飛機移動裝配線總體設計模式探索與實踐

楊 文，耿俊浩

（1.中航西飛民用飛機有限責任公司，西安 710089；2.西北工業(yè)大學機電學院，西安 710072）

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和當前國際國防形式的不確定性變化，我國各型軍機、客機、通用飛機等產(chǎn)品的種類及數(shù)量需求快速增長，飛機制造企業(yè)迫切需要盡快新建或改建相應的飛機部裝或總裝生產(chǎn)線，同時所建裝配線必須滿足低成本、高效率、高質(zhì)量、人性化、可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)要求。當前，移動式裝配已經(jīng)成為飛機裝配生產(chǎn)的主要模式，精益生產(chǎn)是生產(chǎn)制造企業(yè)的基本要求，新工業(yè)革命環(huán)境下各種數(shù)字化、自動化飛機裝配技術與系統(tǒng)發(fā)展迅速[1–2]。如何在飛機裝配生產(chǎn)線中充分考慮移動裝配模式特點、滿足精益生產(chǎn)要求、發(fā)揮新興智能技術優(yōu)勢，是飛機裝配生產(chǎn)線建設必須要考慮的關鍵因素。因此，如何采用合理、恰當?shù)南到y(tǒng)化模式，支持精益化、智能化的飛機裝配線總體設計，已成為飛機制造企業(yè)普遍關注的一個重要議題[3]。

20世紀末，衍生自豐田生產(chǎn)方式的精益生產(chǎn)思想推動波音公司提出了移動式飛機裝配方式，取得了巨大成功。由于移動式飛機裝配方式能夠大幅縮短飛機裝配周期、降低生產(chǎn)成本，近年來，多數(shù)飛機制造企業(yè)和大部分機型的總裝生產(chǎn)采用了移動式裝配模式。目前，移動式裝配模式正在從總裝向部裝、從裝配向維修、從飛機向衛(wèi)星等其他產(chǎn)品延伸[4]。我國飛機制造企業(yè)在飛機總裝生產(chǎn)中也已經(jīng)建成多條飛機移動裝配線，如西飛公司的飛豹和運20 裝配線、陜飛公司的運9 裝配線、成飛公司殲10 裝配線、洪都航空L15“獵鷹”裝配線等。目前，我國飛機制造企業(yè)正在根據(jù)型號生產(chǎn)的迫切需求大力建設新舟700、ARJ 21、C919 等型號的部裝和總裝移動裝配線[2,5]。

在移動裝配線建設過程中，各飛機制造企業(yè)依據(jù)自身生產(chǎn)情況和型號特點，兼收并蓄其他企業(yè)成功經(jīng)驗，消化吸收裝配線專業(yè)建設廠商建議，采用多種方式、從不同方面對裝配線進行總體設計[6–9]。但是由于目前尚未形成系統(tǒng)化的總體設計模式，在設計過程中難免出現(xiàn)關鍵要素缺失、規(guī)劃流程不暢、建設內(nèi)容錯位等情況，影響裝配線設計效果。因此，本文總結生產(chǎn)線建設經(jīng)驗、借鑒其他企業(yè)成功案例，總結形成一種較為系統(tǒng)化的飛機移動裝配線總體設計模式，以期為我國飛機制造企業(yè)開展裝配線設計工作、提升產(chǎn)線設計效率和質(zhì)量提供助力。

飛機移動裝配線總體設計模式框架和目標要素

1 基于系統(tǒng)工程的總體設計框架

飛機移動裝配線設計是飛機工業(yè)化生命周期的一個重要階段。由于飛機最終成本的80%在飛機概念設計階段已被確定，30%的最終成本由裝配作業(yè)確定，因此裝配線的規(guī)劃應該在飛機生命周期的概念設計階段啟動，并與飛機的生命周期后續(xù)階段并行，通過并行工程的方式盡量降低最終生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。

飛機移動裝配線設計的實質(zhì)是將飛機的設計信息轉化為集成化的物理裝配過程，通過能量流、信息流、控制流和物理連接等要素實現(xiàn)飛機部組件的安裝和測試，從而產(chǎn)出符合用戶需求、系統(tǒng)功能、部件結構和組件特性的飛機產(chǎn)品。因此，飛機移動裝配線設計是一個復雜的集成與驗證系統(tǒng)工程，需要從生命周期、產(chǎn)品層級、運行過程等不同維度進行。為描述飛機移動裝配線設計的總體框架，本文應用系統(tǒng)工程方法和相關理論[6]，建立能夠嵌入飛機研制生命周期、面向飛機不同層級構成、支持從安裝到測試過程的需求–功能–結構–連接（Requirement–Function–Structure–Connection，RFSC）模型，用于指導逐級細化設計過程，其框架如圖1所示。

