飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線數(shù)字化仿真與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

（南京理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，南京 210094）

飛機(jī)總裝配過程是飛機(jī)制造的最后一個環(huán)節(jié)，其裝配質(zhì)量、裝配速度會直接影響產(chǎn)品的性能與交付周期。目前基于精益思想的飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線已成為飛機(jī)總裝配過程的主要形式，飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線是借鑒汽車生產(chǎn)過程中高效的流水線作業(yè)方式，根據(jù)裝配工藝進(jìn)行站位劃分，使飛機(jī)以固有的脈動生產(chǎn)節(jié)拍在各個站位之間進(jìn)行移動，操作人員在固定區(qū)域進(jìn)行裝配作業(yè)，裝配機(jī)型有多品種小批量的特點(diǎn)，因此，飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線作為一種基于精益思想的新型裝配生產(chǎn)模式，具有裝配生產(chǎn)線分工明確細(xì)致、工藝流程清晰、生產(chǎn)效率高、適合多品種小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，脈動式的總裝配模式在我國航空制造企業(yè)中已成為一種新的趨勢[1–3]。

飛機(jī)總裝配過程具有裝配工藝復(fù)雜、生產(chǎn)控制復(fù)雜、裝配要求高等特點(diǎn)，因此飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線在工作過程中影響因素眾多、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜、制造任務(wù)緊耦合，采用傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)規(guī)劃與分析方法很難達(dá)到精確建模與分析的要求。以上問題成為制約我國飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃、評估、分析的瓶頸之一，進(jìn)而影響到我國飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線快速響應(yīng)制造能力的不斷提升。

在飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃與數(shù)字化建設(shè)過程中，如何對這一復(fù)雜制造系統(tǒng)做到全面、準(zhǔn)確規(guī)劃、評估和分析，必須能夠?qū)︼w機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線進(jìn)行工藝流程再造，充分優(yōu)化指令信息，通過對生產(chǎn)線的建模仿真與優(yōu)化實現(xiàn)裝配過程智能化脈動。

本文結(jié)合某型號飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線建設(shè)項目實踐經(jīng)驗，開展飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃和數(shù)字化設(shè)計與優(yōu)化方法關(guān)鍵技術(shù)的研究。

飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃

飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃與數(shù)字化建設(shè)內(nèi)容主要包括價值流圖分析、工藝流程優(yōu)化、廠房改造、工裝配置、工具管理、物料配送管理、人員調(diào)整、信息化建設(shè)等，如圖1所示，要設(shè)計形成一條完整、合理的飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線，需要對企業(yè)的價值流圖和工藝流程進(jìn)行準(zhǔn)確理解，并在此基礎(chǔ)上完成工藝規(guī)劃、數(shù)字化建模等工作，其詳細(xì)內(nèi)容包括以下幾方面。

第1步：對企業(yè)價值流圖進(jìn)行分析，明確企業(yè)實施脈動裝配線的價值與意義。傳統(tǒng)的裝配模式裝配周期過長，很大程度上制約著生產(chǎn)效率的提升，生產(chǎn)管理模式相對落后，信息化應(yīng)用亟需推廣。隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)的發(fā)展，要求實現(xiàn)批生產(chǎn)和保障產(chǎn)品裝配工藝的可靠性，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)公司的生產(chǎn)管理模式，因此需在各類飛機(jī)產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用脈動式裝配生產(chǎn)線。通過對生產(chǎn)線的合理規(guī)劃和重新配置、優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程，提高產(chǎn)品產(chǎn)能，為產(chǎn)品的高效、高質(zhì)生產(chǎn)提供能力上的保證。

第2步：進(jìn)行工藝流程再造，包括裝配線的生產(chǎn)綱領(lǐng)、空間布局、生產(chǎn)線的工藝流程等，在此過程中，需要進(jìn)行工序的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指定，實現(xiàn)指令信息優(yōu)化。

在正式的生產(chǎn)線實施過程中，將利用自動化分析軟件進(jìn)行生產(chǎn)線平衡，通過采用DELMIA 軟件的模塊ALB進(jìn)行生產(chǎn)線平衡測試，可以判定生產(chǎn)線布局設(shè)置是否合理，找出脈動生產(chǎn)線的瓶頸站位中的瓶頸工序，便于后續(xù)有針對性的進(jìn)行生產(chǎn)線工藝優(yōu)化工作。

