飛機(jī)導(dǎo)管智能生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

卜 泳，鄭璐晗，呂瑞強(qiáng)，張家諤

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

0 引言

航空制造業(yè)是國(guó)家重要支柱產(chǎn)業(yè)，是高端制造業(yè)的代表，是綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要戰(zhàn)略地位。航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、協(xié)調(diào)性和尺寸精度要求高，對(duì)制造工藝、裝備和系統(tǒng)的集成提出了更高要求。管路系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)的生命線[1]，飛機(jī)舵翼面的控制、起落架的收放、艙門的作動(dòng)、燃油輸送、環(huán)控等系統(tǒng)的運(yùn)行與控制等均通過(guò)導(dǎo)管輸送介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，與飛行安全直接相關(guān)[2]。飛機(jī)管路眾多且每一條管路均包含大量導(dǎo)管零件，任何一個(gè)零件失效均會(huì)引發(fā)嚴(yán)重后果。

隨著現(xiàn)代民用飛機(jī)與新一代軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展，航空器上集成的各子系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)復(fù)雜的功能，對(duì)子系統(tǒng)中各零件提出了嚴(yán)苛的技術(shù)要求[3]。

飛機(jī)進(jìn)入總裝環(huán)節(jié)后，巨大的工作量集中在管路線纜的敷設(shè)工作上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架民用飛機(jī)需要使用超過(guò)2500 件以上的導(dǎo)管零件[4]。目前導(dǎo)管零件的生產(chǎn)模式相對(duì)落后，大量采用現(xiàn)場(chǎng)取樣、按樣管制造的模式，制造精度低、制造周期長(zhǎng)，且難以與采用數(shù)字量傳遞的機(jī)體結(jié)構(gòu)零件統(tǒng)一協(xié)調(diào)精度[1]，總體上導(dǎo)管零件產(chǎn)品一致性較差、生產(chǎn)效率較低[5]，導(dǎo)致總裝工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜程度提高，工藝規(guī)劃難度加大，調(diào)試返工的工作量急劇增加，極大影響飛機(jī)總裝的效率與質(zhì)量，已無(wú)法滿足航空制造行業(yè)全面數(shù)字化的需求[6]。

隨著我國(guó)民用航空市場(chǎng)的快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)大型民用飛機(jī)的逐步成熟，產(chǎn)能提升，對(duì)導(dǎo)管零件的制造能力提出了全新的要求。因此，設(shè)計(jì)一條飛機(jī)導(dǎo)管智能生產(chǎn)線，打通導(dǎo)管數(shù)字化制造工藝全過(guò)程的智能生產(chǎn)線，打通導(dǎo)管數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控彎管、數(shù)控端頭加工、數(shù)字化測(cè)量及生產(chǎn)線內(nèi)自動(dòng)物流等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)字鏈，提高導(dǎo)管零件制造精度與一致性，提升設(shè)備使用率和準(zhǔn)時(shí)交付率，實(shí)現(xiàn)管理的精益化，推動(dòng)導(dǎo)管制造向自動(dòng)化、智能化方向的轉(zhuǎn)型。

1 導(dǎo)管生產(chǎn)線的技術(shù)現(xiàn)狀和需要解決的問(wèn)題

1.1 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)制造企業(yè)歷經(jīng)多年發(fā)展，基于三維數(shù)字化模型與CAD/CAE/CAM 的完整體數(shù)字鏈[7]，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造的全過(guò)程數(shù)字量傳遞[8]，且在制造過(guò)程中基于彎管過(guò)程的數(shù)字化仿真、虛擬焊接等關(guān)鍵工序在虛擬環(huán)境中的仿真分析[9]，已近乎形成了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字孿生體，有力保障了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性與一致性，且可對(duì)未投產(chǎn)的導(dǎo)管進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量的預(yù)判，向設(shè)計(jì)反饋，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)同步開(kāi)展，形成信息閉環(huán)，減少物理試驗(yàn)，極大壓縮新機(jī)研制成本。此外，通過(guò)知識(shí)工程技術(shù)的應(yīng)用，將多年積累的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)地分析提煉，形成了龐大的專家知識(shí)庫(kù)[10]，在專家系統(tǒng)的管理下，自主分析[11]、自主推理、自主決策，使得生產(chǎn)線管控系統(tǒng)能自主進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)自主排產(chǎn)、自主調(diào)度，已可在一定程度上取代與延伸人的部分腦力勞動(dòng)[12]。