圖1 基于系統(tǒng)工程的飛機移動裝配線總體設計模式框架Fig.1 Framework of overall design mode for aircraft mobile assembly line based on system engineering

RFSC 是貫穿產(chǎn)線設計周期、貫通設計層次和關聯(lián)運行過程的核心要素。從生命周期維度來看，飛機移動裝配線設計既涉及到整個飛機研制生命周期的多個環(huán)節(jié)，又具有自己的生命周期及其階段。飛機移動裝配線設計起始于飛機研制生命周期的立項批復階段，結束于總裝生產(chǎn)階段，其自身也分解為概念設計、詳細設計和開發(fā)優(yōu)化3個階段，設計需求是其概念設計支撐，系統(tǒng)功能是其詳細設計依據(jù)，部件結構和零件裝配關系是其裝配資源開發(fā)部署的基礎。從產(chǎn)品層級維度來看，飛機移動裝配線設計總體目標起始于整機的型號設計需求，然后依據(jù)需求–功能分解逐步細化至各大部件及系統(tǒng)件功能，之后通過功能–結構分解和結構–連接分解，細化至部件、段件、零組件的結構和配合關系，RFSC 既是產(chǎn)線總體布局規(guī)劃、部件裝配區(qū)域或部件對接及系統(tǒng)件裝配站位以及工位設計的依據(jù)，也是設計約束。從運行過程維度來講，飛機移動裝配線設計源自概念設計階段，基于設計需求采用自頂向下的分解與規(guī)劃方式，通過虛擬裝配的方式，實現(xiàn)詳細設計；在開發(fā)優(yōu)化階段，基于零部件以及組件裝配結構域關系，通過自底向上的集成與驗證方式，逐步通過硬件的安裝、調(diào)試和優(yōu)化，完成整個產(chǎn)線的建設工作。

2 基于五化一體的設計目標要素

飛機移動裝配線設計時，應依據(jù)社會技術發(fā)展現(xiàn)狀、企業(yè)自身情況、產(chǎn)品特點、生產(chǎn)需求、未來發(fā)展規(guī)劃等確定設計目標要素，并確定設計原則。一般來講，當前規(guī)劃飛機裝配線時，應以移動式生產(chǎn)為基本模式，確保質(zhì)量、成本和周期，在此基礎之上關注以下5個相互獨立又有所關聯(lián)的基本目標要素：精益化、智能化、柔性化、協(xié)同化、人本化，并基于基本要素細化二級目標要素。

對于精益化來講，其核心是消除一切不必要的庫存、等待等浪費，同時確保每一個操作都達到有效輸出，這個需要構建精益化生產(chǎn)體系來保障。對于智能化來講，其關鍵在于引入各種先進的自動化裝配、檢測等裝備，并建立以信息物理系統(tǒng)為基礎的數(shù)字化生產(chǎn)管控集成系統(tǒng)。對于柔性化來講，其關鍵在于通過漸進式建設、柔性工裝等方式實現(xiàn)產(chǎn)能的逐步爬坡，并支持多種改進型號的混流生產(chǎn)。對于協(xié)同化來講，其關鍵在于能夠支持“主制造商–供應商”合作模式，能夠接入供應商運抵部件，支持企業(yè)內(nèi)部各大部件的對接以及全機總裝協(xié)同工作。對于人本化來講，其關鍵在于充分考慮人工作業(yè)時的作業(yè)過程與作業(yè)裝備的工效學，以及車間安全防護措施和設施，如圖2所示。

圖2 飛機移動裝配線總體設計目標要素Fig.2 Target elements of overall design for aircraft mobile assembly line

飛機移動裝配線總體設計過程及建設內(nèi)容

1 基本流程

移動式飛機裝配是依據(jù)裝配過程和技術要求在移動的裝配站位上，應用各種裝配資源，使用配套的零組件和輔料，按照一定的生產(chǎn)節(jié)拍，遵循生產(chǎn)計劃和作業(yè)規(guī)范，裝配和測試完成符合質(zhì)量、成本、效率要求的飛機產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。

