對飛機工裝制造效率提升的研究

林明路 徐騰飛 付仕

摘? 要：通過對用于飛機裝配的工程裝備（簡稱工裝）制造方面進行分析，在工裝設(shè)計與返修、工裝工藝設(shè)計與采購、工裝生產(chǎn)與外協(xié)、工裝的物理信息全覆蓋、系統(tǒng)融合這五大部分中，針對工裝制造效率低下問題，提出提升效率的方法與展望。

關(guān)鍵詞：飛機工裝;工裝設(shè)計;工裝生產(chǎn);工裝工藝設(shè)計

中圖分類號：V262.4? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0079-03

Abstract： Based on the analysis of the manufacturing of engineering equipment for aircraft assembly， the methods and prospects of improving efficiency are put forward， aiming at the low efficiency of engineering equipment manufacturing in terms of five parts of engineering equipment design and repair， engineering equipment processing design and procurement， engineering equipment production and outsourcing， full coverage of physical information of engineering equipment， and system integration.

Keywords： aircraft engineering equipment; engineering equipment design; engineering equipment manufacturing; engineering equipment processing design

現(xiàn)有國內(nèi)的飛機制造廠商，大多存在同時進行某一型號飛機規(guī)模批產(chǎn)、某一型號試驗生產(chǎn)、某一機型研制生產(chǎn)的現(xiàn)象[1]。由于飛機的機型多，在獲取型號合格和試航審定所需要的數(shù)據(jù)與證據(jù)的前提是：用于飛機以研制和試驗機型為主要任務(wù)的工裝生產(chǎn)要保質(zhì)、保量。當然，工裝的生產(chǎn)不僅僅包含研制和試驗機型，也包含已經(jīng)使用工裝的改進升級、功能優(yōu)化、損壞維修等[2]。飛機的機型多，相應(yīng)的，飛機生產(chǎn)的周期就長，生產(chǎn)成本就高，用于輔助飛機制造的工裝的數(shù)量就多、型號就復(fù)雜。但限于有限資源，工裝生產(chǎn)壓力巨大。因此，有必要對影響現(xiàn)有工裝制造狀況的情景進行綜合描述與分析，并且提出具有指導(dǎo)意義的提升工裝制造效率的策略。在深入調(diào)研了國內(nèi)幾家飛機制造廠，梳理出影響飛機工裝制造效率的幾大主要因素：工裝設(shè)計與返修、工裝工藝設(shè)計與采購、工裝生產(chǎn)與外協(xié)、工裝的物理信息全覆蓋、系統(tǒng)融合。

1 工裝設(shè)計與返修

現(xiàn)有的技術(shù)條件，工裝的設(shè)計在國內(nèi)仍以串行模式為主[3]。設(shè)計得到的工裝指令來源于三個途徑，第一是研發(fā)本體的數(shù)?；蛘咦鴺?，附帶有技術(shù)要求;第二是現(xiàn)場實際操作中，需要某種輔助類的工裝;第三是裝配過程中，飛機本體的實際誤差導(dǎo)致工裝重制或者返修。為提高工裝設(shè)計與返修的生產(chǎn)效率，可選取以下多種策略。

首先，柔性思維，鼓勵設(shè)計人員進行柔性創(chuàng)新思維。工裝的剛性結(jié)構(gòu)的改進，比如裝配型架類的剛性結(jié)構(gòu)，升版為可調(diào)節(jié)的、帶活動定位的柔性結(jié)構(gòu)。研發(fā)探索框架結(jié)構(gòu)的整體固化成型技術(shù)，減少標準工裝和輔助工裝的數(shù)量。其次，集成式思維，工裝的集成式和模塊化的設(shè)計，可以為生產(chǎn)并行與維修更換節(jié)省時間，實現(xiàn)工裝快修，提高效率。然后，設(shè)計方向的專業(yè)化，同類型的設(shè)計任務(wù)由專員進行，按照：裝配工裝、標工、檢測工裝、地面設(shè)備、模具模胎五大類分工，設(shè)置合理工時。同樣，是零件庫、工具庫模塊的建設(shè)，這能提高快速設(shè)計能力與工裝的簡易化設(shè)計水平。產(chǎn)品設(shè)計輔助系統(tǒng)通過機械設(shè)計、仿真模擬、電氣設(shè)計等輔助軟件，改善設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計過程中的工作效率，減少設(shè)計與制造的成本，主要體現(xiàn)在數(shù)字化協(xié)調(diào)和管理的框架中。甚至，計算機的更新?lián)Q代、采用多屏顯示器，通過提高計算機處理能力也能提高工裝設(shè)計效率。

