小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)智能脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線建設(shè)

■ 韓大禹 高鴿 陳譽(yù)松 郭作燃 孫沐昕 / 中國航發(fā)黎明

與航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的固定站位式整機(jī)裝配模式相比，脈動(dòng)裝配線具有數(shù)字化、自動(dòng)化、柔性化以及人性化等特點(diǎn),是突破發(fā)動(dòng)機(jī)裝配制造瓶頸的重要手段。

小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)多為軍用加力式發(fā)動(dòng)機(jī)，整機(jī)裝配通常由傳動(dòng)裝配（裸機(jī)裝配）和總裝配（外部結(jié)構(gòu)裝配）兩大工序構(gòu)成，分別涉及轉(zhuǎn)靜子、加力燃燒室等多個(gè)單元體的高精度對(duì)接集成，以及大量成附件、多層外部管路的立體安裝。復(fù)雜的整機(jī)裝配過程與日益增長的航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求量矛盾，使原有的生產(chǎn)線及工藝模式無法在效率、質(zhì)量與產(chǎn)能間達(dá)到良好平衡，探究適用于小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的新一代生產(chǎn)線模式已成為此類航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域發(fā)展的必由之路。

現(xiàn)行模式下的生產(chǎn)線分析

現(xiàn)行生產(chǎn)線采用固定站位式的生產(chǎn)組織模式。在大型工藝設(shè)備上，現(xiàn)行模式一般采用剛性桁架進(jìn)行裝配，輔以裝配站架，操作者雖經(jīng)簡單培訓(xùn)即可進(jìn)行設(shè)備操作，但裝配過程中需要反復(fù)攀爬站架，人機(jī)工效不佳，存在一定安全隱患。

在具體生產(chǎn)作業(yè)方式上，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配作為一類典型的勞動(dòng)密集型工序，基本為手工操作，固定站位模式的生產(chǎn)操作者需要掌握裝配全過程，對(duì)操作者技術(shù)水平要求較高，從人為因素考慮不利于質(zhì)量穩(wěn)定性控制。

脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線上部吊裝系統(tǒng)總覽

在系統(tǒng)支撐條件上，現(xiàn)有企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)/制造執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES）僅有物料數(shù)量、位置等基礎(chǔ)信息，無物料特征信息（尺寸、質(zhì)量等），使優(yōu)選優(yōu)配工作難以推行，且發(fā)動(dòng)機(jī)選配工作僅能在集件后執(zhí)行，如需更換零件會(huì)影響生產(chǎn)效率。

在裝配工藝上，現(xiàn)行模式無法快速構(gòu)建面向單臺(tái)次的裝配工藝，操作工人需要同時(shí)執(zhí)行工藝規(guī)程、臨時(shí)工藝文件、返修工藝文件等多種紙質(zhì)文件，且需要針對(duì)具體發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)份進(jìn)行人工有效性識(shí)別，占用工人操作時(shí)間，存在技術(shù)狀態(tài)失控風(fēng)險(xiǎn)。

在檢驗(yàn)檢測方法上，部分工序工步仍采用傳統(tǒng)檢測工具，需要人工讀取數(shù)據(jù)，并謄抄至紙質(zhì)質(zhì)量記錄，存在讀數(shù)及筆誤隱患。

在質(zhì)量證明文件上，質(zhì)量記錄匯總成紙質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)卷宗，發(fā)動(dòng)機(jī)出廠后卷宗封存于特定地點(diǎn)。復(fù)查問題時(shí)，需要消耗較多資源進(jìn)行質(zhì)量追溯工作，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)問題迭代歸零和可靠性提升。

建設(shè)思路

小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，很難劃分出風(fēng)扇、核心機(jī)、低壓渦輪、附件機(jī)匣等模塊，所以其裝配工藝流程應(yīng)按更小的顆粒度進(jìn)行重構(gòu)規(guī)劃，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)定制新的生產(chǎn)線模式：核心機(jī)裝配采用豎直調(diào)姿托架；風(fēng)扇、核心機(jī)、低壓渦輪、加力燃燒室的連接采用多自由度裝配平臺(tái)；外部附件、導(dǎo)管及電纜的裝配與外廓測量則依托水平吊裝系統(tǒng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)智能脈動(dòng)車間管理架構(gòu)

基于固定節(jié)拍的流動(dòng)式生產(chǎn)