因此，飛機移動裝配線設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，應該在總體設計框架的約束下，依據(jù)設計目標要素，按照總體設計思路逐步開展相應的設計工作，規(guī)劃并確定生產(chǎn)過程中涉及的各個構成部分，并不斷迭代優(yōu)化直至產(chǎn)線定型，其主要設計流程如圖3所示。

啟動飛機移動裝配線設計流程需要首先明確設計輸入和目標以及相應的約束條件，如產(chǎn)品模型、產(chǎn)能要求、工作日規(guī)定等。由于需要和產(chǎn)品設計并行開展工作，因此可以根據(jù)產(chǎn)品設計結果迭代進行并逐步細化。飛機移動裝配線設計一般需要開展產(chǎn)品工藝分析與方案、裝配流程分析與規(guī)劃、產(chǎn)能分析與廠房布局、裝配資源選用與配置、部件交付與物流配送、節(jié)拍分析與生產(chǎn)線平衡、標準化與生產(chǎn)線管控等方面的分析、規(guī)劃和定義，經(jīng)過仿真分析和反饋優(yōu)化后在相應的階段形成對應的產(chǎn)出物，如優(yōu)化后的裝配流程、滿足生產(chǎn)要求的車間布局、高效精準的物流配送體系等。但這幾個階段和相應的產(chǎn)出物并不是孤立的，它們之間存在很強的耦合性和聯(lián)動性。因此在產(chǎn)線設計時要兼顧不同階段和內(nèi)容，但無論是哪個階段或內(nèi)容，在設計時都應該充分考慮設計目標要素并滿足要素需求。

2 主要內(nèi)容

2.1 產(chǎn)品工藝分析與方案

開展產(chǎn)品工藝分析并確定工藝方案是開展裝配線總體設計的首要前提工作。其工作內(nèi)容是依據(jù)產(chǎn)品圖樣、數(shù)模及其技術要求，結合工廠生產(chǎn)技術基礎和工藝技術水平，確定研制或批生產(chǎn)計劃、互換協(xié)調(diào)原則、工藝裝備的選擇/設計/制造原則、零組件交付狀態(tài)確定原則、新技術/新材料/新工藝的試驗規(guī)則以及各種新標準的貫徹原則，形成工藝總方案和裝配協(xié)調(diào)方案。所形成的工藝分離面、裝配單元、定位基準和方法、協(xié)調(diào)方法、工裝需求等內(nèi)容是裝配線設計的重要影響因素。

2.2 裝配流程分析與規(guī)劃

裝配流程是生產(chǎn)線規(guī)劃的基本依據(jù)。裝配流程的規(guī)劃可以分為兩個方面：一是通過裝配仿真軟件等工具，依據(jù)制造分離面劃分和“裝配–部件對接–系統(tǒng)裝配–集成–測試–交付”流程的基本原則，對裝配流程進行設計；二是依據(jù)裝配經(jīng)驗，利用價值流圖和工作量描述表對裝配工序進行多輪迭代優(yōu)化分析，從而形成精益化的裝配流程，如圖3和圖4所示。

2.3 產(chǎn)能分析與廠房布局

圖3 飛機移動裝配線總體設計基本流程Fig.3 Main workflow of overall design for aircraft mobile assembly line

根據(jù)飛機裝配流程、產(chǎn)能需求和整體工作量，采用（系統(tǒng)布局設計，Systematic Layout Planning，SLP）方法進行布局設計，采用DMAIC 方法和產(chǎn)線平衡分析表進行產(chǎn)能的分析和平衡，從而確定站位數(shù)和各站位功能，并結合廠房實際情況合理優(yōu)化工藝布局和功能區(qū)，實現(xiàn)生產(chǎn)線總體規(guī)劃，尤其是要明確部件對接區(qū)域與總裝區(qū)域不同站位之間的物流關系，同時為產(chǎn)品、裝備、物料及人員等裝配資源和電源、網(wǎng)絡、空調(diào)、壓縮空氣等輔助資源的定置和配置預留位置。