我國(guó)目前飛機(jī)導(dǎo)管的生產(chǎn)仍然是從取樣生產(chǎn)的模式為主，協(xié)調(diào)方式為基于模擬量傳遞，工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理則基于“單件取樣、模擬量傳遞、工人技術(shù)能力”展開(kāi)規(guī)劃，導(dǎo)管的質(zhì)量嚴(yán)重依賴于工人的技術(shù)水平與經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差，生產(chǎn)計(jì)劃的制定主要依靠手動(dòng)排產(chǎn)、人工決策，部分擁有數(shù)控彎管設(shè)備的主機(jī)廠也是以設(shè)備孤立運(yùn)行、生產(chǎn)線人工管控為主，生產(chǎn)計(jì)劃不靈活，生產(chǎn)線設(shè)備利用率不平衡，離“智能”制造尚有不小的距離[13]。

1.2 需要解決的問(wèn)題

在單元技術(shù)及管控技術(shù)已開(kāi)展一定研究的基礎(chǔ)上，打通設(shè)備信息鏈，集成各單元技術(shù)，建立“合用”管控系統(tǒng)，解決無(wú)可用的智能管控系統(tǒng)的問(wèn)題。并在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線完成虛擬布局與設(shè)計(jì)后，進(jìn)行產(chǎn)能仿真分析與平衡分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)布局進(jìn)行優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)主要的飛機(jī)制造企業(yè)有部分已配備了數(shù)控彎管設(shè)備[14]，但工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理仍以傳統(tǒng)的人工操作與調(diào)度進(jìn)行管理，設(shè)備利用率低下，且沒(méi)有適用的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，生產(chǎn)線雖有其名，但各單元的信息懸為孤島，無(wú)法流通，不能將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)傳遞，進(jìn)行有效反饋，極大地浪費(fèi)了設(shè)備能力，制約了生產(chǎn)效率的提升。

飛機(jī)導(dǎo)管在設(shè)計(jì)階段已逐步實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計(jì)，導(dǎo)管數(shù)模成為了基本的制造依據(jù)，但在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境中，雖已有數(shù)控彎管機(jī)、3 座標(biāo)測(cè)量機(jī)等數(shù)字化設(shè)備，由于各設(shè)備孤立運(yùn)行，制造與檢測(cè)的數(shù)據(jù)無(wú)法流通形成反饋閉環(huán)[15]，零件的制造仍然嚴(yán)重依賴工人的技術(shù)水平與經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品精度低、一致性差，全部以數(shù)模為依據(jù)制造的導(dǎo)管在飛機(jī)總裝時(shí)無(wú)法裝配，仍無(wú)法避免大量的取樣制造工作，飛機(jī)雖有包含導(dǎo)管的整機(jī)數(shù)模，但作為維護(hù)中最常見(jiàn)的導(dǎo)管零件無(wú)法實(shí)現(xiàn)互換性——按數(shù)模生產(chǎn)零件卻無(wú)法按數(shù)模裝配。飛機(jī)設(shè)計(jì)到制造全過(guò)程的數(shù)字量鏈條在該環(huán)節(jié)不連接。

飛機(jī)導(dǎo)管總量巨大，因其種類繁多，每種規(guī)格的導(dǎo)管體量較小，又因航空制造行業(yè)特點(diǎn)，緊急任務(wù)頻繁插隊(duì)，導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃經(jīng)常性調(diào)整，管理復(fù)雜，既影響緊急任務(wù)響應(yīng)的敏捷性，也影響總體生產(chǎn)效率提升，對(duì)生產(chǎn)管理人員與一線操作人員均是巨大的壓力。

2 導(dǎo)管智能生產(chǎn)線規(guī)劃

2.1 智能生產(chǎn)線建設(shè)目標(biāo)

通過(guò)參考國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域走在前列的主機(jī)制造企業(yè)也提出了智能生產(chǎn)線的技術(shù)設(shè)想。為實(shí)現(xiàn)建設(shè)智能生產(chǎn)線的最終目標(biāo)，需要在數(shù)控彎管技術(shù)等核心工藝技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，形成彎管工藝專家知識(shí)庫(kù)，基于仿真技術(shù)建立生產(chǎn)線全局三維模型與工藝過(guò)程的分析模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備與工藝過(guò)程的數(shù)字化與虛擬化，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)導(dǎo)管制造全過(guò)程數(shù)字化信息傳遞，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的集成與智能管控。

