淺談智能脈動式裝配生產線技術應用（以飛機產品裝配為例）

本文以飛機產品裝配為例，介紹智能脈動式裝配生產線。脈動式裝配生產線是建立在精益制造、柔性制造、智能制造等現代先進制造理論和管理思想基礎上的，在飛機生產中采用脈動式裝配生產線是世界主流的發展趨勢，也是我國飛機制造技術發展必須經歷的階段。 ? ? ? ? ? ? ?

飛機裝配是飛機制造過程中最為重要的環節之一，其裝配技術和裝配質量直接影響到產品的性能及可靠性。隨著我國航空工業高速發展，傳統機庫式裝配模式由于裝配效率低、勞動強度大、作業管理困難，無法滿足現代飛機裝配周期短、節奏快、精度高的生產作業需求。由于機庫式裝配存在的種種問題，飛機制造業逐漸引進脈動生產線這一最新裝配方式，脈動式裝配生產線逐漸成為目前飛機產品裝配過程中最常見的生產線組織模式。

脈動式裝配生產線的

概念及特點

飛機脈動式裝配生產線最初從Ford公司的移動式汽車生產線衍生而來，是通過設計飛機裝配環節中的各個流程，完善人員配置與工序過程，把裝配工序均衡分配給相應作業站位，讓飛機以固有的節拍在站位上進行脈沖式移動，操作人員則要在固定站位完成飛機生產裝配工作。脈動裝配生產線還可以設定緩沖時間，對生產節拍要求不高，當生產某個環節出現問題時，整個生產線可以不移動，或留給下個站位去解決，當飛機的裝配工作全部完成時，生產線就脈動一次。整條生產線由4部分組成：脈動主體、物流供給系統、可視化管理系統、技術支持。 ? ? ?

（1）脈動主體：站位設施、對接定位設備、可移動的裝配設備等。

（2）物流供給系統：AGV車、完備的配套和配送系統。

（3）可視化管理系統：現場可視化系統、ERP與MES無縫融合的信息管理系統、工作現場的固定和移動終端。

（4）技術支持：質量保障、生產現場問題應急處理。

脈動式的裝配方式改變傳統飛機裝配的生產模式，有效縮短了生產周期、提高了裝配的質量和效益。與傳統裝配模式不同，飛機脈動裝配生產線具有以下特點： ? ? ?

（1）生產具有明顯的節奏性。用戶需求和產能決定脈動裝配線的遷移速度，生產線要做到均衡生產，并按設定的節拍完成脈沖式移動，裝配過程流暢，不會產生擠壓或脫節。

（2）工位專業化程度高。飛機脈動式裝配線將指令分配至各站位，站位內僅完成固定指令的操作，生產線分工明確細致，工作量單一重復，生產效率比較高。

（3）裝配進度易于掌握。各個站位工作小組要在限定節拍內完成相應的裝配任務，飛機裝配進度可通過飛機所在站位位置來獲知。

（4）自動化程度高。生產線上配備了專業的自動化設備和先進的供給線，有效降低了生產過程中人為的誤差。

圖1為美國F-35飛機的脈動式裝配生產線場景。

智能脈動式裝配生產線技術應用

在脈動式裝配生產線的初始設計過程中，以飛機總裝配的年產量需求，設計脈動式裝配生產線的節拍，并對各個站位的工作內容進行劃分。脈動式裝配生產線可設置多個站位，如圖2所示，各站位的主要任務分別為：部件對接、機械系統安裝；特設系統安裝；系統試驗；通電聯試；交付等。同時，生產線的基礎設施配備有先進的數字化對接調姿設備、激光跟蹤儀測量設備、整機線纜檢測設備、智能工具柜等，為生產線智能制造技術的應用奠定了基礎?？傃b脈動生產過程中智能制造技術的應用，依托于數字化、信息化軟硬件平臺環境，滿足智能制造的發展目標。