2.4 裝配資源選用與配置

裝配資源主要包括工裝、刀量具、工具、設備和人力等方面，其選用和配置要兼顧先進性、實用性和成本控制。工裝、設備等關鍵資源的選用應結合技術發(fā)展趨勢和智能化建設原則，優(yōu)先選擇自動化、數(shù)字化、柔性化資源，如基于數(shù)字化調(diào)姿、智能AGV、自動安裝、自動檢測和在線檢測、數(shù)字化測量等技術資源。人員配備應從技能和數(shù)量兩個方面考慮，同時充分考慮人機功效，尤其要注意資源選配要為以后的產(chǎn)能爬坡和混流生產(chǎn)奠定基礎。與產(chǎn)能分析和廠房布局階段一樣，均可以采用工廠規(guī)劃系統(tǒng)等工具開展可視化設計工作。

2.5 部件交付與物流配送

圖4 某型飛機裝配流程Fig.4 Assembly process of an aircraft

物流配套和配送是移動生產(chǎn)的必要條件，是實現(xiàn)精益生產(chǎn)的關鍵要素。物流要充分考慮部件供應商交付部件、零部件和輔助材料、整機的流轉要求。在此基礎上建立供給線，能夠準備好完全成套件并按指定架次、在指定時間、按規(guī)定路線、配送到指定地點，不允許零件、工具、輔料等的分別配送。建立零件、標準件、成品件等物料的配送制度，并配置合理數(shù)量的物流配送車及零組件存放托架，從而形成完整的物流配套和配送體系。這一階段可以采用物流仿真系統(tǒng)等工具開展可視化設計工作。

2.6 節(jié)拍分析與產(chǎn)線平衡

裝配線的邏輯和物理結構初步設計完成后，需要根據(jù)客戶需求建立生產(chǎn)節(jié)拍，同時要能夠為未來的產(chǎn)能爬坡預留足夠的緩沖。裝配線各環(huán)節(jié)要在移動過程中保持動態(tài)協(xié)同或同步，既要能做到按照站位、天和班次平衡產(chǎn)能，也要能夠依據(jù)生產(chǎn)計劃做到全機乃至多機種的均衡交付，保證企業(yè)內(nèi)部和外部供應鏈的均衡生產(chǎn)。產(chǎn)線平衡需要明確和采集計算所需信息，可以使用產(chǎn)線分析系統(tǒng)等工具輔助計算，依據(jù)計算結果不斷迭代調(diào)整各參數(shù)直至滿足要求。

2.7 標準化與生產(chǎn)線管控

為保證準時、無故障生產(chǎn)，必須建立標準化和數(shù)字化相結合的作業(yè)與生產(chǎn)管控體系與系統(tǒng)，其關鍵在于作業(yè)過程的標準化、作業(yè)流程單件化、生產(chǎn)過程無故障化、現(xiàn)場作業(yè)可視化、生產(chǎn)管控數(shù)字化。需要依據(jù)上述關鍵要素，建立標準化的作業(yè)操作規(guī)范、管理流程和具備采集、分析、監(jiān)控等能力的生產(chǎn)計劃、現(xiàn)場可視化與過程管控系統(tǒng)，實現(xiàn)信息傳遞的實時化和管理的可視化，使得需求、供應、作業(yè)執(zhí)行都在可控狀態(tài)下進行。這一階段應和航空工業(yè)AOS 建設以及企業(yè)信息化建設結合起來考慮。

2.8 仿真分析和反饋優(yōu)化

在上述建設過程中，每個步驟都可以借助相應的工具進行仿真分析，也可以針對最終結果進行全面或某一要素的仿真分析，依據(jù)分析結果對初始設計進行優(yōu)化和完善。在產(chǎn)線試運行期間也應該依據(jù)運行結果持續(xù)對產(chǎn)線進行優(yōu)化和完善，最終形成滿足生產(chǎn)需求和目標要素的飛機移動裝配線。

某國產(chǎn)飛機移動裝配線設計實踐

依據(jù)上述飛機移動裝配線設計模式總體框架和目標要素，采用該方法的設計流程及設計內(nèi)容要求，針對承擔的某國產(chǎn)飛機生產(chǎn)任務，設計了該機型的總裝配移動裝配線，如圖5～8所示。目前該裝配線已經(jīng)投產(chǎn)，生產(chǎn)指標滿足設計要求，運行狀態(tài)良好，其主要設計內(nèi)容如下所述。

1 裝配流程分析與規(guī)劃

依據(jù)產(chǎn)品數(shù)模和不同部件的協(xié)作生產(chǎn)情況，規(guī)劃了該型號的裝配流程，充分考慮了來自不同供應商的部件及其裝配以及總裝之間的協(xié)同。

