量每個站位的工作能力；在實際生產(chǎn)過程中各裝配單元的裝配時間通常根據(jù)經(jīng)驗來規(guī)定工時，然后在此基礎(chǔ)上給予一定的寬限時間，本文簡化為符合三角分布的工時。工時三角分布的主要參數(shù)為最快加工工時，最慢加工工時和最可能加工工時，如表1所示；工人班次為每日兩班次各4h，其中準(zhǔn)備時間15min，周末休息。

4 裝配生產(chǎn)線物流要素

飛機(jī)中機(jī)身各組件分別在對應(yīng)站位進(jìn)行裝配，完成后置于線邊暫存區(qū)，然后通過吊車運(yùn)送到總裝站位進(jìn)行下一步的裝配工作。中央翼組件在外部車間裝配完成后由AGV小車運(yùn)送至總裝配站位，吊車與AGV小車的速度為0.1m/s。

飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線仿真建模與分析

1 Plant simulation軟件簡介

Siemens（西門子）公司的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件Plant Simulation（原eM-Plant軟件）是一款面向?qū)ο蟮碾x散事件仿真軟件工具。其可用于生產(chǎn)、物流和工程領(lǐng)域的分析研究，以及用來優(yōu)化結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)對系統(tǒng)流程的控制[9]。

Plant Simulation軟件是面向?qū)ο蟮慕＼浖?，其仿真過程圍繞時間展開，通過對仿真系統(tǒng)中出現(xiàn)的實體進(jìn)行建模，并模擬實際生產(chǎn)中的實體被加工、被移動、被存儲的過程來進(jìn)行模擬[10]。其基本建模對象分為物流對象、信息流對象、用戶接口對象和移動對象。

飛機(jī)部件裝配生產(chǎn)線仿真屬于典型的離散系統(tǒng)仿真，本文以飛機(jī)中機(jī)身典型部件作為研究對象，使用Plant Simulation軟件作為工具，進(jìn)行裝配生產(chǎn)線的規(guī)劃和驗證分析。

2 仿真準(zhǔn)備

（1）飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線建模需求分析。

飛機(jī)中機(jī)身部裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)目標(biāo)為產(chǎn)能優(yōu)化，因此建模的目標(biāo)以獲得及優(yōu)化產(chǎn)能為主要研究問題。

表1 裝配站位工時分布

圖6 裝配生產(chǎn)線仿真模型Fig.6 Assembly line simulation model

（2）飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線建模數(shù)據(jù)收集。

飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)收集流程為：首先得到飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的布局圖，其中包括整個車間大小、各裝配站位的位置、裝配區(qū)域的分布、物流路徑等；然后獲得飛機(jī)中機(jī)身裝配的工藝流程，主要是各個裝配單元工作的先后順序，裝配零件的流動方向；最后得到飛機(jī)中機(jī)身各工序的裝配時間以及裝配過程中的控制、班次數(shù)據(jù)等。

3 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線仿真模型建立

（1）首先，根據(jù)車間布局中的站位位置構(gòu)建站位模型，包括作業(yè)區(qū)域大小、裝配零部件入口、加工站位、裝配站位、緩沖區(qū)站位、成品出口站位等。

（2）根據(jù)零部件裝配工藝構(gòu)建模型物流系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在各個站位模型之間的物流關(guān)系；吊車、小車、AGV的工作路徑及運(yùn)行方式；裝配過程的零部件來源及所需數(shù)量等。

（3）各站位模型的參數(shù)設(shè)置，包括各站位的工時，如表1所示；各工作路徑的長度參數(shù)及其上運(yùn)輸設(shè)備的速度；各站位的工作班次制度。

（4）移動零部件的參數(shù)設(shè)置，主要是裝配過程中的所需零部件及裝配完成的組件、成品等。

（5）模型的控制方法及分析工具的設(shè)置。通過在模型中加入控制方法，可模擬實際裝配生產(chǎn)中的過程；分析工具是進(jìn)一步的仿真分析的數(shù)據(jù)。

建立的飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的仿真模型如圖6所示。

4 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線仿真及結(jié)果分析

飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線建模仿真屬于離散建模仿真，每次仿真的結(jié)果只是對該裝配生產(chǎn)線的一次抽樣分析，因此為獲得裝配生產(chǎn)線的真正性能需要對模型進(jìn)行多次仿真，增大獨(dú)立重復(fù)試驗次數(shù)可以降低偏差，增加仿真試驗的準(zhǔn)確度。通過軟件提供的試驗管理功能模塊可實現(xiàn)多次重復(fù)仿真試驗。

由于各工序裝配工時相對較長，為獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，仿真運(yùn)行時間設(shè)置為10年，獲得裝配生產(chǎn)線穩(wěn)態(tài)下的運(yùn)行結(jié)果。仿真運(yùn)行結(jié)果最終生產(chǎn)成品106架，即年產(chǎn)量為10.6架/年。

裝配站位主要仿真數(shù)據(jù)如表2所示。由于仿真設(shè)置有班次制度，裝配生產(chǎn)線存在節(jié)假日等非工作時間，因此滿負(fù)荷工作占比為22.33%。

（1）仿真結(jié)果分析。

通過對生產(chǎn)線進(jìn)行建模和仿真，可得到生產(chǎn)線中各個裝配站位的工作數(shù)據(jù)，整個生產(chǎn)線產(chǎn)能、物料的流動情況等。通過表中數(shù)據(jù)分析可得，在13個主要站位中，有5個站位的設(shè)備利用率幾乎達(dá)到100%，這是由于在仿真建模時，這些站位處于裝配生產(chǎn)線的初始位置，不受零件供給的影響，緩沖區(qū)的設(shè)置也為無限容量，因此生產(chǎn)可以穩(wěn)定循環(huán)下去，使其設(shè)備利用率達(dá)到100%。