第3步：對所有工序制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)方案，對指令進(jìn)行重新編制，目前用于計算周期的指令是原生產(chǎn)狀態(tài)的文件，在工藝流程優(yōu)化中，所有指令都需要重新編制，新編指令在編制時應(yīng)注意前后工序銜接，對于不合適的情況應(yīng)重新調(diào)配，并根據(jù)需要合并或分解，應(yīng)達(dá)到當(dāng)日指令能當(dāng)日完成的目標(biāo)。

第4步：工作地可視化。通過整合現(xiàn)有總裝車間的MES系統(tǒng)、終端看板等可視化設(shè)施，實現(xiàn)脈動生產(chǎn)線作業(yè)指導(dǎo)的可視化。通過對現(xiàn)場制造信息的采集與分析，實現(xiàn)制造、裝配資源的實時監(jiān)控。

第5步：配套完全，主要包括工裝工具的配套。為了縮短飛機(jī)生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)同型號飛機(jī)的不同組件或同類型飛機(jī)的對應(yīng)組件的裝配要求，飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線的工藝裝備要求具備柔性化、數(shù)字化、模塊化和自動化的特點(diǎn)[4]。

第6步：物流配送管理。為了降低成本，保證總裝生產(chǎn)作業(yè)按照脈動節(jié)拍要求平穩(wěn)進(jìn)行，需要提升脈動生產(chǎn)線物流運(yùn)作效率，實現(xiàn)物料配送的精準(zhǔn)化、高效化和柔性化[5]。在實際生產(chǎn)線規(guī)劃過程中，為提高脈動生產(chǎn)線的執(zhí)行效率，零件、標(biāo)準(zhǔn)件應(yīng)由專人或自動化AGV 小車進(jìn)行配送，應(yīng)增加生產(chǎn)準(zhǔn)備工（簡稱：生準(zhǔn)工），專門負(fù)責(zé)裝機(jī)零件及工裝的準(zhǔn)備，配合AGV 小車實現(xiàn)零件、部件、成附件的裝前配送。通過物料自動化裝前配送可以大大節(jié)省裝配作業(yè)工人領(lǐng)料時間，有效提高工人的工作效率。通過對產(chǎn)品的物料信息、產(chǎn)品零部件質(zhì)量追溯；通過提高產(chǎn)品零部件的物料信息和質(zhì)量信息的可視化，可以為產(chǎn)品的質(zhì)量追溯提供有力保障。為實現(xiàn)飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線物流配送的智能化，在后續(xù)生產(chǎn)線優(yōu)化過程中，要運(yùn)用人工智能算法和仿真優(yōu)化技術(shù)制定最優(yōu)物流規(guī)劃方案，按照配套清單將物料自動分揀、自動配送到指定工位，實現(xiàn)按站位的物料精準(zhǔn)配送[6]。

圖1 飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃建設(shè)流程Fig.1 Planning and construction process of aircraft assembly pulsation line

數(shù)字化設(shè)計與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃建設(shè)中生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計與優(yōu)化是重難點(diǎn)之一。飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計與優(yōu)化包括工藝流程的優(yōu)化、生產(chǎn)線建模仿真、裝配過程仿真等關(guān)鍵技術(shù)。在飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線的數(shù)字化設(shè)計與優(yōu)化過程中，需要基于總裝脈動生產(chǎn)線的節(jié)拍和站位規(guī)劃要求進(jìn)行裝配工藝流程的優(yōu)化，以滿足裝配過程的脈動節(jié)拍要求。工藝流程優(yōu)化后，通過數(shù)字化建模技術(shù)對系統(tǒng)中的產(chǎn)品、資源、工藝等數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通過模擬仿真生產(chǎn)線裝配全過程，實現(xiàn)包括生產(chǎn)線層、站位層、部位層、工序?qū)拥慕：头抡妫崿F(xiàn)工藝流程的再優(yōu)化、生產(chǎn)線平衡和生產(chǎn)節(jié)拍控制，輸出裝配工藝文件。

