閥體制造單元研究與應(yīng)用

袁曉東，趙?？?，劉 英

（西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)，陜西 西安710100）

0 引言

航天產(chǎn)品是以研制和批產(chǎn)并行的模式進(jìn)行生產(chǎn)的，在該模式下即要完成新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和研制，又要完成批產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)與交付。為了適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字化制造生產(chǎn)模式，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，則要求對(duì)航天產(chǎn)品及其質(zhì)量進(jìn)行數(shù)字化控制和管理。為此，世界各國(guó)著名公司紛紛引入和開(kāi)發(fā)出了數(shù)字化制造單元模式，并取得了驕人的技術(shù)成果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。我們?cè)陂y體制造領(lǐng)域通過(guò)引入與應(yīng)用單元制造模式，解決了閥體研制與量產(chǎn)之間的矛盾，縮短了閥體制造周期，減少了在制品，降低了庫(kù)存，提高了閥體制造生產(chǎn)資源利用率、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 單元制造模式運(yùn)行機(jī)理及其系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)判準(zhǔn)則

1.1 單元制造模式運(yùn)行機(jī)理

單元制造模式應(yīng)用成組理念，將具有相同生產(chǎn)過(guò)程的制造任務(wù)和制造資源集中在一定的生產(chǎn)面積上，按工藝流程順序和要求布置生產(chǎn)設(shè)備，形成制造單元，通過(guò)零件或人員流轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)具有該工藝流程的一類(lèi)零件族的系列生產(chǎn)過(guò)程，其構(gòu)成要素一般包括：產(chǎn)品與工藝、設(shè)備與設(shè)施、布局與物流、人員與組織、文件與數(shù)據(jù)、環(huán)境與安全、生產(chǎn)運(yùn)作、質(zhì)量保證，信息化系統(tǒng)等，制造單元的構(gòu)成要素見(jiàn)圖1。單元化制造系統(tǒng)研究的關(guān)鍵過(guò)程[1-4]是對(duì)單元運(yùn)行產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行分析，建立工藝布局，進(jìn)行生產(chǎn)組織，然后進(jìn)行工藝管理、物流管理、人員管理、設(shè)備管理，并制定有效的質(zhì)量控制措施。在單元試運(yùn)行或運(yùn)行一段時(shí)間后，對(duì)制造單元實(shí)施方案進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化、評(píng)估和持續(xù)改進(jìn)，通過(guò)單元制造能力的不斷提高以實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)能力的持續(xù)提升與發(fā)展。

魯棒性概念是英國(guó)劍橋大學(xué)鄧肯·麥克法蘭和基恩·格洛弗在二十世紀(jì)八十年代應(yīng)用控制論研究有界系統(tǒng)不確定性衡量程度時(shí)提出的概念。兩位學(xué)者通過(guò)研究固定控制器中不確定性對(duì)象及其影響因素，最終找到了使其滿(mǎn)足控制品質(zhì)的技術(shù)和方法。魯棒性是指系統(tǒng)在擾動(dòng)或不確定的情況下，系統(tǒng)仍能保持行為的能力，即系統(tǒng)的健壯性，它是系統(tǒng)在異常和危險(xiǎn)情況下生存的關(guān)鍵因素。在單元制造系統(tǒng)運(yùn)行之前，必須對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行魯棒性計(jì)算，以找到導(dǎo)致制造單元系統(tǒng)運(yùn)行處于非穩(wěn)定工作狀態(tài)的因素，并予以控制，將其對(duì)系統(tǒng)的影響降低到最小程度。在多品種、中小批量制造模式下，各種不確定性因素（如設(shè)備狀態(tài)變化、人員變動(dòng)和緊急插單等）均會(huì)引發(fā)制造單元能力和需求的實(shí)時(shí)變化，從而導(dǎo)致制造單元中某一工序在某一時(shí)間段內(nèi)停滯，甚至?xí)騺y整個(gè)制造單元的生產(chǎn)節(jié)拍。所以，不僅需要對(duì)當(dāng)前各個(gè)制造單元生產(chǎn)能力和需求進(jìn)行評(píng)估，還需要對(duì)一定時(shí)間段內(nèi)制造單元相對(duì)變化程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，即在單元制造系統(tǒng)運(yùn)行之前，需要研究整個(gè)制造生產(chǎn)單元的魯棒性因子。

