航天地面設(shè)備制造型企業(yè)柔性制造方式探討

姚小衛(wèi) 喬迎軍 王海平 劉 飛 趙玉龍

現(xiàn)代管理

航天地面設(shè)備制造型企業(yè)柔性制造方式探討

姚小衛(wèi) 喬迎軍 王海平 劉 飛 趙玉龍

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046000）

針對多品種、變批量、快節(jié)奏的航天地面設(shè)備產(chǎn)品制造，簡單闡述了柔性制造的基本原理、構(gòu)成和國內(nèi)外應用情況及效果。并介紹了柔性制造涉及的成組技術(shù)、零點定位技術(shù)、信息化技術(shù)等關(guān)鍵組成，根據(jù)需求探討了相關(guān)技術(shù)結(jié)合可行性。提出了基于柔性制造思想的航天地面設(shè)備產(chǎn)品制造的改善思路和實施模型。國內(nèi)外多個企業(yè)應用實踐表明，柔性性制造技術(shù)對航空、航天類產(chǎn)品制造的綜合效益有明顯改進，能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

柔性制造；成組技術(shù)；零點定位；融合

1 引言

隨著以數(shù)字化、信息化、智能化制造為標志的新工業(yè)變革席卷全球，“德國工業(yè)4.0”、“美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”等一系列有關(guān)先進制造的政策與計劃應運而生。面對機遇和挑戰(zhàn)，中國提出了“中國制造2025”規(guī)劃和具體要點，涵蓋航空航天裝備領(lǐng)域，鼓勵優(yōu)勢企業(yè)開展柔性化訂制生產(chǎn)，增品種、提品質(zhì)、創(chuàng)品牌[1]。2016年，中國航天科技集團有限公司組織召開了航天先進制造技術(shù)國際研討會，進一步落實“制造強國”規(guī)劃，籌備“航天制造2025”、“智能制造”等專項活動[2]。

2 航天地面設(shè)備制造型企業(yè)面臨的問題

面對機遇和挑戰(zhàn)，航天地面設(shè)備制造企業(yè)也積極提出了應對措施。但隨著國家政策、總體市場環(huán)境的變化，航天地面設(shè)備制造型企業(yè)生產(chǎn)方式呈現(xiàn)出多品種、變批量、快節(jié)奏的典型特點，生產(chǎn)成本居高不下、質(zhì)量穩(wěn)定性不高、準時化交付壓力越來越大，具體表現(xiàn)為：a.研制能力強，批產(chǎn)能力弱，生產(chǎn)模式為研制、批產(chǎn)混線生產(chǎn)；b.根據(jù)產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)、工藝特點，設(shè)立對應的車間、工段，設(shè)備布局多采用機群式布局；c.短期內(nèi)不能形成多品種快速批產(chǎn)能力，生產(chǎn)管理多采用延長工作時間、增加臨時外包方等方法滿足客戶需求；d.生產(chǎn)計劃頻繁調(diào)整，生產(chǎn)現(xiàn)場頻繁換產(chǎn)；e.生產(chǎn)準備調(diào)整時間長，設(shè)備常處于停機待產(chǎn)狀態(tài)，高價值的大型加工設(shè)備的利用率普遍低于行業(yè)平均水平；f.信息化建設(shè)不足、應用不充分，基于傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)組織與管理不能適應快節(jié)奏的多品種變批量的生產(chǎn)模式；g.生產(chǎn)一線、建設(shè)人員、操作人員、生產(chǎn)輔助相關(guān)人員常年加班加點，勞動強度大，工作積極性不高。

另外，隨著國家軍民融合戰(zhàn)略、軍隊體制機制改革和創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展等國家戰(zhàn)略的逐步推進，軍事裝備領(lǐng)域更加開放，準入門檻不斷降低，國內(nèi)優(yōu)勢民營企業(yè)不斷參與傳統(tǒng)領(lǐng)域的市場競爭中。而民用行業(yè)體制、機制靈活、市場化運作能力強，尤其部分民用特種裝備類企業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)好、制造能力強，使航天地面設(shè)備制造企業(yè)在外部合同履約能力、內(nèi)部生產(chǎn)成本管控上，都面臨較大風險。面對現(xiàn)狀，企業(yè)急需探尋、改善制造方式，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，準時交付。