另外，工裝的制造車間與使用廠房通常是異地，國內(nèi)處理工裝的返修或者報廢處理，仍是需要專門在現(xiàn)場與使用廠房進行協(xié)調(diào)的人員[4]。過去，是“推送過程”：由計劃科室調(diào)度或者現(xiàn)場主管轉(zhuǎn)交需求，結(jié)果工裝生產(chǎn)周期長、問題交接不清。而新興的“聯(lián)絡(luò)員”崗位，是“拉式過程”：安排對于現(xiàn)場缺少的保護工裝、輔助工裝要有足夠的能力識別并且轉(zhuǎn)化為可操作的需求的人來擔任，進一步縮短工裝返修或者報廢處理的周期。

2 工裝工藝設(shè)計與采購

工裝設(shè)計階段完成，過去，打印出設(shè)計圖紙和3D數(shù)模[5]，現(xiàn)場施工人員需要圖紙作為主要依據(jù)，時代越來越強調(diào)無紙化，目前在移動終端實現(xiàn)三維數(shù)模的預(yù)覽，包括原材料、技術(shù)指標、工作節(jié)點、責任流程等，大幅度提高現(xiàn)場對于工裝的理解程度，提高現(xiàn)場施工的工作效率。在工裝圖紙與工裝生產(chǎn)中，起到把關(guān)工裝設(shè)計的可行性與瑕疵性，起到合理分配工時與安排工序的就是工藝設(shè)計階段的主要任務(wù)。工藝知識領(lǐng)先，大量的工藝基礎(chǔ)知識儲備，對于形成標準化工藝，智能化建立標準工藝具有舉足輕重的意義。在工藝設(shè)計階段，主要存在新制、復(fù)制和返修工裝三大類。工藝編制階段，以往存檔僅是針對圖紙，現(xiàn)在對以下內(nèi)容均進行云存檔：設(shè)計圖紙與三維數(shù)模;標準件、品牌件，甚至原材料的采購單;工藝路線的編制;數(shù)控加工編程程序，以及以上相關(guān)設(shè)計人員、操作人員、計劃人員和節(jié)點安排的全生命周期電子存儲。而基于模型的協(xié)同平臺，則是將系統(tǒng)的表達由“文檔為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳Ｐ蜑橹行摹?，建模要基于統(tǒng)一的語言，從設(shè)計模型、制造、檢測、返修幾個方面，全面支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、檢驗等活動，貫穿工裝的全生命周期。

編制工藝文件需要構(gòu)建工序檢查和云存儲系統(tǒng)，以便于復(fù)制、返修工裝的工藝能實現(xiàn)快速編制與下發(fā)[6]。編制的材料清單需要云存儲，以便于快速下單，基于大量的電子文檔下的專家系統(tǒng)，可運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學習的算法，智能搜索并推薦合理的材料采購方案。當然，與不同的供應(yīng)商建立合理的采購系統(tǒng)，會提高信息溝通效率。另外，采購仍是限制現(xiàn)場加工進度安排的一個重要因素，打破采購、物流、生產(chǎn)制造商三者的“信息孤島”是采用三方平臺與云計算系統(tǒng)后，從設(shè)計階段就產(chǎn)生自動預(yù)定的庫房材料，有效縮短產(chǎn)品制造周期。

3 工裝生產(chǎn)與外協(xié)

零部件制造工藝復(fù)雜，零件材料涉及有色、黑色金屬以及復(fù)合材料，零件結(jié)構(gòu)異型多樣，高精度復(fù)合加工設(shè)備要求高，切削性能差，工藝過程涉及許多工種、工位高度交叉[7]。新型號任務(wù)多、批次及三包工作量不均衡，對于生產(chǎn)工序、人員依賴性強，目前國內(nèi)外智能制造研究的主要方向是在線采集及狀態(tài)傳感器技術(shù)。通過信息系統(tǒng)及傳感技術(shù)，零件全過程加工要實現(xiàn)融合分析，優(yōu)化產(chǎn)品制造工藝，改進運營模式。圖像識別技術(shù)，將CATIA的三維數(shù)模與二維圖紙進行模糊識別與機器學習算法計算，經(jīng)過大量的學習，實現(xiàn)工藝優(yōu)化，自動生成工藝流程。防錯系統(tǒng)體系的建立：實現(xiàn)程序糾錯、原材料糾錯、上料糾錯、設(shè)備程序使用糾錯等防錯體系，生產(chǎn)數(shù)據(jù)不丟失，不能隨意被篡改。

