機柜脈動式柔性裝調生產線技術研究

摘" 要：隨著脈動裝配生產線在航空航天領域的廣泛應用，對產品的部裝、總裝環(huán)節(jié)的生產周期壓縮、產能提升方面作用顯著。該文針對航天裝備機柜產品任務特點，結合現(xiàn)有工藝布局，對生產單元進行優(yōu)化配置。通過生產計劃系統(tǒng)構建、關鍵裝備設計，對機柜脈動式柔性裝調生產線技術開展研究，縮短生產作業(yè)周期。

關鍵詞：機柜；動態(tài)調度；工藝布局；脈動式生產線；航天裝備

中圖分類號：V465" " " 文獻標志碼：A" " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0180-04

Abstract： With the widespread application of pulsating assembly production lines in the aerospace field， they have a significant role in reducing the production cycle and improving production capacity in the partial assembly and final assembly processes of products. This paper optimizes the configuration of production units based on the mission characteristics of aerospace equipment cabinet products and combines the existing process layout. Through the construction of a production planning system and the design of key equipment， research was carried out on the technology of a pulse flexible assembly and adjustment production line for cabinets to shorten the production operation cycle.

Keywords： cabinet; dynamic scheduling; process layout; pulsating production line; aerospace equipment

航天裝備機柜產品有著顯著的多品種、小批量特點，部分機柜相似度高，差異性小。首條脈動式裝配生產線由波音飛機公司建立，脈動式生產線是使產品以固有的節(jié)拍移動，操作人員則在固定區(qū)域進行裝配作業(yè)。通過對現(xiàn)有生產資源的合理規(guī)劃和整合，有效地提高飛機總裝裝配效率、改善產品裝配質量，并能降低工人勞動強度、改善裝配現(xiàn)場操作環(huán)境，實現(xiàn)產品低成本、高質量和快速響應制造的高效生產流程。我國自西飛建成國內首條飛機脈動式生產線取得顯著效果后，航空航天等各領域均積極引進脈動式生產線。

面向航天裝備領域多品種、小批量并行生產的任務特點，有必要開展脈動式柔性生產線研究，通過共用生產單元及專用生產單元的柔性配置，合理調整生產節(jié)拍，實現(xiàn)適應任務特點的柔性脈動式裝調生產。

目前國內大量學者對工藝布局、脈動式生產線、柔性生產線進行了諸多研究，吳偉偉等[1]開展了微波組件生產線工藝布局優(yōu)化研究，鄢泳等[2]開展了載運車總裝脈動式柔性生產線研究，其他學者[3-8]開展了飛機相關起落架、發(fā)動機、總裝等脈動生產線規(guī)劃及技術研究。但航天裝備制造業(yè)內相關脈動式生產線研究相對較少，本文以電氣機柜產品的項目需求為前提，結合不同典型機柜特點，開展多種機柜裝配、調試的脈動式柔性裝調技術研究。

另一方面，裝調生產模式關系到產品生產質量、進度、硬件成本等指標。需開展脈動式柔性生產線成本與實際產生效益評估分析，作為機柜產品的生產模式決策的依據。因此本文的研究具有深刻的意義。

1" 機柜裝調工藝布局

1.1" 裝調現(xiàn)有生產模式現(xiàn)狀分析

除商業(yè)航天領域，航天制造生產模式仍是典型的面向訂單任務式制造業(yè)，現(xiàn)有生產模式下的工藝布局往往同時承擔研制、批產并行的生產任務。隨著航天事業(yè)發(fā)展，批產任務的不固定性、不連續(xù)性、研制任務的短周期性，以及生產過程物資供應不齊套的高風險性，均對生產線的平衡能力、峰值產能提出嚴峻挑戰(zhàn)。

當前生產過程物資短缺時有發(fā)生，元器件、外協(xié)件等物資配套，普遍存在采購周期長、交付節(jié)點不穩(wěn)定的現(xiàn)狀。任務的生產節(jié)拍與投產計劃不匹配，現(xiàn)有的生產模式、工藝布局難以適應航天制造業(yè)內外部環(huán)境發(fā)展變化的要求。因此，對傳統(tǒng)生產模式、工藝布局進行優(yōu)化，提高柔性生產能力、動態(tài)調度有限資源，提高生產線平衡能力，實現(xiàn)精益化生產管理具有重要意義。

1.2" 工藝布局現(xiàn)狀

原有電氣機柜按照典型產品分類，主要包括管理機柜、供配電機柜、執(zhí)行機柜3種，工藝布局主要以生產區(qū)域布局形成相對獨立的典型產品生產單元，根據典型產品主要工藝流程的生產節(jié)拍配置工位。該工藝布局的生產模式下，各典型機柜生產周期總體可控，總裝瓶頸為物料配套，無需考量動態(tài)排產優(yōu)化等因素。在任務量增長、場地資源趨于飽和時，則弊端突顯，各典型機柜通用工裝、人員、工具和測試設備等需要在不同生產單元周轉或增加配置，生產資源利用率較低，生產效率無法進一步提升，質量問題頻出，生產成本居高不下。