3 柔性制造基本情況介紹

3.1 柔性制造的基本原理

柔性制造是適應市場個性化、多樣化的需求，提高企業(yè)市場競爭力的綜合性技術(shù)。柔性制造方式是在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時綜合應用成組技術(shù)、精益生產(chǎn)（準時化、自動化）和計算機集成制造技術(shù)等先進技術(shù)構(gòu)建的柔性制造系統(tǒng)。從生產(chǎn)現(xiàn)場布局劃分，柔性制造系統(tǒng)可分為柔性制造單元、柔性制造車間、柔性裝配線等等。

3.2 柔性制造應用情況

3.2.1 國外應用情況

上世紀八十年代末，為加快導彈的艙段及其它機加工件生產(chǎn)進度，美國休斯公司規(guī)劃和建成一套柔性制造系統(tǒng)。沃特宇航公司投資1000萬美元，完成一套柔性制造系統(tǒng)的建設(shè)，用以加工B21B飛機的精密零件。普·惠公司在用戶資金支持下，建成一套柔性生產(chǎn)線以加工噴氣發(fā)動機的葉片、渦輪盤等典型零件；美國通用公司也在同時期構(gòu)建多個柔性制造系統(tǒng)用于飛機發(fā)動機零件的加工[3]。

為提高應對市場需求和響應市場變化的能力，英國發(fā)動機制造商羅爾斯·羅伊斯公司投資800萬英鎊用4～5a時間分批建成16套柔性制造系統(tǒng)，用以生產(chǎn)渦輪、葉片、大機閘等零件。英國宇航公司分期分批新建和改建復合材料構(gòu)件、鈑金件的柔性生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線，建成集成化、一體化的柔性生產(chǎn)體系[3]。

3.2 國內(nèi)應用情況

20世紀90年代，隨著計算機技術(shù)日臻成熟，國內(nèi)部分企業(yè)開始構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)，如某飛機零件加工的柔性制造系統(tǒng)，它由8臺臥式加工中心與檢測工作臺組成，可以加工600種不同的飛機零件（利用4個具有自動導向的運輸車完成零件的傳輸。兩個裝卸工作站采用托盤存儲與傳輸加工件）。

近年來，隨著科學技術(shù)、綜合國力的進步，國內(nèi)民營企業(yè)也快速應用柔性制造技術(shù)。如針對個性化的批量定制生產(chǎn)的趨勢，徐工、三一、中聯(lián)重科，都建成了一批數(shù)字化柔性車間，使得整個制造過程更加柔性化，企業(yè)可以快速應對市場變化。

4 航天地面設(shè)備制造企業(yè)柔性制造應用探討

4.1 柔性制造涉及的關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 成組技術(shù)

成組技術(shù)是按照產(chǎn)品或事物的相似性，將性質(zhì)、結(jié)構(gòu)相似的劃為同類項合并處理，以優(yōu)化和減少解決問題的方案，獲得經(jīng)濟價值最大化，這種方法普遍應用于多品種、中小批量產(chǎn)品的制造過程中[4]。成組技術(shù)符合柔性制造原理：a.設(shè)備柔性：按零件加工特點被安排在不同類型成組加工單元中，機床加工的針對性強，換刀時間、組裝新夾具所需的時間和機床調(diào)整時間縮短；b.工藝柔性：成組加工體現(xiàn)了采用與加工某一零件組相對應的設(shè)備組加工零件的能力；c.流程柔性：按流程要求設(shè)置各類成組加工單元，屬于哪個流程就分配在成組加工單元中加工，提高設(shè)備加工的適應能力；d.批量柔性：成組后可以使零件組的生產(chǎn)批量加大，改變單件小批量生產(chǎn)的困境，有利于提高生產(chǎn)效率。

4.1.2 準時化技術(shù)、自動化技術(shù)

準時化技術(shù)、自動化技術(shù)源于豐田精益生產(chǎn)模式。精益生產(chǎn)是一種以最大限度減少企業(yè)生產(chǎn)所占用的資源和降低企業(yè)管理和運營成本為主要目標的生產(chǎn)方式和業(yè)績改進策略，同時又是一種改善的理念和文化[5]。

準時化技術(shù)涵蓋準時化生產(chǎn)（JIT）、快速切換（SWED）、看板管理、節(jié)拍時間（Tack-time）、一個流生產(chǎn)、均衡生產(chǎn)等；準時化生產(chǎn)的核心生產(chǎn)管理組織模式是拉動式生產(chǎn)，輔助目視化看板實現(xiàn)了“在必要的時間生產(chǎn)必要數(shù)量的必要產(chǎn)品”的目的，有效消除了生產(chǎn)過量的浪費。