1 工藝流程優(yōu)化

工藝流程優(yōu)化內(nèi)容包括裝配線的生產(chǎn)綱領(lǐng)制定、生產(chǎn)線的工藝流程制定等，在此過程中，需要進(jìn)行工序的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)制定，實現(xiàn)指令信息優(yōu)化，主要包括以下內(nèi)容：

（1）完善指令工種和工作部位，最大限度開展并行工作；（2）增加工時和人數(shù)信息，人數(shù)與工時應(yīng)匹配，以便于工序合理化調(diào)配；（3）根據(jù)初步方案設(shè)定的站位計劃，將指令細(xì)化到各站位的工作中，同時應(yīng)將可以機(jī)外安裝的工序放在饋送生產(chǎn)線上完成。

在實際應(yīng)用過程中，需使用DELMIA 等軟件開展數(shù)字化裝配工藝設(shè)計，其主要工作包括項目PPR結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建和子節(jié)點(diǎn)建立以及工藝規(guī)劃等，如圖2所示，其過程的具體操作為靜態(tài)干涉與機(jī)構(gòu)運(yùn)動干涉檢查→IMBOM 構(gòu)建（工藝分離面劃分）→工藝分析/工藝設(shè)計信息添加→AO項目建立及零件劃分→裝配仿真驗證→裝配順序查看及優(yōu)化。

2 生產(chǎn)線建模與仿真優(yōu)化

飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線建模與仿真優(yōu)化包括生產(chǎn)線仿真、裝配路徑驗證、人體姿勢分析等內(nèi)容。以DELMIA V6 軟件為例，進(jìn)行飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線仿真優(yōu)化，如圖3所示，將DELMIA V6 軟件中的制造規(guī)劃與人機(jī)工程兩大模塊應(yīng)用于飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線建模與仿真優(yōu)化。

在DELMIA V6 軟件中的建模輸入數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)3 大類，具體包括以下內(nèi)容。

（1）產(chǎn)品數(shù)據(jù)包含產(chǎn)品數(shù)模和產(chǎn)品裝配連接信息的模型等，用于裝配仿真的產(chǎn)品模型應(yīng)經(jīng)過靜態(tài)干涉分析，產(chǎn)品模型應(yīng)按1∶1 建立，模型空間位置由坐標(biāo)系定位。（2）資源數(shù)據(jù)包含工裝、工具、設(shè)備、廠房、工人等模型。工藝規(guī)劃階段尚無專用工裝、工具、設(shè)備等的數(shù)模，可在詳細(xì)工藝設(shè)計和工藝仿真過程中逐步添加完善。通用工裝、工具、設(shè)備以及人體模型等可在前期建立對應(yīng)資源庫，使用時從中調(diào)取。用于裝配仿真的資源模型應(yīng)經(jīng)過靜態(tài)干涉分析，用于裝配現(xiàn)場的裝配仿真應(yīng)盡可能導(dǎo)入所有資源模型，以保證仿真結(jié)果的真實性。工藝裝備的模型應(yīng)統(tǒng)一在產(chǎn)品坐標(biāo)系下建立，有運(yùn)動機(jī)構(gòu)的元件應(yīng)建立其運(yùn)動約束。（3）工藝數(shù)據(jù)包含工藝指令等模型，應(yīng)保證脈動生產(chǎn)線站位之間沒有前置任務(wù)關(guān)系（可以各站位獨(dú)立完成同一天的內(nèi)容），部位之間原則上也沒有前置任務(wù)關(guān)系（各部位獨(dú)立完成）。

為了能夠?qū)︼w機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線的各層級進(jìn)行精確建模和分析，在建模過程中，采用多層級建模方法，主要包括生產(chǎn)線層、站位層、部位層、工序?qū)拥慕：头抡?。生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化主要解決裝配線平衡問題，優(yōu)化實現(xiàn)裝配線脈動節(jié)拍控制。裝配仿真與優(yōu)化主要是從裝配順序、裝配路徑及人機(jī)工程3個方面結(jié)合產(chǎn)品、資源的設(shè)計數(shù)模對裝配工藝設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行驗證和優(yōu)化。仿真與優(yōu)化的仿真結(jié)果包括輸出IMBOM 結(jié)構(gòu)、輸出指令性裝配順序圖、輸出部件/段件/組合件裝配工藝設(shè)計信息、輸出裝配網(wǎng)絡(luò)圖、輸出裝配作業(yè)指導(dǎo)書等。