圖1 制造單元要素構(gòu)成示意圖Fig.1 Manufacturing cell elements

單元制造系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，制造單元加工能力越大，不穩(wěn)定性因素（需求）越少，則該生產(chǎn)單元的魯棒性更穩(wěn)定。反之，制造單元魯棒性更差。依據(jù)這一特性，以制造單元加工能力、時(shí)間和影響因子為參數(shù)，制造單元j的魯棒性因子Ij的數(shù)學(xué)模型：

式中：Cj為制造單元j的生產(chǎn)能力；Dj為制造單元j的生產(chǎn)負(fù)荷；Nj為制造單元j所加工的產(chǎn)品種類(lèi)的數(shù)量；nij為第i種產(chǎn)品在制造單元j所需加工的數(shù)量；fij為第i種產(chǎn)品在制造單元j的不合格品率；Eij為第i種產(chǎn)品在制造單元j所需的單位加工時(shí)間；Fij為第i種產(chǎn)品在制造單元j所需的單位生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間；CDij(t)為制造車(chē)間實(shí)時(shí)工況變化引起的制造單元j的生產(chǎn)需求時(shí)間變動(dòng)量；Tij為第i種產(chǎn)品在制造單元j的計(jì)劃可用時(shí)間；Ccij(t)為制造車(chē)間實(shí)時(shí)工況變化引起的制造單元j的生產(chǎn)能力時(shí)間變動(dòng)量。

1.2 單元制造系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)判準(zhǔn)則

影響制造單元魯棒性因子Ij的主要因素有：產(chǎn)品不合格率fij，產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間Fij和生產(chǎn)時(shí)間變動(dòng)量CDij。為使制造單元處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，需要對(duì)這些因素進(jìn)行量化控制與評(píng)價(jià)，制造單元穩(wěn)定運(yùn)行的各因素取值范圍為：制造單元魯棒性因子Ij＞70%；產(chǎn)品不合格率＜5%；在單元制造過(guò)程中，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間Fij≌ 0(在每個(gè)零件生產(chǎn)前，生產(chǎn)過(guò)程中所用刀具、數(shù)控程序、毛坯均已完成)。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間變動(dòng)量CDij(t)要基于設(shè)備、人員、過(guò)程、質(zhì)量等全面考慮，一般要求實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間變動(dòng)量Ccij(t)≤計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間變動(dòng)量CDij(t)。

制造單元建立后，必須定量描述以單元為核心的制造模式的制造能力，制定合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)以發(fā)現(xiàn)制造單元的薄弱環(huán)節(jié)，并采取有效措施予以解決，保障制造單元長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。單元制造的評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則要遵循持續(xù)改進(jìn)的思想與理念，評(píng)價(jià)指標(biāo)要體現(xiàn)企業(yè)在實(shí)施單元前后的綜合制造能力。選取了2個(gè)一級(jí)指標(biāo)，11個(gè)二級(jí)指標(biāo)（見(jiàn)圖2），作為單元制造的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖2 單元制造評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hierarchical structure of cellular manufacturing evaluation indexes

單元化制造系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，需要采用科學(xué)的評(píng)價(jià)方法，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)與評(píng)判。目前多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)有六類(lèi)方法，即層次分析法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主因素分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于粗糙集理論的評(píng)價(jià)方法。制造單元評(píng)價(jià)指標(biāo)之間具有復(fù)雜的階梯層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，指標(biāo)數(shù)量多，既有定性指標(biāo)又有定量指標(biāo)，為此采用層次分析法 (analytic hierarchy process，AHP)研究和分析閥體制造單元指標(biāo)之間的層次關(guān)系。例如生產(chǎn)能力一般劃分為：加工制造周期、生產(chǎn)成本和設(shè)備柔性等，設(shè)備柔性又分為設(shè)備擴(kuò)充性和通用性，采用層次分析法可以進(jìn)行多級(jí)指標(biāo)權(quán)數(shù)確定。單元制造系統(tǒng)中存在著許多模糊因素，僅僅通過(guò)定性或者定量法很難對(duì)系統(tǒng)性能直接進(jìn)行評(píng)判，如對(duì)所構(gòu)建單元化制造系統(tǒng)敏捷性評(píng)判，一般是采用模糊評(píng)價(jià)法中的隸屬函數(shù)和隸屬度概念來(lái)解決這種模糊因素問(wèn)題的。該方法以精確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言定性描述不確定因素，解決了各項(xiàng)指標(biāo)量綱統(tǒng)一化的問(wèn)題[5]。