2.2 技術(shù)基礎(chǔ)

隨著國(guó)產(chǎn)導(dǎo)管數(shù)字化制造技術(shù)的成熟，以及生產(chǎn)線智能管控技術(shù)的進(jìn)步，建立一條智能生產(chǎn)線所需要的核心技術(shù)已在多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)單元技術(shù)突破。

數(shù)控下料與端頭毛刺處理技術(shù)與設(shè)備成熟穩(wěn)定，通過(guò)工藝參數(shù)的控制即可實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同的加工對(duì)象的需求，調(diào)試標(biāo)定完成即可持續(xù)運(yùn)行，非故障狀態(tài)下無(wú)需人工干預(yù)。

數(shù)控導(dǎo)管彎曲工藝取得技術(shù)突破，可實(shí)現(xiàn)不同材料（鋁合金、鋼材、鈦合金）、不同規(guī)格（大管徑、小壁厚、多種彎曲半徑等）的導(dǎo)管高精度高效率自動(dòng)彎曲成形。

自動(dòng)化導(dǎo)管清洗設(shè)備成熟，通過(guò)水射流清洗技術(shù)可在不損傷導(dǎo)管表面與標(biāo)志的條件下去除零件上附著的潤(rùn)滑劑，并自動(dòng)將零件烘干。

通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)激光切割與導(dǎo)管焊接設(shè)備，生產(chǎn)線也具備了自動(dòng)化管端切割及法蘭焊接的能力，只需將完成彎曲成形的導(dǎo)管零件轉(zhuǎn)運(yùn)至指定位置，激光切割與焊接設(shè)備即可根據(jù)智能管控系統(tǒng)下發(fā)的指令完成測(cè)量、調(diào)姿、切割、焊接、內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn)等工作。

基于本項(xiàng)目相關(guān)專題的研究，導(dǎo)管幾何尺寸的非接觸式自動(dòng)測(cè)量技術(shù)也有進(jìn)一步突破，測(cè)量設(shè)備可接受工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)上料，通過(guò)自動(dòng)夾持工裝進(jìn)行初步定位，測(cè)量設(shè)備讀取智能管控系統(tǒng)的指令，調(diào)取程序文件，通過(guò)激光掃描技術(shù)自動(dòng)找正、自動(dòng)測(cè)量，并將檢測(cè)結(jié)論向管控系統(tǒng)反饋，輸出測(cè)量報(bào)告。各個(gè)工序的工藝參數(shù)均實(shí)現(xiàn)在在設(shè)備中固化，無(wú)需或基本無(wú)需人工干預(yù)，具備集成的工藝基礎(chǔ)。

各個(gè)工序環(huán)節(jié)的工藝設(shè)備可支持Profinet 協(xié)議或TCP/IP 協(xié)議，可通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)硬件互聯(lián)，具備集成的硬件基礎(chǔ)。

2.3 生產(chǎn)線集成與智能控管

當(dāng)前航空導(dǎo)管全數(shù)字化模型已逐漸成為主要制造依據(jù)，設(shè)計(jì)與制造協(xié)同、工藝設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備過(guò)程、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理狀態(tài)控制均在一定程度上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。

因此，將智能制造技術(shù)應(yīng)用在導(dǎo)管生產(chǎn)制造領(lǐng)域，通過(guò)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)線智能管控軟件、優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有的工藝方案、補(bǔ)充必要的數(shù)字化輔助設(shè)施，組建物料自動(dòng)配送系統(tǒng)，基于模型實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管數(shù)控彎曲、切割、焊接、檢測(cè)、物料配送全過(guò)程信息數(shù)字化傳遞與反饋，采用“模型驅(qū)動(dòng)”取代“樣件驅(qū)動(dòng)”的生產(chǎn)模式。

3 導(dǎo)管智能生產(chǎn)線建設(shè)

3.1 總體布局

導(dǎo)管智能生產(chǎn)線在規(guī)劃之初便將導(dǎo)管生產(chǎn)過(guò)程所有要素囊括在內(nèi)，以導(dǎo)管數(shù)字化模型為制造依據(jù)，是驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)線的上料、下料、彎管、清洗、切割、焊接、端頭加工、檢測(cè)全過(guò)程的唯一數(shù)據(jù)源，通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)通設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)信息流通，生產(chǎn)線上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)信息層和物理層的交互，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管生產(chǎn)全過(guò)程橫、縱雙向的數(shù)字鏈傳遞。如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)管智能生產(chǎn)線總體布局