2 產(chǎn)能分析與廠房布局

裝配線按照全年250個工作日，每天單班7.5h，年產(chǎn)若干架飛機的產(chǎn)能進行規(guī)劃，確定了部裝裝配區(qū)和總裝裝配區(qū)。總裝站位劃分為5個，主要完成翼身對接、尾翼對接以及飛機系統(tǒng)裝配與試驗工作。

3 裝配資源選用與配置

裝配資源的選用也充分考慮了生產(chǎn)能力的柔性，能夠在同一產(chǎn)線中裝配標準型、縮短型兩種型號，大部件對接實現(xiàn)自動化，大量采用自動制孔、自動鉆鉚技術，實現(xiàn)發(fā)動機、起落架數(shù)字化安裝，以及線纜集成檢測自動化、全機系統(tǒng)自動化測試和飛機、裝配平臺的精準移動。

圖5 某型飛機移動裝配線布局Fig.5 Layout of mobile assembly line for an aircraft

圖6 智能AGV和智能安裝車選用Fig.6 Selection of smart AGV and smart installation vehicle

4 部件交付與物流配送

充分考慮各部件供應商交付部件的物流運輸，合理設計部件裝配與總裝站位之間的物流關系。同時基于完全配套和單件流原則，實現(xiàn)輔助工裝集成管理、工裝附件按站位形跡管理、零件現(xiàn)場配送、標準件開架管理、工具按站位配置管理等構成的配套與配送體系。

5 節(jié)拍分析與產(chǎn)線平衡

生產(chǎn)節(jié)拍按照最低年產(chǎn)6架，可逐步爬坡至年產(chǎn)若干架并最終達到在此基礎上再翻倍的生產(chǎn)節(jié)奏進行計算，確定每架次生產(chǎn)周期。在此基礎之上進行每站位的產(chǎn)能分析，確定站位裝配周期及所需要的工位數(shù)，并逐步迭代、調(diào)整平衡每個站位的產(chǎn)能，與生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)。

6 標準化與生產(chǎn)線管控

通過分析生產(chǎn)過程中的計劃、人、物料、質(zhì)量、工藝、設備、工裝、能源等要素，規(guī)劃、設計和開發(fā)了智能化管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括3個方面的功能：一是生產(chǎn)過程可控；二是生產(chǎn)狀態(tài)可視；三是物料配送精準，能夠支撐節(jié)拍式生產(chǎn)過程。

圖7 某型飛機移動裝配線物流Fig.7 Logistics of mobile assembly line for an aircraft

圖8 裝配站位產(chǎn)能分析實例Fig.8 Instance of capacity analysis for assembly station

結論與展望

本文基于型號建設任務需求，借鑒已有移動裝配線建設經(jīng)驗，總結形成了一種飛機移動裝配線總體設計模式，基于該模式建立了能夠嵌入飛機研制生命周期、面向飛機不同層級構成、支持從安裝到測試過程的RFSC 總體設計框架，確定了精益化、智能化、柔性化、協(xié)同化、人本化五位一體的總體設計目標要素，并形成了飛機移動裝配線總體設計流程及其對應的建設內(nèi)容及方法。將所形成的設計模式應用于某型國產(chǎn)飛機移動裝配線建設中，實現(xiàn)了該型飛機總裝生產(chǎn)預定目標，有力支撐了型號的快速、高質(zhì)量生產(chǎn)。研究成果可以為飛機制造企業(yè)開展飛機移動式總裝線建設工作提供參考，對飛機部裝、維修和其他類似產(chǎn)品的移動裝配線建設也有一定借鑒意義。

隨著智能制造技術的迅猛發(fā)展，人工智能、數(shù)字孿生、自主機器人、增強現(xiàn)實等使能技術將會逐步應用于飛機裝配線[2,4,10–11]，由更加智能的制造裝備、更加智能的管控系統(tǒng)和智能得到強化的作業(yè)人員構成的人機協(xié)同智能裝配系統(tǒng)將會是未來的發(fā)展趨勢。因此，飛機移動裝配線總體設計模式也應該積極融入這些新元素，同時應盡快研制飛機移動裝配線總體設計集成系統(tǒng)，使其設計更加精確和全面，從而更好地推動我國航空工業(yè)智能制造升級轉型。