電氣機柜總裝測試的典型工藝流程通常如圖1所示，可分為6個主要工序，包含部裝、電裝、調試和系統(tǒng)聯(lián)調等作業(yè)內容。

該生產模式下，機柜總裝工位固定，吊裝、轉運等環(huán)節(jié)減少，物料配送周期短，通過裝配人員、電裝人員、調試人員在工位的滾動作業(yè)推動產品生產進度。

1.3" 工藝布局優(yōu)化

機柜總裝工藝布局優(yōu)化以提質提效為目標，通過3個方面開展優(yōu)化：

1）統(tǒng)籌場地規(guī)劃，優(yōu)化產品物流路徑。

2）采用標準化、通用化、模塊化的思路，配置柔性化的工裝與測試設備，提高設備使用率。

3）以柔性生產單元構建一條脈動式生產線，滿足研制、批產多個型號的生產任務配置，通過柔性工位的并行配置，按各主要生產環(huán)節(jié)實動工時優(yōu)化生產節(jié)拍。

根據產品生產工藝流程，依次經過柜體裝配區(qū)、電裝區(qū)、機柜裝調區(qū)、應力篩選試驗區(qū)、系統(tǒng)聯(lián)調區(qū)。通過工藝布局，減少各生產單元間的物流鏈路，規(guī)避行吊等資源沖突，提高生產效率。機柜總裝制造采用智能制造系統(tǒng)（MES），實現(xiàn)作業(yè)計劃管理、現(xiàn)場測試數據采集、生產過程進度實時監(jiān)控與可視化、產品履歷跟蹤追溯等功能。機柜總裝工藝布局如圖2所示。

1）一生產單元為“插箱裝調與對接單元”，主要負責插箱狀態(tài)下的電氣裝調，并將原機柜總裝對接過程中的接口裝配工作提前實施，該生產單元根據配電、電源、計算機、控制等插箱功能差異，建立不同工位，柔性配置專用測試工裝與設備。

2）二生產單元為“機柜柜體總裝單元”，主要完成機柜柜體的組件裝配，插箱的機械對接安裝，以及電纜走線空間協(xié)調工作。該生產單元建立多個柔性工位，均使用同類生產配套物資、生產工具設備。

3）三生產單元為“單機柜電裝調試單元”，主要完成單機柜的電纜網、光纜等線纜的電裝與敷設，以及安裝完成后的電氣接口對接、單機柜功能調試、單機柜稱重工作。該生產單元建立多個柔性工位，均使用同類生產配套物資、生產工具設備。

4）四生產單元為“系統(tǒng)聯(lián)調單元”，主要完成全系統(tǒng)的機柜集成綜合測試，該生產單元根據系統(tǒng)功能差異，建立不同工位，柔性配置專用測試工裝與設備。

通過將機柜總裝全流程的工序進行重組再分配，整合至4個主要的柔性生產單元中，提高產品生產效率，提升產品質量穩(wěn)定性。

2" 機柜脈動式柔性裝調產線關鍵技術

與現(xiàn)有機柜裝調生產模式相比，脈動式柔性裝調生產線技術可實現(xiàn)以下特點：

1）生產節(jié)拍平衡化，根據不同機柜生產任務需求，柔性調節(jié)生產線產能，平衡生產節(jié)拍，提高生產線對生產任務適應性。

2）脈動式柔性生產單元專業(yè)化，將電氣機柜的典型流程分解到主要的生產單元，完成組合電氣、機械裝調，機柜電氣、機械總裝，系統(tǒng)聯(lián)調。各生產單元之間分工界面清晰，同一生產單元內不同產品操作要求相似，生產單元配置設備獨立，生產效率較高。

3）生產制造智能化，通過自動化設備與技術應用，數字化制造技術賦能，脈動式柔性生產線可更好地實現(xiàn)生產過程管控。

流程及柔性單元設計、智能制造能力等是制約機柜脈動式柔性生產線技術水平的主要關鍵要素。

2.1" 基于生產節(jié)拍平衡的流程及柔性單元設計

總裝是實現(xiàn)機柜結構集成以及系統(tǒng)功能集成的環(huán)節(jié)，通常包括柜體部件及零組件安裝、電纜敷設安裝、機柜調試特性測量以及系統(tǒng)功能聯(lián)調4個主要環(huán)節(jié)。工藝流程決定了脈動式柔性生產線的效能，任務需求及生產資源決定柔性單元數量。