通過生產(chǎn)線規(guī)劃與仿真，確定合理的站位與脈動(dòng)節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)操作人員專業(yè)化分工，工裝設(shè)備專位專用，技術(shù)質(zhì)量文件與物料精準(zhǔn)推送。同時(shí)，建立現(xiàn)場問題快速反應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)度透明管控。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)排產(chǎn)與動(dòng)態(tài)調(diào)度

將人工經(jīng)驗(yàn)排產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榛跀?shù)據(jù)和既定算法的自動(dòng)排產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)班產(chǎn)任務(wù)自動(dòng)推送，裝配過程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，指令信息對(duì)稱傳遞和協(xié)同執(zhí)行。

數(shù)字化的裝配過程控制

建立工檢一體的數(shù)字化工藝、質(zhì)量文件體系，全面推進(jìn)數(shù)字化檢測工具和試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用，基于MES和ERP系統(tǒng)對(duì)零部件質(zhì)量數(shù)據(jù)優(yōu)選配臺(tái)，實(shí)現(xiàn)庫存件最優(yōu)匹配。同時(shí)，基于過程管控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)字卷宗系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)字化發(fā)動(dòng)機(jī)鏡像模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品特征數(shù)據(jù)化管理、裝配進(jìn)度和精度的數(shù)字化預(yù)測。

基于信息化的立庫倉儲(chǔ)和精準(zhǔn)配送

采用信息化立庫存儲(chǔ)，基于物碼管理庫存物料，指揮倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）進(jìn)行精準(zhǔn)配套，實(shí)現(xiàn)物料配套信息可視化和自動(dòng)預(yù)警，按照生產(chǎn)節(jié)拍和配套節(jié)點(diǎn)精準(zhǔn)配送。

高效的自動(dòng)化輔助與人機(jī)協(xié)同

基于工藝特點(diǎn)、人機(jī)分析，進(jìn)行生產(chǎn)線設(shè)備自動(dòng)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)工程優(yōu)化和關(guān)鍵重點(diǎn)過程的自動(dòng)化輔助裝配，從而降低裝配人員操作過程的復(fù)雜性，提升裝配穩(wěn)定性。

關(guān)鍵技術(shù)

裝配工藝流程再造

從固定站位式向脈動(dòng)式裝配改造需要對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行切割，通過觀察記錄每一個(gè)工序所需時(shí)間，結(jié)合工藝特點(diǎn)劃分節(jié)拍，盡量保證每個(gè)節(jié)拍時(shí)間相等。建立能夠面向單臺(tái)次快速重構(gòu)的工藝文件體系，工藝人員根據(jù)實(shí)際情況從工藝庫中快速摘取相應(yīng)工序重構(gòu)出單臺(tái)工藝，對(duì)現(xiàn)場操作者指導(dǎo)性更強(qiáng)。

生產(chǎn)線人機(jī)工程

由于生產(chǎn)線設(shè)計(jì)運(yùn)用精益方法分析存在的不良工效學(xué)問題，對(duì)生產(chǎn)線三大主要裝配工位（核心機(jī)工位、低壓部分工位、總裝配工位）的硬件設(shè)備進(jìn)行了專項(xiàng)優(yōu)化定制，實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)操作的人性化定制設(shè)計(jì)，杜絕了員工頻繁登高或彎腰操作的現(xiàn)象，改善現(xiàn)場人機(jī)工效與勞動(dòng)強(qiáng)度，提升現(xiàn)場員工的人機(jī)安全感和滿意度，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)線的運(yùn)營成本。

生產(chǎn)線數(shù)字化

現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過數(shù)字化檢測工具獲取上傳至MES，通過工檢一體的信息化系統(tǒng)生成數(shù)字化發(fā)動(dòng)機(jī)卷宗。對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的問題可以通過后臺(tái)調(diào)取裝配大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋求解決辦法，同時(shí)為優(yōu)選優(yōu)配提供數(shù)據(jù)支持。

生產(chǎn)線自動(dòng)化

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)量提升，生產(chǎn)效率需要不斷提高，自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)能夠幫助操作者分擔(dān)部分裝配工作，屆時(shí)操作者可以進(jìn)行并行操作提高生產(chǎn)效率。人工依靠經(jīng)驗(yàn)排產(chǎn)已無法滿足脈動(dòng)生產(chǎn)模式需要，整理排產(chǎn)所需邊界條件，梳理排產(chǎn)邏輯關(guān)系，構(gòu)建排產(chǎn)模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排產(chǎn)，確保生產(chǎn)計(jì)劃的可執(zhí)行性。

生產(chǎn)線流動(dòng)設(shè)計(jì)