制造單元指標(biāo)評(píng)價(jià)方法為三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法，三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型見(jiàn)公式 (2)～公式(4)。

一級(jí)模糊評(píng)價(jià)模型

二級(jí)模糊評(píng)價(jià)模型

三級(jí)模糊評(píng)價(jià)模型

式中：j表示一級(jí)指標(biāo)數(shù)；s表示二級(jí)指標(biāo)數(shù)；t表示三級(jí)指標(biāo)數(shù)；wjst表示指標(biāo)的評(píng)價(jià)分值；rjst表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的之間關(guān)聯(lián)值。

2 閥體制造單元

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，電磁閥控制推進(jìn)劑或控制氣體進(jìn)入推力室、燃?xì)獍l(fā)生器和其他部件，關(guān)閉時(shí)切斷推進(jìn)劑或控制氣體的供應(yīng)。因此，閥體加工精度直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。電磁閥閥體年產(chǎn)量為數(shù)千件，種類(lèi)幾十余種，采用閥體制造單元模式進(jìn)行生產(chǎn)。

2.1 閥體結(jié)構(gòu)

電磁閥閥體兩端為磁性材料，中間為隔磁材料，通過(guò)焊接連成一體，由入口接嘴、繞線(xiàn)窗口、引線(xiàn)槽、對(duì)外接口（法蘭或接嘴）、閥芯、擋鐵、閥座密封和電磁響應(yīng)部分組成，閥體內(nèi)腔與閥芯裝配精度要求為μm量級(jí)，閥體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。根據(jù)電磁閥閥體結(jié)構(gòu)類(lèi)似性，將閥體分為3類(lèi)，即銑法蘭型，簡(jiǎn)單型和銑法蘭+側(cè)嘴型。

圖3 閥體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Valve body structure

2.2 閥體制造單元

2.2.1 閥體制造單元工藝流程

為適應(yīng)單元化生產(chǎn)，遵循使每一個(gè)工序和其他工序能夠?qū)崿F(xiàn)同步化流動(dòng)生產(chǎn)，即實(shí)現(xiàn)“一個(gè)流”生產(chǎn)作業(yè)，必須對(duì)三類(lèi)閥體進(jìn)行單元化制造工藝流程優(yōu)化。表1為閥體制造工藝流程。

表1 閥體制造工藝流程Tab.1 Technological process of valve body manufacturing

由表1可見(jiàn)，將原19個(gè)傳統(tǒng)機(jī)加工序流程優(yōu)化縮減為7個(gè)單元制造模式流程工序，優(yōu)化后的單元制造模式流程工序?yàn)?個(gè)，單元制造模式流程工藝流程框圖見(jiàn)圖4。

圖4 閥體單元制造工藝流程框圖Fig.4 Flow sheet of valve body cellular manufacturing

2.2.2 閥體制造單元設(shè)備布局

在進(jìn)行設(shè)備布局前，必須對(duì)設(shè)備負(fù)荷能力進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)圖4閥體單元制造工藝流程框圖，對(duì)閥體單元的負(fù)荷能力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5是閥體制造單元設(shè)備負(fù)荷能力柱狀圖，由圖5可見(jiàn)，閥體流水線(xiàn)的平均生產(chǎn)能力為20件/天。

電磁閥閥體U形單元平面布局見(jiàn)圖6。

表2 單元化加工工序內(nèi)容及設(shè)備負(fù)荷能力表Tab.2 Cellular manufacturing processes and facility loading capacity

圖5 閥體制造單元設(shè)備負(fù)荷能力柱狀圖Fig.5 Histogram for facility loading capacity of valve body manufacturing cell

圖6 閥體制造單元設(shè)備布局圖Fig.6 Facility layout of valve body manufacturing cell

2.2.3 閥體制造單元管理

在閥體制造單元內(nèi)，工藝管理采用工藝規(guī)程進(jìn)行工序拆分，單元化內(nèi)每位操作者均可以看到用于指導(dǎo)本工序操作的工藝規(guī)程。操作者對(duì)刀具和工裝進(jìn)行管理，并定期更換與檢查。物流管理由操作者負(fù)責(zé)，采用“拉式生產(chǎn)”，單件流轉(zhuǎn)，操作者自行傳遞產(chǎn)品。

