面向規(guī)?；a(chǎn)的小尺寸產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線技術(shù)研究

朱前成， 劉國柱， 熊珍琦， 邢向杰， 韓維群， 劉岳麓

（北京航星機(jī)器制造有限公司， 北京 100013）

0 引言

“十四五”期間，某小尺寸產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)顯著增加，傳統(tǒng)的嚴(yán)重依賴手工操作和人員技能的總裝模式面臨著巨大安全生產(chǎn)壓力。由于該航天產(chǎn)品總裝廠房為帶火工品作業(yè)，為滿足安全生產(chǎn)要求，難以通過增加人員和工位的方式滿足航天產(chǎn)品大批量快速交付的需求。 因此，航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)過程亟需向自動(dòng)化、柔性化和智能化的方向發(fā)展[1]。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，以自動(dòng)化物流和機(jī)器人自動(dòng)化制造應(yīng)用[2]為代表的智能制造技術(shù)在提高產(chǎn)品總裝效率、提升危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)的安全水平具有顯著優(yōu)勢(shì)，為規(guī)?；a(chǎn)條件下的航天產(chǎn)品安全總裝生產(chǎn)提供了新方法。

1 航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)現(xiàn)狀

某小尺寸產(chǎn)品裝配工藝一般包括性能檢查、 成件安裝、電纜連接、總裝集成、測(cè)試、裝箱等環(huán)節(jié)，作業(yè)時(shí)為多發(fā)產(chǎn)品并行作業(yè)，并基本為手工作業(yè)。

該航天產(chǎn)品現(xiàn)有的總裝廠房為裝測(cè)一體工房，按照“火工品裝配操作分級(jí)化、作業(yè)危險(xiǎn)等級(jí)精細(xì)化”的原則[3]，通過工序細(xì)化節(jié)拍式工位劃分的方式控制作業(yè)廠房定員。在大批量規(guī)?；a(chǎn)條件下， 廠房生產(chǎn)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間處于滿負(fù)荷狀態(tài)，為按時(shí)完成科研生產(chǎn)任務(wù)，只能采用加班、倒班的方式連續(xù)作業(yè)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，容易出現(xiàn)安全隱患。 為此，通過開展面向規(guī)?；a(chǎn)的航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線技術(shù)研究，優(yōu)化生產(chǎn)線布局，壓減操作人員并降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升航天產(chǎn)品安全生產(chǎn)水平，達(dá)到“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”的效果，實(shí)現(xiàn)國防科技工業(yè)安全生產(chǎn)治理體系和治理能力現(xiàn)代化目標(biāo)。

2 總裝生產(chǎn)線建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

與大尺寸航天產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)流程長(zhǎng)、工序復(fù)雜、小批量單件生產(chǎn)的生產(chǎn)模式相比，小尺寸產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、批次數(shù)量大、生產(chǎn)滾動(dòng)快、工序相對(duì)簡(jiǎn)單，規(guī)模化批次生產(chǎn)的生產(chǎn)模式對(duì)生產(chǎn)的快速響應(yīng)能力要求較高，更適應(yīng)建設(shè)自動(dòng)化總裝生產(chǎn)線。 本文在深入分析細(xì)化現(xiàn)有小尺寸航天產(chǎn)品工藝的基礎(chǔ)上， 研究利用自動(dòng)化或人機(jī)協(xié)作裝置， 兼容考慮多產(chǎn)品混線生產(chǎn)的柔性化生產(chǎn)線布局要求，建設(shè)自動(dòng)化總裝生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)作業(yè)水平的效果。

2.1 面向優(yōu)化布局的生產(chǎn)線快速建模與仿真優(yōu)化技術(shù)