圖2?脈動式飛機總裝生產線示意圖

?1）生產線智能管控系統 ? ? ? 在實際應用過程中，廣義的企業智能管控業務主要由企業的ERP、PLM、SCM和MES系統等共同完成市場分析、經營計劃、物料采購、產品制造以及訂單交付等各環節的控制與決策。對于飛機總裝生產線來說，生產線智能管控系統以主生產流程模型為驅動，以多源信息感知網絡采集的數據為輸入，通過計劃自動分解與下達、調度派工管理、裝配現場管理、物料管理、工具管理、設備管理、人員管理和質量管理等一系列功能，使總裝現場能夠按照訂單要求有序運行。通過該系統，企業決策者能夠掌握企業自身的生產能力、生產資源以及所生產的產品，能夠調整產品的生產流程與工藝方法，并能夠根據市場、客戶需求等動態信息做出快速、智能的決策。

?2）物料精準配送系統 ? ?

為了保障總裝脈動生產線平穩順暢運行，總裝車間物料精準配送系統必不可少，如圖3所示。系統硬件主要包括物品吊裝機構、物料運輸小車、裝配執行機構、手工作業機構、物料分揀裝置等。系統運行過程中，以物料配送主流程模型為驅動，以生產管控系統數據為輸入，通過物料配送系統實時自動監控管理，實現物料倉儲補給、現場配送預警，保證生產線物料按需、定時、定點精準配送。在物料標識方面，系統首先對各個產品及流動輔助物體貼上可識別的RFID碼，然后采用條碼自動讀寫硬件技術將條碼符號所代表的數據轉變為計算機可讀寫數據，形成物料與計算機之間的數據通信。

圖3?物料精準配送系統流程圖 ? ?3）智能工具管理系統 ? ? 飛機總裝作業工具的使用數量大、種類多，對工具狀態信息有效管理可極大節省人力、物力。飛機總裝生產中通過利用RFID技術開發智能工具管理系統。系統可使借還人通過身份識別打開工具柜。在對工具進行借用時，工具表面粘貼有RFID識別標簽，經閱讀器處理分析將結果傳輸至計算機，因此免去了以手寫登記的方式記錄工具借存狀態的環節。同時也對工具的清點定位起到重要作用，在查找遺忘、丟失工具時，工具的主動式ID可發出信號，通過使用檢測設備進行掃描定位，可以快速、準確地找到丟失工具。 ? ?

?4）飛機部件智能裝配系統 ? ? 飛機部件智能裝配單元是飛機總裝智能生產中不可或缺的組成部分，智能裝配單元以部件裝配和檢測仿真模型為驅動，以激光跟蹤儀測量數據為輸入，采用大部件對接誤差實時測量與自適應控制系統，實現部件數字化裝配與測量的閉環工作模式。在飛機智能總裝生產線中包含智能柔性工裝系統、智能自動鉆鉚系統、智能機器人系統、智能對接裝配系統等，通過各個智能裝配單元之間相互聯系、相互配合，最終可建設形成高度集成的智能生產線。

?5）飛機裝配生產線智能健康監測 ? ? ?

生產線健康監測管理是通過對設備運行狀態的監控、診斷、預測和維護來管理設備，以保證設備利用率能夠達到最大值。由于設備在裝配過程中隨著不斷地生產加工，其磨損和腐蝕程度也會隨著不斷遞增，若沒有采取相應的設備維護，則該設備有可能會進一步衰退甚至會發生故障。因此，對設備的預測在設備健康管理中占據重要的支撐地位，其主要內容包括預測設備的健康等級、剩余使用壽命以及需要維護的時間節點等，通過及時向企業生產人員以及管理者發出預防警告，從而在由于設備故障造成裝配線停機之前，盡可能將企業發生的損失降到最低，控制企業設備維護成本，提高生產效率。