過去，用以傳統(tǒng)機械加工的車床、機床占廠房空間巨大，因此必須合理的設(shè)備規(guī)劃減少每次的調(diào)運距離，提高運轉(zhuǎn)效率[8]。在“去地基化”的追求中，工藝與設(shè)計的融合，配合現(xiàn)場基礎(chǔ)機床加工與轉(zhuǎn)運，實現(xiàn)小型工裝的小批量、多型號生產(chǎn)，在多臺AGV小車的基礎(chǔ)上，配合機器人手臂，實現(xiàn)雙三軸驅(qū)動配合，這種“螞蟻啃骨頭”能靈活、高效、智能的對工裝實現(xiàn)打孔、焊接、切割、磨拋的任務(wù)，解決特征復(fù)雜多序加工的部位，將大大減少裝夾次數(shù)，實現(xiàn)精密加工。

大型架構(gòu)的工裝，傳統(tǒng)機械加工需要多次切割、多次焊接、多次測量，采用多機加機器人移動加工，能夠?qū)崿F(xiàn)加工誤差補償，自主尋位，實現(xiàn)加工前測量確定尺寸狀態(tài)，加工后測量實現(xiàn)質(zhì)量評估。從數(shù)控機床到復(fù)合機床，再到智能加工現(xiàn)場，工裝生產(chǎn)的去人工、去搬運、去工序能力越來越強。智能化的自動識別加工特征、自動防止刀具與工件干涉、機床診斷、在線監(jiān)測與機床監(jiān)測、在線測量。而骨骼機器人的使用，使材料搬運不局限于行車吊運，也適用于短距跨廠房搬運。針對復(fù)雜曲面、異性工裝，采用增量制造方法，如3D打印。

零件的管理工作，比如對現(xiàn)場加工的6S管理，避免出現(xiàn)加工零件的混亂、損壞、丟失現(xiàn)象，尤其是工裝上，堅決杜絕“多余物”，因此零件庫的高精準借出與歸還系統(tǒng)十分重要。工裝數(shù)控操作人員的技能和安全素養(yǎng)提升，適時進行技能大賽和安全生產(chǎn)競賽。工藝員的編程、統(tǒng)籌與技術(shù)能力也是影響數(shù)控加工和工裝生產(chǎn)流程的重要因素，流程的缺失會造成現(xiàn)場操作的混亂，編程的失誤會造成工裝的報廢，帶有工藝規(guī)劃的編程系統(tǒng)，無疑提高工藝的編制效率。

機械加工的維護與系統(tǒng)升級，檢測機械的加工精度，不定期與定期相結(jié)合的機械保養(yǎng)，對于延長機加設(shè)備的壽命，減少因為機加設(shè)備的故障而產(chǎn)生的停工，影響加工節(jié)奏。

部分零部件或者工序的外包，開發(fā)的一體化平臺，合作伙伴的產(chǎn)品設(shè)計參與，框架協(xié)議的簽署，縮短了工裝的制造周期。針對眾多合作伙伴、供應(yīng)商，建立多渠道、多維度的評價機制，對于提高工裝的質(zhì)量也越發(fā)重要。

4 工裝的物理信息全覆蓋

工裝標牌或者標志由過去的大量文字信息，發(fā)展為條形碼與二維碼的使用[9]。通過掃描工裝二維碼，可以直接反饋工裝的設(shè)計要求，基準點，工裝的制造者，工裝的生命周期與定期檢測周期，以及返修時間、次數(shù)、位置等。工裝的場景信息反饋更加高效，在掃描完工裝的信息后，根據(jù)不同權(quán)限，即可報告工裝的維修或者返修要求，并且監(jiān)督進度。而帶有執(zhí)行器與傳感器的工裝可實現(xiàn)工裝的智慧化。VR場景化的物資查找定位，數(shù)字化的提醒使用位置與功能。

5 系統(tǒng)融合

目前，大多數(shù)飛機制造公司，仍然是存在至少上百個獨立的、或者完全不同的系統(tǒng)，在工裝的實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)會在一定條件下連接，但是在語義不同的情況下，有部分企業(yè)盡管實現(xiàn)了多種系統(tǒng)的融合，但無法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的完全整合[10]。在信息流通過程中，就會出現(xiàn)遺漏、錯誤，并且消耗大量毫無意義的時間。在實現(xiàn)更多系統(tǒng)融合的云存儲，實現(xiàn)一個系統(tǒng)解決所有問題是未來的趨勢。