結合機柜多品種、小批量，結構相似度高，功能差異性大的特點，采用比例分析與理論計算相結合的方案，確定生產節(jié)拍，通過生產線平衡率P進行節(jié)拍的符合度。

通過柔性單元的配置變化，實現(xiàn)機柜脈動式裝調生產線中各環(huán)節(jié)生產單元數量的調整，從而根據有限資源實時優(yōu)化不同環(huán)節(jié)的生產節(jié)拍，使脈動式柔性裝調生產線可以更好地滿足多品種機柜混線生產任務需求。

2.2" 基于可視化的工藝文件設計

脈動式柔性生產單元工藝文件采用可視化工藝技術，通過專用可視化產品工藝文件與通用可視化操作規(guī)范工藝文件相結合的方法，解決了現(xiàn)有生產模式下的工藝文件指導性差、生產效率低等問題，有效提高生產質量。在可視化工藝文件中，還可進一步通過PDM系統(tǒng)融入產品保證管理活動。

1）以專用可視化工藝文件開展開工前、過程中的技術交底確認，顯著降低了操作人員的誤操作，光纖敷設與軟件灌裝等操作環(huán)節(jié)質量得到有效保證。

2）以專用可視化工藝文件融入關鍵檢驗點、強制檢驗點確認，通過多媒體照片比對、數字化測試結果比對，實現(xiàn)多方人員的遠程產品保證確認。

3）以通用可視化工藝文件，融入特殊過程管理要求，通過多媒體照片，強化特殊過程指導作業(yè)與數據記錄規(guī)范性。

通過構建可視化的工藝文件，提高工藝文件、產品保證工作與現(xiàn)場生產管控的關聯(lián)性，提高了產品保證確認效率以及產品質量，優(yōu)化了產品保證管理效益。

2.3" 基于數字化制造的生產計劃管控系統(tǒng)

數字化制造能力在車間生產管控方面，可實現(xiàn)在統(tǒng)一MES平臺基礎上拓展智能調度排產、移動終端、AI識別等產業(yè)賦能。

在生產過程管控方面，可構建統(tǒng)一SCADA系統(tǒng)，通過關鍵工序設備全面聯(lián)網，生產要素數據包自動采集，關鍵數據100%自動分析，實現(xiàn)效率與質量效益提升。

通過構建基于MES系統(tǒng)的生產計劃管控體系，規(guī)范機柜現(xiàn)場作業(yè)流程，提升制造效率；實現(xiàn)機柜各部套的橫向集成，通過生產計劃管控，建立機柜生產全過程監(jiān)控體系，實現(xiàn)生產透明化管控能力；基于MES向上承接ERP、PDM數據，向下承接設備數據，關聯(lián)APS動態(tài)調度排產，實現(xiàn)機柜的縱向集成，建立全閉環(huán)的機柜質量追溯體系，提高質量保證效益。

通過構建數字化生產計劃管控系統(tǒng)（圖3），可獲取生產計劃及進度報表、工時報表、滯留工序報表、物料齊套報表，根據機柜總裝約束條件開展動態(tài)優(yōu)化。

2.4" 基于智能制造的關鍵裝備設計

智能制造能力在數字化測量、檢驗方面，可通過自動化綜合測試判讀技術應用，大幅提高檢測效率。

通過研發(fā)機柜AC-DC電源模塊自動測試設備（圖4），開發(fā)軟件平臺完成系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了機柜電源模塊設計指標的參數自動采集。

通過研發(fā)機柜系統(tǒng)功能綜合測試設備（圖5），實現(xiàn)一體化集成測試，包括參數的統(tǒng)一配置，測試數據的采集、自適應性負載配置和電氣性能調試。通過綜合測試設備等關鍵裝備設計，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效、精準的完整功能和性能測試，電流、電壓以及信號的采集通過MES系統(tǒng)自動形成生產要素數據包。

2.5" 實現(xiàn)效果

通過對機柜產品重構柔性脈動式生產線，最終實現(xiàn)將機柜生產效率提升30%，實現(xiàn)機柜總裝調試過程生產要素數據包自動采集，關鍵數據100%自動分析，提高了機柜產品的數字化生產計劃與質量體系管控效益。

3" 結論

通過工藝布局優(yōu)化，建立脈動式柔性裝調生產線，提高了航天裝備機柜產品生產效率和效益。通過研究機柜脈動式柔性裝調產線的流程及柔性單元設計、可視化工藝文件設計、數字化生產計劃管控系統(tǒng)、智能制造裝備設計等關鍵技術，將機柜生產效率提升30%，通過生產單元柔性化配置，生產工位數量顯著降低，節(jié)約成本約600萬元。同時在場地資源區(qū)域飽和的條件下，提高了空間利用率。

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