大部分站位的產(chǎn)能都大于整個裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能10.6架/年，但其中“側(cè)壁板裝配”、“中機(jī)身總裝”、“中機(jī)身架外裝配”等站位產(chǎn)能偏低，而“中機(jī)身架外”是由于“中機(jī)身總裝”站位直接提供裝配原件而制約了其產(chǎn)能。因此可以確定“中機(jī)身總裝”站位為制約生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的環(huán)節(jié)，即生產(chǎn)線的“瓶頸”。

其中一部分站位的等待時間過多，如“氣密地板裝配”、“地板總梁裝配”、“地板裝配”等站位，造成其問題的主要原因是“氣密地板裝配”與“地板總梁裝配”為“地板裝配”提供零部件，實際生產(chǎn)中為了平衡節(jié)拍，前兩個站位的工人工作完后會流動到下一個站位工作，因而會造成這些站位的等待時間過久，但對應(yīng)的生產(chǎn)節(jié)拍就得到調(diào)整。

表2 優(yōu)化前的裝配站位仿真數(shù)據(jù)

實際生產(chǎn)中并不存在無限容量的緩沖區(qū)[11]，因此在有限的緩沖區(qū)容量下，會造成某些產(chǎn)能過剩的站位存在過多的阻塞時間，如“應(yīng)急門框裝配”、“機(jī)身框裝配”站位。緩沖區(qū)容量的大小會影響各裝配站位的設(shè)備利用率、裝配站位的產(chǎn)能以及工人的工作量。

（2）裝配生產(chǎn)線優(yōu)化方案。

由于裝配生產(chǎn)線的特殊性，工廠場地的限制會導(dǎo)致各裝配站位的大小有限，緩沖區(qū)容量有限，容納的工人數(shù)量有限；總裝站位工裝復(fù)雜，增加站位的成本過高；各裝配站位的工時較久，優(yōu)化站位內(nèi)物流及站位間的物流效果不夠理想。因此通過分析“瓶頸”站位及系統(tǒng)中存在的問題，提出以下提高產(chǎn)能、平衡節(jié)拍的改進(jìn)方案：

·調(diào)整生產(chǎn)線的班次制度，增加每日生產(chǎn)班次整個裝配生產(chǎn)線產(chǎn)能，增加瓶頸工位的工作時間以提高產(chǎn)能；

·使用自動化裝配、柔性工裝等新技術(shù)提高瓶頸站位的工作效率；

·優(yōu)化物料配送，提高配送效率，從而提高生產(chǎn)效率；

·優(yōu)化工人任務(wù)分配，在產(chǎn)能較高的相關(guān)裝配工序（如“龍骨架裝配”、“龍骨梁裝配”及“龍骨架總裝”），可以采用工人流動式生產(chǎn)方式優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍；

·合理分配緩沖區(qū)容量及工人數(shù)量以優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)拍。

（3）仿真優(yōu)化驗證。

根據(jù)以上分析，分別采取如下優(yōu)化方案進(jìn)行仿真：由于“中機(jī)身總裝站”工時是根據(jù)其他類似機(jī)型裝配時間進(jìn)行估計得到，其裝配過程使用傳統(tǒng)工裝以手工裝配為主，因此可使用自動化裝配設(shè)備及采用柔性工裝等方法改進(jìn)裝配工藝，提升“中機(jī)身總裝站”工作效率，使加工時間減少24h；根據(jù)零組件的不同，合理安排配送方式，如較大的組件使用吊車，較小的組件使用配送小車，提高配送速度；設(shè)置緩沖區(qū)上限；調(diào)整“應(yīng)急門框裝配站”站位的工人任務(wù)分配，可得到表3仿真結(jié)果。

表3 優(yōu)化后的裝配站位仿真數(shù)據(jù)

分析數(shù)據(jù)可得：優(yōu)化后的裝配生產(chǎn)線產(chǎn)量為12.0架/年，比原裝配生產(chǎn)線增加了1.4架/年，可見提高瓶頸工位的生產(chǎn)效率可以提高整個裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)量；優(yōu)化后“側(cè)壁板裝配站”成為新的瓶頸站位，限制了裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能；在限制了緩沖區(qū)的容量后，設(shè)備利用率有所下降，但各站位的產(chǎn)能均衡性得到提高，對比如表4所示。

表4 中機(jī)身裝配生產(chǎn)線線優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

結(jié)束語

本文基于生產(chǎn)線仿真的思想，將數(shù)字化生產(chǎn)線建模與仿真技術(shù)引入到飛機(jī)制造系統(tǒng)中，以飛機(jī)典型部件裝配生產(chǎn)線為應(yīng)用驗證對象，對生產(chǎn)能力等進(jìn)行仿真評估。不但可以評價現(xiàn)有裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，發(fā)現(xiàn)物流及布局等方面的問題，找出瓶頸環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的解決方案，還可以在生產(chǎn)線規(guī)劃時，提前發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計中存在的問題，節(jié)約時間及成本。

以飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線為應(yīng)用驗證對象，使用Plant simulation仿真軟件工具，通過結(jié)合現(xiàn)有布局構(gòu)建飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線仿真模型，對裝配生產(chǎn)線產(chǎn)能、站位工作能力、人員工作情況、裝配生產(chǎn)線瓶頸等進(jìn)行了分析，并結(jié)合飛機(jī)部件裝配生產(chǎn)線的仿真結(jié)果給出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。通過仿真建模與分析研究，生產(chǎn)線仿真技術(shù)對于飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的規(guī)劃和優(yōu)化具有直接的指導(dǎo)價值和重要的參考意義。

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