企業(yè)經(jīng)營層在ERP系統(tǒng)融合MES系統(tǒng)，綜合設(shè)備基本信息、物料庫存信息、生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)指令，結(jié)合工藝設(shè)計完成車間的生產(chǎn)計劃、采購庫存、成本核算、產(chǎn)品銷售、決策分析等管理工作;制造執(zhí)行層基于工廠模型、生產(chǎn)模型及事件模型，完成數(shù)字化車間的作業(yè)計劃、調(diào)度分析、生產(chǎn)過程追蹤、質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備管理、自動預(yù)警與控制、能耗控制等執(zhí)行類工作;過程控制層對生產(chǎn)中的物流、產(chǎn)品質(zhì)量、人員監(jiān)控、物料監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、工藝參數(shù)等進行收集和分析，形成集成化的數(shù)據(jù)管理;智能設(shè)備層由物流AGV配送系統(tǒng)、智能機器人系統(tǒng)、物流中心自動化立體倉庫等多種關(guān)鍵智能系統(tǒng)及設(shè)備構(gòu)成。

產(chǎn)品設(shè)計及相關(guān)的文檔將在企業(yè)設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、銷售、產(chǎn)品維護的全過程被引用，數(shù)據(jù)引用與融合，人員之間、部門之間協(xié)同工作。設(shè)計部門、工藝、制造、檢驗、質(zhì)量部門產(chǎn)生的產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)，包括工裝數(shù)據(jù)、三維模型、二維圖樣、工藝數(shù)據(jù)、標準規(guī)范、設(shè)計數(shù)據(jù)等，需要共享，實現(xiàn)云存儲。尤其是出現(xiàn)設(shè)計更改，相關(guān)底層設(shè)計師要能知道上層設(shè)計的具體設(shè)計要求以及更改的具體數(shù)據(jù)，變更查看的實時性，并且要帶有響應(yīng)，而且要保存這種更改的數(shù)據(jù)。建立車間現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)，自動采集質(zhì)量數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場透明可控。

數(shù)字化車間項目總體規(guī)劃出發(fā)，包括設(shè)計模式、生產(chǎn)模式、業(yè)務(wù)流程、設(shè)施與物流、物料編碼規(guī)范、IT總體規(guī)劃等方面規(guī)劃、集成與業(yè)務(wù)重組，也涉及生產(chǎn)線的建設(shè)、設(shè)備采購與安裝、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、硬件采購安裝、多系統(tǒng)集成?？傮w規(guī)劃必須考慮航空制造的特點與精益生產(chǎn)相結(jié)合，構(gòu)建工廠信息模型和工藝仿真技術(shù)，優(yōu)化和重構(gòu)生產(chǎn)工藝流程。集成數(shù)控機床、原點定位系統(tǒng)、柔性夾具、虛擬模擬裝配場景、精密探測、機器人等，信息化設(shè)備的自我學習能力，基于數(shù)字孿生的多源自動化設(shè)備、機器人自動尋位等協(xié)同控制，實現(xiàn)零件的下料、粗精加工、檢測、修偏等應(yīng)用。移動對接平臺，集成IGPS導(dǎo)航系統(tǒng)、多維傳感器、多套數(shù)控定位器、移動機械臂的AGV等，實現(xiàn)姿態(tài)自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)誤差檢測與補償。

6 結(jié)束語

現(xiàn)在，國內(nèi)飛機制造企業(yè)在不同程度上，由“硬性制造”轉(zhuǎn)向“柔性制造”，進而升級為“智能制造”。在工裝制造過程中，互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)作用更加明顯，“跨尺度、可移動、多工況”的思維趨向明顯，在工裝設(shè)計與返修、工裝工藝設(shè)計與采購、工裝生產(chǎn)與外協(xié)、工裝的物理信息全覆蓋、系統(tǒng)融合這五大板塊，對于復(fù)雜工裝的機械加工處理能力要求更高，去地基化更加明顯，廠房將不再是限制加工生產(chǎn)工裝的障礙;智能系統(tǒng)處理能力，通過大量的原始資料的積累，利用近些年興起的圖像處理與機器學習等人工智能方式，提高工藝、編程能力，降低勞動強度;提高或者優(yōu)化不同機器、軟件、系統(tǒng)的語言通用性，提高工裝電子數(shù)據(jù)及其相關(guān)性全生命過程的完整性，集智慧機床、智能機器人、大數(shù)據(jù)物流信息、人員管理系統(tǒng)等多系統(tǒng)融合能力，支持高效率、低成本的實現(xiàn)對工裝研制、批產(chǎn)的支持。

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