圖2 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計流程Fig.2 Digital assembly process design flow

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

利用工藝流程優(yōu)化和生產(chǎn)線建模與仿真優(yōu)化兩大關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線數(shù)字化設(shè)計與優(yōu)化的主要步驟包括空間布局規(guī)劃、工藝指令優(yōu)化與脈動節(jié)拍確定、生產(chǎn)線系統(tǒng)建模、生產(chǎn)線仿真優(yōu)化與裝配工藝指令再優(yōu)化、裝配仿真優(yōu)化5大步驟。

（1）空間布局規(guī)劃。圖4所示為某型號飛機(jī)規(guī)劃后的總裝脈動生產(chǎn)線站位布局圖，該型號飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線初步規(guī)劃由5大站位組成，并將飛機(jī)分為11 大部位和9大系統(tǒng)。5大站位分別為導(dǎo)管電纜安裝站位、成附件部件安裝站位、大部件對接站位、初步調(diào)試站位和總調(diào)測試檢查站位。完整的飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線包括主移動生產(chǎn)線區(qū)域、饋送生產(chǎn)線區(qū)域、工裝設(shè)備區(qū)域、零部件和成附件擺放區(qū)域。主移動生產(chǎn)線區(qū)域，起點(diǎn)為上述區(qū)域的最右端，分5站位向總裝廠左端移動，在第5站位完工后，直接出廠交付試飛站。饋送生產(chǎn)線放置在飛機(jī)生產(chǎn)線的一側(cè)，其布置應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線的需求安排，以便在合適的時間提供支持，主要包含機(jī)翼準(zhǔn)備、發(fā)動機(jī)、座椅、艙蓋等工作區(qū)域；工裝設(shè)備區(qū)域和零部件、成附件擺放區(qū)域，不設(shè)定單獨(dú)的區(qū)域，每個站位的兩側(cè)可根據(jù)需要進(jìn)行定置，零部件、成附件必須設(shè)置擺放架，禁止地面擺放，工裝擺放區(qū)域應(yīng)在站位附近定置，減少操作人員無效移動時間。

（2）工藝指令優(yōu)化與節(jié)拍確定。以飛機(jī)的全機(jī)3D 模型為樣本，利用DELMIA 軟件開展數(shù)字化裝配工藝設(shè)計，采用如圖2所示的工藝定義方法，實現(xiàn)將EBOM 轉(zhuǎn)換為ABOM。根據(jù)該型號飛機(jī)總裝配三級網(wǎng)絡(luò)圖，將產(chǎn)品3D 數(shù)模導(dǎo)入至DELMIA V6軟件Process Definition 模塊，制定出5個站位的工藝流程圖，然后再根據(jù)各系統(tǒng)的指令詳細(xì)信息資料，形成完整的流程圖，初步規(guī)整出流程裝配順序，并將一些可以提前完成的工序提取出來，在另外的區(qū)域建立饋送生產(chǎn)線，然后整體進(jìn)入生產(chǎn)線。通過流程圖表的繪制，初步得出每個站位的基本工作時間約為8.5d，將生產(chǎn)線移動時間和一些不可預(yù)知的因素（如排故、缺件等）耗費(fèi)時間計入，暫定為0.5d，初期將每個站位的理論節(jié)拍時間為9d。

圖3 DELMIA V6功能模塊Fig.3 DELMIA V6 functional module

圖4 某型號飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線站位布局圖Fig.4 Layout of a type of aircraft assembly pulsation line

在指令信息優(yōu)化過程中，需要進(jìn)一步確定哪些工序是關(guān)鍵工序。將各站位的工序進(jìn)行優(yōu)化后，獲取如圖5所示的所有站位所有工序的指令表，指令表中具體數(shù)字含義如圖5（a）所示。