在信息層，導(dǎo)管智能生產(chǎn)線主要對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃、資源管理、運(yùn)行控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析等主要業(yè)務(wù)流程進(jìn)行管理和控制，將數(shù)據(jù)以指令的形式傳遞至物理層。

在物理層，生產(chǎn)線執(zhí)行下料、彎管、切割、焊接等工序和物料配送等物理業(yè)務(wù)流程，以工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)流轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳遞至信息層，形成閉環(huán)。

3.2 集成技術(shù)方案與優(yōu)化

3.2.1 集成技術(shù)方案

（1）物料流

生產(chǎn)線物料的流動(dòng)按工藝路線進(jìn)行，由物流單元執(zhí)行，將零件按工藝路線的規(guī)劃在生產(chǎn)線內(nèi)流轉(zhuǎn)，是優(yōu)化與調(diào)整布局的輸入與依據(jù)。如圖2 所示。

圖2 工藝路線

零件的毛坯為直的管材，按照工藝要求切割到規(guī)定長(zhǎng)度進(jìn)入生產(chǎn)線，在生產(chǎn)線過(guò)程中完成噴碼、入庫(kù)、端頭下料、去毛刺、數(shù)控彎管、清洗、余量切割的工序，隨后根據(jù)不同零件工藝要求進(jìn)行焊接或者端頭加工工序，最終進(jìn)入檢測(cè)工序后實(shí)現(xiàn)成品出庫(kù)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)（Field operation control system，F(xiàn)OCS）接收管控系統(tǒng)發(fā)送的指令，對(duì)指令進(jìn)行解析，并對(duì)各個(gè)設(shè)備、分布式IO、安全設(shè)備等都由現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)上傳至現(xiàn)場(chǎng)主控制器，并由主控制器將現(xiàn)場(chǎng)情況和設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)一上傳至MAPCS 管控系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和管控系統(tǒng)硬件上通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，并定義數(shù)據(jù)傳輸格式，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程描述為：經(jīng)過(guò)預(yù)加工的毛坯料進(jìn)入線后噴碼賦予唯一的生產(chǎn)線ID 號(hào)，經(jīng)下料單元切割去毛刺，在數(shù)控彎管機(jī)上完成彎管，通過(guò)機(jī)器人把已完成彎管物料送入清洗站，清洗結(jié)束后，由機(jī)器人送入FFT 切割和焊接單元，之后機(jī)器人把物料送到端頭連接單元，人工完成端頭連接，經(jīng)測(cè)量機(jī)檢測(cè)檢驗(yàn)合格后機(jī)器人送入成品料倉(cāng)。

現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一編碼識(shí)別，感知并實(shí)施物料在生產(chǎn)線中的流動(dòng)，將物料狀態(tài)信息反饋到智能管控軟件中，是實(shí)現(xiàn)高級(jí)排產(chǎn)與柔性化的硬件基礎(chǔ)。

（3）智能管控軟件系統(tǒng)

在飛機(jī)智能導(dǎo)管生產(chǎn)線中，導(dǎo)管的加工、清洗、檢測(cè)和轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程由傳統(tǒng)以人為主的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詸C(jī)器設(shè)備為主的自動(dòng)化生產(chǎn)模式，需要通過(guò)具有智能特點(diǎn)的信息化系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行進(jìn)行集中管理和控制，對(duì)外負(fù)責(zé)資源基礎(chǔ)信息、生活計(jì)劃、執(zhí)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)交互，對(duì)內(nèi)負(fù)責(zé)任務(wù)、排產(chǎn)、調(diào)度以及各類資源狀態(tài)和運(yùn)行過(guò)程的管理與控制，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理與分析。

生產(chǎn)線管控系統(tǒng)負(fù)責(zé)生產(chǎn)線的計(jì)劃調(diào)度管理，人員、物料、設(shè)備等資源的管理及產(chǎn)品質(zhì)量、異常狀況和系統(tǒng)維護(hù)等全部線內(nèi)數(shù)據(jù)信息的管理，同時(shí)與車間級(jí)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進(jìn)行集成。通過(guò)管控系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程的有效管理和控制，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、提升導(dǎo)管產(chǎn)品加工質(zhì)量、減少不必要的浪費(fèi)等目標(biāo)，軟件架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 智能管控軟件架構(gòu)