利用各種傳感器和數據處理方法對自動化裝配設備的健康參數數據采集，實現對裝配設備健康參數的實時感知；通過對設備狀態、設備特征運行參數及設備運行指標等信息的分析，對采集到健康特征參數進行數據處理、數據規范，實現對故障參數化描述，由故障的參數化描述導出故障的風險度評價模型，對設備健康狀態進行求解，并對設備健康狀態進行定量化描述；對自動化裝配設備故障發生規律建立數學模型，將設備健康指數進行回歸擬合，建立設備健康指數評價公式，實現基于健康指數對設備健康狀態進行綜合評價，實現對自動化裝配設備的全生命周期管理，從而將傳統的事后維修轉變為事前維修，實時監控設備健康狀態，維護設備的安全性、可靠性，節約維修保障成本，保證生產線的產品質量與生產效率。

脈動式裝配生產線的

發展趨勢

脈動裝配生產線很好地繼承了汽車移動式生產線的思路，在飛機制造企業實現成功應用并取得了一系列成果經驗；因此，其他領域的軍工生產企業對脈動裝配生產線開始深入研究，在航空工業的多個領域擴展了脈動式裝配生產線的應用。主要有以下4個方面的發展：

（1）從飛機向其他產品發展。波音公司最先嘗試把脈動裝配線引入到軍工產品制造的其他領域。2008年波音為美國軍方新一代GPS制造衛星建成了脈動裝配線，盡管總共只承擔了12顆衛星的制造任務，而僅僅在第4顆星的制造才能用上脈動裝配線，但是波音還是在極小批量、極復雜的產品生產中，成功地運用了脈動裝配線。法國的斯奈克瑪（Snecma）公司改變了傳統的繼承GE在立式固定機架上“穿糖葫蘆”式的總裝過程，在2011年實現了CFM56發動機的脈動裝配，減少裝配周期35%，這條脈動裝配線也將用于LEAP發動機的裝配。巴布科克國際（Babcock International）在生產豺式巡邏車中采用了由12個站位組成的脈動生產線并配有脈動生產管理系統，達到日產1輛的水平。脈動裝配線在軍工制造領域的廣泛應用，徹底打破了航空和復雜軍工生產不能采用流水線生產的制約，為發展航空工業的生產力提供了無限的可能。

（2）從總裝向部件延伸。最近兩年關于飛機部件裝配采用脈動生產線的報道逐漸增多，并且有部件脈動式裝配生產線優先于總裝配線建設的趨勢。如在生產C-17運輸機的發動機懸架時，采用脈動式裝配生產線減少裝配周期20%，降低成本10%。波音787復合材料結構的水平尾翼和垂直尾翼的脈動生產線、空客A350的復合材料機身蒙皮壁板的脈動生產線也陸續投入使用。因為部件采用脈動裝配時受企業外部供應鏈影響較小、易于成功、見效快，也成為近來部件脈動裝配生產線發展較快的原因。

（3）從制造向維修延伸。2003年英國空軍和英國宇航BAE引入脈動線使“鷂”式飛機的修理和維護周轉時間減少到75%，節省成本的25%，顯著地提高了飛機的出勤率。2005年美國波音公司在進行KC-135運輸機的返廠維修中，使用脈動生產線將維修周期減少了18%，從而獲得了美國的精益優秀獎。德國漢莎航空于2010年建成CFM/V2500發動機的精益脈動線進行發動機的分解、檢修和重裝，大修周期從60多天減少到45天。另外英國在維修“阿帕奇”直升機中，也采用了脈動線。航空產品的修理和維護是手工作業最多、不確定性最嚴重的領域。在飛機和飛機發動機的修理和維護中采用脈動式裝配線是航空工業特有的創新。

（4）向自動化、集成化發展。最近10年航空制造技術，特別是基于MBD模型的數字制造技術有了突破性發展。MBD模型在產品全生命周期的貫徹，簡化了制造、測量和檢驗、數據采集的過程，更有利于智能化和自動化設備的利用?，F行的脈動裝配線的裝配過程仍然以手工為主。從汽車生產自動化移植到飛機制造的集成裝配線（IAL）是目前最先進的飛機制造技術。集成裝配線IAL實際上就是一種自動化、智能化的脈動裝配線。它最大化地使用機器人和自動化設備，為飛機生產提供更加強大的制造和裝配能力，實現用手工方法很難達到的嚴格質量要求，并提供了一個更有效率的裝配環境。集成裝配線包括自動化的裝配工裝系統、運輸系統和制造系統，對全部設備通過工廠的通訊系統進行集中的和無線的控制。IAL的核心是一組精確制導的自動引導車AGV，它將裝配的構件、工具和其他一切必要的準備從一個工作站移動到下一個。2012年4—10月，F-35的大部件分包商諾斯羅普·格魯門和BAE分別宣布了它們的集成裝配線開始運行，并開始交付在IAL生產的中機身和后機身部件。2013年F-35的水平尾翼和垂直尾翼的組裝也將在IAL上進行。IAL成為美國達到每天生產一架F-35的不可缺少的措施。