（3）生產(chǎn)線系統(tǒng)建模。生產(chǎn)線系統(tǒng)建模具體過程包括數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)入資源、關(guān)聯(lián)定義和多層次模型實現(xiàn)。建模采集的數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)、車間布局?jǐn)?shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等。導(dǎo)入的資源包括產(chǎn)品模型、輔助模型（Labor、Buffer、AGV等）和資源制造模型。

關(guān)聯(lián)定義是指5個站位定義裝配過程，定義系統(tǒng)組成和操作過程如圖6所示。在每個站位系統(tǒng)中定義11個部位，在每個部位系統(tǒng)中定義操作（Operation），Operation 中的時間邏輯關(guān)系用甘特圖，實現(xiàn)如圖7所示。全部定義完成后就可以實現(xiàn)生產(chǎn)線層、站位層、部位層、工序?qū)拥亩鄬哟文Ｐ停鐖D8所示。

圖5 指令信息優(yōu)化示例Fig.5 Command information optimization example

圖6 模型關(guān)聯(lián)定義Fig.6 Association definition of model

圖7 飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線甘特圖Fig.7 Gantt chart of aircraft assembly pulsation line

圖8 飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線多層次模型Fig.8 Multi-level model of aircraft assembly pulsation line

（4）生產(chǎn)線仿真優(yōu)化與裝配工藝指令再優(yōu)化。建模完成后實現(xiàn)飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線的仿真與每個站位裝配過程的仿真，實現(xiàn)生產(chǎn)線平衡分析、生產(chǎn)節(jié)拍優(yōu)化、工序時間的分析和優(yōu)化、裝配姿勢分析等優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)一步合理優(yōu)化每個站位每道工序需要的工時，優(yōu)化人力資源分配和生產(chǎn)進(jìn)度節(jié)拍，從而達(dá)到工藝流程再優(yōu)化和脈動節(jié)拍控制的目標(biāo)[8–10]。

采用DELMIA V6 中的自動分析模塊ALB進(jìn)行生產(chǎn)線平衡測試，生產(chǎn)線平衡即在可用的工作時間內(nèi)有效分配工作數(shù)量和種類，避免過度或不充分地利用資源，通過測試可以判定生產(chǎn)線站位與工序設(shè)置是否合理，找出脈動生產(chǎn)線的瓶頸部位，便于后續(xù)有針對性地進(jìn)行生產(chǎn)線優(yōu)化工作。為實現(xiàn)生產(chǎn)線資源的工作負(fù)載平衡，找出瓶頸資源實現(xiàn)資源工作負(fù)載的優(yōu)化（圖9）。圖10為進(jìn)行生產(chǎn)線平衡的過程，通過找出脈動生產(chǎn)線的瓶頸站位，實現(xiàn)生產(chǎn)線的平衡，并控制生產(chǎn)線的脈動節(jié)拍。

（5）裝配仿真優(yōu)化。裝配仿真優(yōu)化主要是從裝配順序、裝配路徑及人機(jī)工程3個方面結(jié)合產(chǎn)品、資源的設(shè)計數(shù)模對裝配工藝設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行驗證和優(yōu)化，如圖11所示，可以實現(xiàn)裝配干涉分析與人體姿勢分析，并輸出裝配作業(yè)指導(dǎo)書等工藝文件。

圖9 資源工作負(fù)載平衡Fig.9 Resource workload balancing

圖10 生產(chǎn)線平衡Fig.10 Line balance

圖11 DELMIA V6裝配仿真Fig.11 Assembly simulation of DELMIA V6

結(jié)論

本文從飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線的特點(diǎn)出發(fā)，詳細(xì)闡述了飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線規(guī)劃的詳細(xì)過程，論述了飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線數(shù)字化建設(shè)中的工藝流程優(yōu)化和生產(chǎn)線建模與仿真優(yōu)化兩大關(guān)鍵技術(shù)。飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線建設(shè)是一個復(fù)雜系統(tǒng)工程，在規(guī)劃與構(gòu)建過程中需要參考數(shù)字化生產(chǎn)線的實施方法。因此，數(shù)字化生產(chǎn)線構(gòu)建是未來飛機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線新的研究方向。