導(dǎo)管生產(chǎn)線承擔(dān)了多類管徑不同產(chǎn)品的加工制造任務(wù)，在數(shù)控彎管工位執(zhí)行加工之前，存在著需要對(duì)導(dǎo)管模具進(jìn)行更換的可能。更換模具會(huì)影響生產(chǎn)線的整體節(jié)拍，所以在進(jìn)行生產(chǎn)線的任務(wù)排產(chǎn)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮換模的時(shí)間約束。

另一方面，由于導(dǎo)管生產(chǎn)線采用單件流的生產(chǎn)模式，而線內(nèi)各工位的加工時(shí)間各不相同，這就導(dǎo)致了生產(chǎn)線平衡性的下降，設(shè)備平均利用率較低，造成了大量資源浪費(fèi)。因此，在保證目前工藝路線正常執(zhí)行，產(chǎn)能不受影響的情況下，采用部分產(chǎn)品彎管前提前出線（入線寅下料寅去毛刺寅出線）的多工藝路徑并行方式，提高生產(chǎn)線內(nèi)各工位設(shè)備的單位時(shí)間生產(chǎn)能力，消除瓶頸，減少浪費(fèi)，從而達(dá)到優(yōu)化整體生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的目的。

在導(dǎo)管生產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行排產(chǎn)時(shí)，系統(tǒng)采用狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)合事件反應(yīng)的策略實(shí)現(xiàn)排產(chǎn)方案的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線各類狀態(tài)的感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)事件的主動(dòng)預(yù)測(cè)，解決中長(zhǎng)期任務(wù)安排的排程；同時(shí)針對(duì)實(shí)時(shí)發(fā)生的事件，利用預(yù)先定義的規(guī)則進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)短期任務(wù)的合理安排。

來(lái)源于生產(chǎn)計(jì)劃的動(dòng)態(tài)信息主要包括訂單交貨期、數(shù)量的調(diào)整，以及訂單的緊急插入、取消等信息；來(lái)源于工藝的動(dòng)態(tài)信息包括工藝路徑、設(shè)備選擇、加工工時(shí)的改變；來(lái)源于物料供應(yīng)的動(dòng)態(tài)信息主要包括物料可用狀態(tài)信息、線內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)件等物料的庫(kù)存信息；來(lái)源于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)信息包括了設(shè)備使用狀態(tài)、任務(wù)進(jìn)度反饋和人員出勤等信息；來(lái)源于外協(xié)的動(dòng)態(tài)信息包括返回時(shí)間估計(jì)，任務(wù)返回確定等信息。

3.2.2 生產(chǎn)線布局平衡分析與優(yōu)化

在導(dǎo)管生產(chǎn)線內(nèi)進(jìn)行排產(chǎn)時(shí)，系統(tǒng)采用狀態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)合事件反應(yīng)的策略實(shí)現(xiàn)排產(chǎn)方案的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線各類狀態(tài)的感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)事件的主動(dòng)預(yù)測(cè)，解決中長(zhǎng)期任務(wù)安排的排程；同時(shí)針對(duì)實(shí)時(shí)發(fā)生的事件，利用預(yù)先定義的規(guī)則進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)短期任務(wù)的合理安排。如圖4 所示。

圖4 生產(chǎn)線布局

（1）布局的平衡分析

基于生產(chǎn)線總體布局方案及設(shè)計(jì)輸入的產(chǎn)品、工藝路線和每工序工作時(shí)間，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行了流程仿真，按8h/每天，6 天/周計(jì)算，零件的工序時(shí)間見(jiàn)表1、表2。

表1 年工作時(shí)間

表2 零件工序時(shí)間

按照單套齊套性交付的原則進(jìn)行了仿真，通過(guò)仿真我們發(fā)現(xiàn)，切割與焊接單元的設(shè)備利用率始終保持在95%以上，下料、去毛刺、彎管設(shè)備的利用率均在30%以下，故整個(gè)生產(chǎn)線中的瓶頸工序是切割、焊接工序，見(jiàn)表3，其他工序的設(shè)備利用率基本上是該兩工序的1/3，為了充分利用設(shè)備，特別是主要的彎管設(shè)備，需要在該區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化提高設(shè)備利用率。