對脈動式裝配生產線發展的思考

脈動式裝配生產線是建立在精益制造、柔性制造、智能制造等現代先進制造理論和管理思想基礎上的，在飛機生產中采用脈動式裝配生產線是世界主流的發展趨勢，也是我國飛機制造技術發展必須經歷的階段。從理論上說，傳統的大規模生產過細分工的裝配線是不適合構型變化多端的飛機生產的，解決這一矛盾的主要方法是：采用精益制造原則和方法；將裝配作業均衡地分解到適當規模的不多的幾個站位上完成；采用柔性化和大規模定制生產方式和生產設備。

因此，采用脈動式裝配生產線會產生一種新的生產模式，如建立總裝按一定節拍拉動整個企業活動的新的生產秩序。整個企業在總裝配生產的拉動下，精準、高質量的協同工作；形成盡可能減少浪費、高效率、高增值比的工作過程，使飛機裝配周期大幅度縮短，成本得到有效控制；簡化整個企業的計劃管理和生產現場排序，使管理人員有更多的精力保證部門之間的協同和去處理例外問題；裝配作業采用標準化工作、自主的質量保證制度，比傳統總裝方式工人分工較細等，提高了整個企業各個環節的工作質量。

國內飛機制造企業建立和應用脈動式裝配生產線任重道遠，其應用環境和建線時必須注意的幾個問題：

（1）生產大綱明確。對前途不明朗和生產任務不確定的型號，不宜建立裝配線。波音717就出現對需求量預測不正確而下馬，總裝配線只運行了不到一年的時間。

（2）飛機的總產量與建立脈動式裝配生產線的周期和成本要平衡。建線需要周期，花費成本，裝配線剛建成飛機就停產了，顯然建線就沒有意義。波音的衛星脈動生產線僅僅用來建造12顆星，但是每顆星的建造周期長；P-8A海上預警機總產量也就100架左右，波音都為它們建立了移動裝配線。實際上，在確定建線之前都經過很長時間的論證和權衡，洛克希德·馬丁公司在2002年為能否采用脈動裝配進行了長達8個月的爭論。

（3）有精益制造的思想和技術。建立脈動式裝配生產線最大的問題是企業需要有較好的精益制造的基礎，企業領導班子有對精益思想理解和信仰。必須有應用各種精益方法的積累，如拉式計劃管理、均衡生產、單件流、價值流分析、標準化工作、JIT配送、精益的自主質量管理方式等。

（4）解決好脈動式裝配生產線設計的技術問題。脈動式裝配生產線的建設是一個復雜的制造系統設計的項目。從價值流分析、新系統設計、到部裝分支的建設以及配套的可視化和信息化等，是一個涉及整個企業的系統工程。需要預先規劃好，不要陸續的“補課”。

（5）注重飛機裝配線的全局性。脈動式裝配生產線不是總裝車間或分部自己的事，而是整個企業的生產管理和運作方式的變革。不能靠一個部門冷冷清清的建設，而是由整個企業的意志和協同精神所支撐。

（6）做好脈動總裝與脈動部裝的權衡。目前來看世界各國多數采用的是脈動式總裝線，他們都具備完善的全球供應鏈，可以很好地運行脈動總裝線；而國內的成品件、原材料等供應環節不夠完善。中國航空企業在介入脈動式裝配生產線時，不妨從相對容易實現的脈動部件裝配線入手。

編輯：黃飛

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