2.2.4 閥體制造單元質(zhì)量控制

在閥體量產(chǎn)前，實(shí)施首件三檢，以確認(rèn)數(shù)控加工程序和刀具選擇的正確性，然后進(jìn)行單元化批量加工。操作者對(duì)加工的零件進(jìn)行100%自檢，自檢工序步驟被列入節(jié)拍，并明確為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作。專(zhuān)職檢驗(yàn)員在單元制造過(guò)程中，進(jìn)行巡檢，并完成10%產(chǎn)品的抽檢任務(wù)。在單元完成制造后，對(duì)產(chǎn)品實(shí)施全尺寸測(cè)量。

閥體制造單元在7個(gè)工序之間設(shè)置了一名專(zhuān)門(mén)檢驗(yàn)員，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行首檢、巡檢和抽檢。單元完成制造后，產(chǎn)品進(jìn)入總檢，由專(zhuān)職檢驗(yàn)員進(jìn)行全檢。

2.2.5 閥體制造單元魯棒性因子Ij計(jì)算

依據(jù)制造單元魯棒性控制模型，對(duì)閥體制造單元魯棒性因子按公式 (1)進(jìn)行了計(jì)算。閥體制造單元閥體品種有三種，即Nj=3，其他各因子依據(jù)閥體制造單元系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行值來(lái)確定，可計(jì)算得出閥體制造單元魯棒性因子Ij，見(jiàn)表3。

制造單元魯棒性因子Ij＞70%標(biāo)志著制造單元系統(tǒng)運(yùn)行處于穩(wěn)定狀態(tài)，由表3可見(jiàn)，閥體制造單元的魯棒性因子Ij=94%，表明閥體制造單元系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

3 閥體制造單元運(yùn)行結(jié)果

圖7是閥體制造單元加工周期與合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖可見(jiàn)，閥體制造單元生產(chǎn)效率提高了5倍，產(chǎn)品合格率為99.5%。

表3 閥體制造單元魯棒性因子計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of robustness factor for valve body manufacturing cell

圖7 閥體制造單元加工周期與合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.7 Statistical results of production cycle and qualification rate of valve body manufacturing cell

閥體制造單元制造周期評(píng)分與生產(chǎn)成本評(píng)分計(jì)算。

加工制造周期評(píng)分：

式中：Tb′為傳統(tǒng)機(jī)加模式制造周期評(píng)分值；Tc′為單元制造模式制造周期評(píng)分值；Tb為傳統(tǒng)機(jī)加模式制造周期；Tc為單元制造模式制造周期。

生產(chǎn)成本評(píng)分：

式中：Cb′為傳統(tǒng)機(jī)加模式生產(chǎn)成本評(píng)分值；Cc′為單元制造模式成本評(píng)分值；Cb為傳統(tǒng)機(jī)加模式生產(chǎn)成本；Cc為單元制造模式生產(chǎn)成本。

計(jì)算結(jié)果表明：Tb′＜Tc′，Cb′＜Cc′，即閥體制造單元模式生產(chǎn)周期和成本均降低了。

根據(jù)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型公式 (2)～(4)和單元制造的評(píng)價(jià)能力指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)圖2中的指標(biāo)，計(jì)算閥體單元制造模式與傳統(tǒng)機(jī)加工模式生產(chǎn)制造能力和組織管理能力b′與b值。

計(jì)算結(jié)果表明：b′＞b，即閥體制造單元模式生產(chǎn)制造與組織管理能力均優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)加模式。

4 結(jié)論

以制造單元模式魯棒性理論為基礎(chǔ)，采用層次分析法 (Analytic hierarchy process，AHP)與模糊綜合評(píng)價(jià)法研究了影響制造單元系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素，得出了制造單元系統(tǒng)穩(wěn)定性運(yùn)行的評(píng)判準(zhǔn)則，即制造單元魯棒性因子Ij＞70%，產(chǎn)品不合格率＜5%，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間Fij≌ 0。閥體制造單元模式的運(yùn)行和計(jì)算表明：閥體制造單元魯棒性因子Ij=94%，表明閥體制造單元系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；閥體制造單元模式生產(chǎn)周期降低了78.5%；生產(chǎn)成本比原來(lái)降低了31.8%；閥體生產(chǎn)制造與組織管理能力得到了明顯提高；不僅提高了閥體制造生產(chǎn)效率，而且提高了閥體制造生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

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