自動化技術(shù)是用機器替代人工的相關(guān)技術(shù)，核心是“自動化缺陷控制”，通過三個主要的技術(shù)手段實現(xiàn)，即異常情況的自動化檢測、自動化停機、自動化報警。

4.1.2.1 快速切換（SWED）的核心技術(shù)——零點定位

為減少機械加工中夾具（如臺虎鉗、墊塊、壓塊等）更換的輔助時間，實現(xiàn)夾具（包括產(chǎn)品）與機床之間的快速切換、精準定位、可靠夾緊，逐步發(fā)展出零點定位技術(shù)。

某廠商的零點定位系統(tǒng)包括兩部分：零點定位系統(tǒng)（凹頭）和定位接頭（凸頭），零點定位系統(tǒng)通過大直徑高剛度的滾珠夾緊定位接頭，當給零點定位系統(tǒng)通入一定壓力的液壓（氣壓）時，滾珠向兩側(cè)散開，定位接頭可自由進出零點定位系統(tǒng)；當切斷壓力時滾珠向中心聚攏并鎖緊定位接頭。這兩部分之間的重復定位精度是0.002mm，同時提供5～30kN的夾緊力。零點定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 零點定位系統(tǒng)示意

在產(chǎn)品加工前，只需將零點定位系統(tǒng)精確地安裝到機床的工作臺上，這樣零點定位系統(tǒng)中的每個定位系統(tǒng)的位置相對機床來說都是確定的，然后在零點定位系統(tǒng)自帶的基準板上裝配夾具及工件。在編制加工程序時可以將任何一個零點定位系統(tǒng)作為基準點，這就是“零點”，這些“零點”不會因為更換工裝夾具或者更換工件而改變。零點定位系統(tǒng)應用示意見圖2。

圖2 零點定位系統(tǒng)應用示意

4.1.3 數(shù)字化制造

數(shù)字化制造是以計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、多媒體等基本技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合。數(shù)字化制造可以根據(jù)產(chǎn)品需求，快速匹配資源，進行物料、技術(shù)、設(shè)備等分析、仿真和生產(chǎn)計劃構(gòu)建，以及產(chǎn)品快速制造的過程控制[6]。數(shù)字化制造的核心為設(shè)計、控制、管理三個過程的數(shù)字化。其中，生產(chǎn)現(xiàn)場主要措施為制造設(shè)備數(shù)控化、技術(shù)文件電子化、現(xiàn)場管理可視化。

信息化是應用先進的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)去整合企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)、經(jīng)營、設(shè)計、制造、管理等業(yè)務，及時地為企業(yè)的“三層決策”系統(tǒng)（戰(zhàn)術(shù)層、戰(zhàn)略層、決策層）提供準確而有效的信息，以便對需求做出迅速的反應，其本質(zhì)是加強企業(yè)的“核心競爭力”。企業(yè)在生產(chǎn)當中廣泛運用信息技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。

4.2 航天地面設(shè)備制造企業(yè)柔性制造應用模型

為適應多品種、變批量、快節(jié)奏的生產(chǎn)特點，航天地面設(shè)備制造企業(yè)有必要進行柔性制造模式的改造。結(jié)合以上論述，具體改進思路為：a.對現(xiàn)有的產(chǎn)品、專業(yè)技術(shù)進行系統(tǒng)梳理，建立面向產(chǎn)品或面向?qū)I(yè)的產(chǎn)品族或?qū)I(yè)族；b.根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)特點確定選取生產(chǎn)特征；c.應用成組技術(shù)論證、設(shè)計生產(chǎn)布局方式、產(chǎn)線配置、設(shè)備型號；d.按數(shù)字制造技術(shù)對現(xiàn)有的設(shè)備進行升級換代，實現(xiàn)加工、檢測、裝配、試驗自動化； e.根據(jù)產(chǎn)品情況設(shè)計通用化、組合化的工藝裝置，并應用零點定位技術(shù)，實現(xiàn)品種間快速切換；f.應用豐田精益生產(chǎn)準時化技術(shù)（如看板管理、拉式生產(chǎn)），實現(xiàn)現(xiàn)場管理的準時生產(chǎn)；g.應用豐田精益生產(chǎn)自動化技術(shù)，提升產(chǎn)品品質(zhì)；h.圍繞生產(chǎn)現(xiàn)場、計劃管理，配置必須的信息化管理軟件（ERP、MES），實現(xiàn)信息集成管理。航天地面設(shè)備制造企業(yè)柔性制造技術(shù)應用模型見圖3。