某小尺寸產(chǎn)品的現(xiàn)有總裝生產(chǎn)流程分布在多個(gè)廠房，各廠房間距離較遠(yuǎn)，布局與生產(chǎn)流程關(guān)聯(lián)不緊密，裝配流程長(zhǎng)且離散，裝配過程中需要經(jīng)歷多次轉(zhuǎn)運(yùn)，流轉(zhuǎn)的路線復(fù)雜、不清晰，影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率。 在規(guī)?；a(chǎn)的情況下， 需要將該航天產(chǎn)品的所有總裝流程進(jìn)行重新整合， 構(gòu)建新的總裝生產(chǎn)線并開展建模與仿真技術(shù)研究[4]，為航天產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線工藝布局與仿真驗(yàn)證為從源頭上保證生產(chǎn)線的合理布局提供了支持，見圖1。 首先，基于航天產(chǎn)品規(guī)模化柔性總裝需求，通過工藝流程分析，利用數(shù)字化生產(chǎn)線布局優(yōu)化技術(shù)規(guī)劃布局方案； 然后針對(duì)底層機(jī)器人等智能裝備開展運(yùn)動(dòng)節(jié)拍及動(dòng)作能力的仿真驗(yàn)證；進(jìn)一步的從生產(chǎn)線建模角度，進(jìn)行物流仿真及生產(chǎn)能力的評(píng)估。通過上述三部分內(nèi)容綜合研究，有效地支撐總裝生產(chǎn)線工藝布局與仿真驗(yàn)證。

圖1 面向優(yōu)化布局的生產(chǎn)線快速建模與仿真優(yōu)化

2.2 基于需求拉動(dòng)的物料齊套及物流配送管理技術(shù)

由于小尺寸航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部空間狹小，可操作空間不足， 難以采用機(jī)器人等自動(dòng)化裝備完成產(chǎn)品內(nèi)部成件及艙段間的自動(dòng)化裝配。為提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率、壓減操作人員， 基于需求拉動(dòng)的物料齊套檢查及自動(dòng)化配送成為關(guān)鍵研究技術(shù)。 根據(jù)作業(yè)計(jì)劃提前對(duì)庫房庫存情況進(jìn)行齊套性檢查，以確保計(jì)劃下達(dá)后的順利執(zhí)行。在生產(chǎn)線各工位上，物料的配送依據(jù)工位任務(wù)的執(zhí)行確認(rèn)，保障線上只有即將開始任務(wù)的裝入件配送， 避免因物料不足導(dǎo)致的停工、減少物料過度配送導(dǎo)致的線邊物料堆積，物流浪費(fèi)等情況的發(fā)生。

航天產(chǎn)品的信息以紙質(zhì)文檔單據(jù)的形式存儲(chǔ)流轉(zhuǎn)的管理形式應(yīng)用已久， 而物料配送則一直采用以單據(jù)為憑證人工配送的傳統(tǒng)方式， 配送延遲的情況在各個(gè)制造環(huán)節(jié)普遍存在。 本文提出的需求拉動(dòng)的物流精準(zhǔn)配送技術(shù)方案見圖2。 首先通過執(zhí)行系統(tǒng)的計(jì)劃任務(wù)，獲取物料的庫存信息，自動(dòng)給出對(duì)應(yīng)任務(wù)物料的齊套性檢查結(jié)果，并在計(jì)劃下達(dá)后，指導(dǎo)庫管員完成物料分揀。為實(shí)現(xiàn)物料管理及配送數(shù)字化、自動(dòng)化，根據(jù)任務(wù)需求拉動(dòng)，進(jìn)行物料編碼與識(shí)別，建設(shè)基于智能輸送線、AGV 小車、存儲(chǔ)立體庫的自動(dòng)化物流配送系統(tǒng)。通過物流仿真優(yōu)化，確定生產(chǎn)線各工位間物流配送最短路徑， 在生產(chǎn)線各工位下發(fā)物料需求指令后， 由智能輸送線完成部裝工區(qū)與總裝工區(qū)之間的物料配送，由AGV 小車完成總裝工區(qū)、測(cè)量工區(qū)、測(cè)試工區(qū)和總檢裝箱區(qū)之間的產(chǎn)品配送。