小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配的總裝配采用導(dǎo)軌上部吊裝與多自由度裝配轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)相結(jié)合的方案。傳動(dòng)裝配—總裝配間的裸機(jī)傳遞，采用定制轉(zhuǎn)運(yùn)自動(dòng)引導(dǎo)小車（AGV）方案實(shí)現(xiàn)流動(dòng)化設(shè)計(jì)。

實(shí)施效果

中國航發(fā)黎明針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有整機(jī)裝配工藝特點(diǎn)，以數(shù)字化工藝和質(zhì)量檢測為牽引、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)計(jì)劃管控為手段、固化節(jié)拍的脈動(dòng)式生產(chǎn)為組織形式、高效人機(jī)協(xié)作模式和精準(zhǔn)物流配送為支撐，從管理層到執(zhí)行層全面規(guī)劃建設(shè)整機(jī)智能脈動(dòng)裝配車間。

多自由度裝配平臺(tái)

生產(chǎn)線的核心機(jī)裝配采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自適應(yīng)核心機(jī)裝配平臺(tái)。平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)人機(jī)智能交互，使操作者在舒適的姿態(tài)下即可依次完成核心機(jī)裝配。

生產(chǎn)線的整機(jī)裝配工位依托自主研發(fā)的多自由度裝配平臺(tái)展開。平臺(tái)基于整機(jī)裝配中350多個(gè)動(dòng)作的分解研究，可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、滾轉(zhuǎn)、升降多維度姿態(tài)調(diào)節(jié)。操作者可利用智能化電控系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)裝配角度及位置的調(diào)節(jié)，并以最輕松的站立姿態(tài)完成低壓部件及加力燃燒室單元的裝配工作，極大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度與身體損傷，改善了人機(jī)交互環(huán)境。整機(jī)裝配完畢，AGV會(huì)依照指令，自動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至上部吊裝系統(tǒng)，完成節(jié)拍間的高效流動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)外部成附件及管路裝配基于生產(chǎn)線上部吊裝系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)采用多環(huán)線多工位流動(dòng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)任意單工位的調(diào)姿功能，并可實(shí)現(xiàn)各個(gè)工位間的整機(jī)自動(dòng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，系統(tǒng)融合了多重安全邏輯，以保證環(huán)線運(yùn)行中的人機(jī)安全。

在物流管理方面，采用物控中心作為脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的物流支撐設(shè)備，為脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線提供物料的信息化管理和精準(zhǔn)配送功能。物控中心采用AGV等智能化轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了物料的自動(dòng)化運(yùn)輸，構(gòu)建了以精準(zhǔn)物流配送為驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)線運(yùn)行模式。

生產(chǎn)線的系統(tǒng)條件建設(shè)方面，在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)中開發(fā)了基于重構(gòu)工藝的工檢一體模塊，工藝文件編制完成后，過程數(shù)據(jù)記錄文件自動(dòng)生成，作為數(shù)據(jù)載體實(shí)現(xiàn)無紙化裝配。并以工序?yàn)樽钚☆w粒，針對(duì)不同有效性技術(shù)狀態(tài)編制平行工序，將全部工藝推送至MES，由MES下發(fā)班產(chǎn)任務(wù)時(shí)，自動(dòng)揀選成單臺(tái)工藝文件。在ERP系統(tǒng)中形成主生產(chǎn)計(jì)劃后推送至MES，MES結(jié)合工藝路線、標(biāo)準(zhǔn)期量、排產(chǎn)邏輯生成主制造計(jì)劃。WMS接到制造計(jì)劃后，根據(jù)ERP系統(tǒng)中生成的配臺(tái)方案形成物料配送計(jì)劃，驅(qū)動(dòng)物控中心進(jìn)行精準(zhǔn)配送?，F(xiàn)場生產(chǎn)過程依托于MES，集成物碼系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。形成完整的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)記錄于數(shù)字卷宗，實(shí)現(xiàn)全生命周期管理。

結(jié)束語

智能化柔性脈動(dòng)裝配線的建設(shè)與應(yīng)用，不僅僅是對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備的建設(shè)，更將拉動(dòng)生產(chǎn)管理、技術(shù)管理、質(zhì)量管理與信息化管理的大幅升級(jí)。通過柔性化、數(shù)字化、流動(dòng)式生產(chǎn)線規(guī)劃建設(shè)，提升發(fā)動(dòng)機(jī)裝配效率和裝配穩(wěn)定性，滿足小批量多型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)混線裝配生產(chǎn)需求，是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)總成單位核心制造能力的必由之路。