圖3 航天地面設(shè)備制造企業(yè)柔性制造應用模型

另外，在柔性制造方式的基礎(chǔ)上，引進自動化的物流設(shè)施、機械人、機械臂等相關(guān)輔助裝置，通過仿真分析、專家系統(tǒng)建設(shè)和大數(shù)據(jù)平臺應用，使輔助裝置、加工設(shè)備具備一定的智能決策能力。因此，柔性制造是智能制造的基礎(chǔ)之一。

5 柔性制造應用效果舉例

隨著全球化市場的形成和發(fā)展，國內(nèi)外都越來越重視柔性制造的發(fā)展。制造柔性化已成為機械自動化發(fā)展的重要方向。實踐證明, 制造柔性化的效益是非常明顯的。如羅·羅公司發(fā)動機針對A320發(fā)動機及CFM56發(fā)動機的盤軸葉片零件，開發(fā)了一個柔性生產(chǎn)單元，使渦輪盤的單件時間從5～6個月縮短為2個月，將來可進一步縮短到1個月，使原需36臺機床才能達到的能力，現(xiàn)僅用16臺機床，配置每班10人（原配置36人）就能達到。國內(nèi)某飛機制造廠某制造單元通過柔性化改造，形成了多品種小批量柔性加工線，使單件產(chǎn)品效率平均提升40%，操作人員從12人減少到3人。

6 結(jié)束語

柔性制造是適應市場個性化、多樣化的需求，提高企業(yè)核心競爭力的重要手段。面對市場需求和挑戰(zhàn)，航天地面設(shè)備制造企業(yè)應結(jié)合產(chǎn)品特點，借鑒柔性制造思想，加快精益生產(chǎn)理念與傳統(tǒng)制造技術(shù)的深度融合，升級數(shù)字化技術(shù)、信息化技術(shù),構(gòu)建傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)的自動化、數(shù)字化、智能化為著力點,實現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量、高效率、高效益發(fā)展。

1 楊箴立. 對工匠精神的思考[J]. 人力資源開發(fā)，2018(8)：30

2 毛凌野. 2018年航天先進制造技術(shù)國際研討會成功召開[J]. 衛(wèi)星應用，2018(11)：72～73

3 曹運紅. 柔性制造系統(tǒng)、柔性制造單元和成組技術(shù)的發(fā)展及其應用[J].飛航導彈，2004(5)：62～63

4 師智斌. 成組技術(shù)在飛航產(chǎn)品生產(chǎn)中的應用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012

5 林德輝. 中聯(lián)重科實施精益生產(chǎn)的研究[D]. 長沙：中南大學，2012

6 韓陽，張博林. 數(shù)字化制造技術(shù)在航空復雜零件加工中的應用[C]. 2019航空裝備服務保障與維修技術(shù)論壇暨中國航空工業(yè)技術(shù)裝備工程協(xié)會年會論文集，2019(12)：623

Discussion on Flexible Manufacturing Mode of Aerospace Ground Equipment Manufacturing Enterprises

Yao Xiaowei Qiao Yingjun Wang Haiping Liu Fei Zhao Yulong

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046000)

In order to meet the needs of multi-variety, variable batch and fast-paced manufacturing of aerospace ground equipment products, based on understanding the basic principles, conposition, domestic and foreign applications and effects of flexible manufacturing, the key technologies involved in flexible manufacturing, such as the group technology, zero-point positioning technology and information technology etc., are discussed. After the feasibility of simultaneously applying the above-mentioned technologies is discussed in combination with requirements, the improvement ideas and implementation models of aerospace ground equipment product manufacturing are proposed from the concept of flexible manufacturing ideas. The application practices of many domestic and foreign enterprises have shown that flexible manufacturing technology has significantly improved the conprehensive benefits of aviation and aerospace product manufacturing, can ensure product quality, increase production efficiency and reduce production costs.

flexiblemanufacturing；group technology；zero pointpositioning；combination

TH186

C

姚小衛(wèi)（1982），高級工程師，機械制造設(shè)計及自動化專業(yè)；研究方向：航天地面設(shè)備制造技術(shù)、工藝管理。

2021-03-26