圖2 需求拉動(dòng)的物流精準(zhǔn)配送方案

2.3 基于快速重構(gòu)的柔性工裝設(shè)計(jì)技術(shù)

由于航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)具有系列化/柔性化混線并行生產(chǎn)的特點(diǎn)，為了解決不同時(shí)期不同航天產(chǎn)品的批次性生產(chǎn)任務(wù)，研究解決基于航天產(chǎn)品的生產(chǎn)線資源快速重構(gòu)尤為關(guān)鍵。與大尺寸產(chǎn)品的生產(chǎn)流程長(zhǎng)、工序復(fù)雜、小批量單件生產(chǎn)的生產(chǎn)模式相比，小尺寸產(chǎn)品批次數(shù)量大、生產(chǎn)滾動(dòng)快、工序相對(duì)簡(jiǎn)單，航天產(chǎn)品裝配件相對(duì)較少、一體化程度較高，通過設(shè)計(jì)可重構(gòu)柔性定位工裝可達(dá)到上述效果。

為建立能夠適應(yīng)不同航天產(chǎn)品的柔性總裝生產(chǎn)線，盡量縮短準(zhǔn)備時(shí)間， 本文提出的基于快速重構(gòu)的柔性工裝設(shè)計(jì)原則見圖3，以生產(chǎn)線部裝操作工位、總裝對(duì)接工位、AGV 轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)為研究對(duì)象，以裝拆簡(jiǎn)便、快速定位為原則，以數(shù)字化為手段，結(jié)合產(chǎn)品三維數(shù)字化模型，研究設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)規(guī)?；a(chǎn)的可重構(gòu)工裝，保證柔性工裝在相關(guān)工位與航天產(chǎn)品間的精確定位和可更換。根據(jù)生產(chǎn)線航天產(chǎn)品的切換， 實(shí)現(xiàn)柔性工裝的快速重構(gòu)，保證總裝生產(chǎn)線的順利運(yùn)行。

圖3 基于快速重構(gòu)的柔性工裝設(shè)計(jì)

2.4 生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)建設(shè)

對(duì)制造執(zhí)行過程、信息、物流系統(tǒng)的管控， 是小尺寸航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線有效運(yùn)行的終端保障。 通過實(shí)現(xiàn)基于需求拉動(dòng)的物料齊套檢查、 物料的快速精準(zhǔn)配送、 生產(chǎn)過程信息數(shù)據(jù)采集以及生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度監(jiān)控，為管控系統(tǒng)智能排產(chǎn)、生產(chǎn)線實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)仿真提供重要的數(shù)據(jù)支撐。 小尺寸航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)框架見圖4，主要包含以下四方面功能模塊。

圖4 航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)框架圖

（1）基于條碼信息掃描的制造執(zhí)行過程進(jìn)度監(jiān)督管理。針對(duì)航天產(chǎn)品規(guī)?；嵝匝b配生產(chǎn)特點(diǎn)， 以工位級(jí)工藝文件為輸入，生成工位級(jí)物料、工位及其工序任務(wù)條碼，通過工位操作前的掃描，記錄任務(wù)執(zhí)行過程。對(duì)任務(wù)執(zhí)行過程中的各類故障進(jìn)行分類， 并確定相應(yīng)的異常報(bào)警方式，反饋調(diào)度排產(chǎn)系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)。

（2）基于工序節(jié)點(diǎn)的信息采集與管理。依據(jù)適應(yīng)規(guī)?；a(chǎn)的航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線工位劃分， 開展工序節(jié)點(diǎn)信息采集需求分析，針對(duì)不同工位及不同航天產(chǎn)品，分析確定所需采集的具體信息。 通過綜合分析所采集的多源信息，建立信息整合規(guī)則，完成多元信息在制造執(zhí)行環(huán)境中的融合處理。