表3 單套齊套設(shè)備利用率

此外，圖5 中彎管單元利用率表明，單套齊套性交付的方式帶來(lái)了大量的換模時(shí)間，換模等待在影響彎管單元利用率的同時(shí)還導(dǎo)致后續(xù)的瓶頸工序出線等待，導(dǎo)致了切割、焊接設(shè)備的利用率下降，因此在滿足交付計(jì)劃的基礎(chǔ)上建議適當(dāng)提高一定批量，例如按天、按周齊套性交付，減少換模帶來(lái)的停機(jī)等待。

圖5 單套齊套性交付設(shè)備使用狀態(tài)

（2）布局的優(yōu)化

基于生產(chǎn)線的流程仿真，可以發(fā)現(xiàn)下料彎管單元的節(jié)拍明顯快于后續(xù)的切割焊接，因此劃分為節(jié)拍快的下料彎管區(qū)和節(jié)拍慢的切割焊接區(qū)，兩區(qū)可分別單獨(dú)運(yùn)行，中間可以通過(guò)自動(dòng)門隔斷。這樣就實(shí)現(xiàn)了快節(jié)拍工序與慢節(jié)拍區(qū)域的分割，為后續(xù)設(shè)備利用率的提高提供的基礎(chǔ)。如圖6 所示。

圖6 生產(chǎn)線分區(qū)

為了消除切割焊接單元瓶頸工序帶來(lái)的下料彎管單元的低利用，特規(guī)劃了僅經(jīng)過(guò)下料彎管單元的工藝路線3、4，并在該區(qū)域增加出線口，如圖7 所示。通過(guò)管控系統(tǒng)排產(chǎn)調(diào)度算法的合理調(diào)配，就可以利用下料彎管單元剩余產(chǎn)能。

圖7 僅在下料彎管區(qū)流轉(zhuǎn)的零件流轉(zhuǎn)走向

此外，為了保證在下料彎管單元故障后核心的切割焊接單元仍能夠正常運(yùn)行，在切割焊接區(qū)增加了外部彎管入口位，通過(guò)該位置可以把外部完成彎管的零件通過(guò)該入口輸入到切割焊接區(qū)，并在該區(qū)域獨(dú)立完成所有工序，如圖8 所示。

圖8 切割焊接單元單獨(dú)運(yùn)行

鑒于機(jī)器人兼顧多個(gè)工位的情況，為了保證機(jī)器人總能夠在第一時(shí)間為瓶頸的切割、焊接設(shè)備進(jìn)行上下料，在清洗、端頭加工、測(cè)量區(qū)域均增設(shè)的緩沖站，用于零件的臨時(shí)緩沖存放，在彎管區(qū)與運(yùn)輸單元二的交接區(qū)設(shè)置中轉(zhuǎn)站，用于2 臺(tái)機(jī)器傳遞零件的中轉(zhuǎn)，在與人工操作交互的位置設(shè)置中轉(zhuǎn)站，用于機(jī)器人與人工取放零件的中轉(zhuǎn)，如圖9 所示。

圖9 生產(chǎn)線內(nèi)緩沖站與中轉(zhuǎn)站

基于優(yōu)化后的布局，進(jìn)行了再次仿真，其產(chǎn)能見(jiàn)表4，其設(shè)備利用率如圖10 所示。通過(guò)優(yōu)化可以看出，核心的下料、彎管、切割、焊接設(shè)備的利用率均達(dá)到了95%以上。

圖10 優(yōu)化后按周齊套設(shè)備利用率

表4 優(yōu)化后按周齊套生產(chǎn)線產(chǎn)能

4 結(jié)語(yǔ)

在導(dǎo)管數(shù)字制造工藝技術(shù)已有一定基礎(chǔ)的條件下，突破了生產(chǎn)線智能管控調(diào)度與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行控制集成等關(guān)鍵技術(shù)，打通設(shè)備信息鏈，集成各單元技術(shù)，建立“合用”“管用”的智能管控系統(tǒng)，并在實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線完成虛擬布局與設(shè)計(jì)后，進(jìn)行產(chǎn)能仿真分析與平衡分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)布局進(jìn)行優(yōu)化。

以本項(xiàng)目為背景建立的智能生產(chǎn)線可應(yīng)用于各種民用支線、干線飛機(jī)及各種軍用飛機(jī)、直升機(jī)的導(dǎo)管數(shù)字化生產(chǎn)，并在航天、船舶等行業(yè)進(jìn)行推廣。