（3）基于需求拉動(dòng)精益物流管理。 通過物料數(shù)字標(biāo)識(shí)方式、物料信息定義與錄入方式、條碼制作與打印方式、工位級(jí)單發(fā)配套方式等物料標(biāo)識(shí)相關(guān)技術(shù)研究，形成物料的數(shù)字化管理模式。 通過開展作業(yè)計(jì)劃拉動(dòng)物料配套、工位任務(wù)拉動(dòng)式的物流配送技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)基于需求拉動(dòng)的精益物流管理，避免物料在工位的堆積，實(shí)現(xiàn)物料及時(shí)配送。

（4）產(chǎn)品數(shù)字化質(zhì)量管理。 從工序節(jié)點(diǎn)采集的信息中，提取出產(chǎn)品配套信息、成件安裝與拆卸等生產(chǎn)過程信息、成件返修等特殊過程信息， 通過系統(tǒng)集成技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)從MRPII 中調(diào)用自制件數(shù)字化質(zhì)量信息， 形成產(chǎn)品數(shù)字化質(zhì)量信息庫。 結(jié)合用戶裝備管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理要求與接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量信息的數(shù)字化交付。

3 驗(yàn)證與分析

3.1 生產(chǎn)線仿真優(yōu)化與工位劃分

本文以某小尺寸航天產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)為例， 通過優(yōu)化產(chǎn)品裝配工藝流程、重新規(guī)劃生產(chǎn)線布局，配備智能輸送線、AGV 小車將各個(gè)區(qū)域串聯(lián)起來， 并結(jié)合信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品有序高效地完成裝配，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保證安全生產(chǎn)。

3.2 效益分析

圖5 某航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線建模與規(guī)劃仿真

以某小尺寸航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)為例，如表1 所示， 目前流水式總裝生產(chǎn)流程各個(gè)節(jié)點(diǎn)共需16～19 人；利用該自動(dòng)化總裝生產(chǎn)線后，將各總裝生產(chǎn)流程進(jìn)行整合到同一廠房，通過應(yīng)用總裝對(duì)接輔助工裝，減少操作人員4 人；通過自動(dòng)化配套、物流系統(tǒng)，減少配套1～2人；通過自動(dòng)化拍照記錄系統(tǒng)，減少檢驗(yàn)人員1～3 人，在同樣生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)及產(chǎn)能下，實(shí)現(xiàn)所需操作人員減少至9 人。

表1 自動(dòng)化總裝生產(chǎn)線建設(shè)前后分析表

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線布局普遍以班組為最小單位，各航天產(chǎn)品裝配操作在組內(nèi)集中完成，這種布局方式下，各操作人員需要熟悉各航天產(chǎn)品的全部裝配操作，對(duì)操作人員技能要求較高，在產(chǎn)品批量較大時(shí)，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度顯著增加，難以高質(zhì)量的完成操作任務(wù)；由于總裝廠房為帶危險(xiǎn)品作業(yè)區(qū)域，對(duì)人員定額有嚴(yán)格要求，無法通過增加操作人員的方式滿足產(chǎn)能要求。 本文通過面向規(guī)?；a(chǎn)的航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線技術(shù)研究， 突破產(chǎn)品裝配流程優(yōu)化、生產(chǎn)線布局優(yōu)化、物流配送精準(zhǔn)化、生產(chǎn)柔性化等方面技術(shù)瓶頸， 在小尺寸航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中工作流程、物流及布局等方面存在的問題， 在滿足安全作業(yè)要求及產(chǎn)能要求的前提下實(shí)現(xiàn)操作人員的減少， 大幅提高航天產(chǎn)品裝配效率及質(zhì)量，提升裝配過程管理智能化水平，增強(qiáng)航天產(chǎn)品生產(chǎn)的柔性和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控管理的實(shí)時(shí)性， 降低航天產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與現(xiàn)場(chǎng)人員安全風(fēng)險(xiǎn)。