對飛機工裝制造效率提升的研究

林明路 徐騰飛 付仕

摘? 要：通過對用于飛機裝配的工程裝備（簡稱工裝）制造方面進行分析，在工裝設計與返修、工裝工藝設計與采購、工裝生產與外協、工裝的物理信息全覆蓋、系統融合這五大部分中，針對工裝制造效率低下問題，提出提升效率的方法與展望。

關鍵詞：飛機工裝;工裝設計;工裝生產;工裝工藝設計

中圖分類號：V262.4? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0079-03

Abstract： Based on the analysis of the manufacturing of engineering equipment for aircraft assembly， the methods and prospects of improving efficiency are put forward， aiming at the low efficiency of engineering equipment manufacturing in terms of five parts of engineering equipment design and repair， engineering equipment processing design and procurement， engineering equipment production and outsourcing， full coverage of physical information of engineering equipment， and system integration.

Keywords： aircraft engineering equipment; engineering equipment design; engineering equipment manufacturing; engineering equipment processing design

現有國內的飛機制造廠商，大多存在同時進行某一型號飛機規模批產、某一型號試驗生產、某一機型研制生產的現象[1]。由于飛機的機型多，在獲取型號合格和試航審定所需要的數據與證據的前提是：用于飛機以研制和試驗機型為主要任務的工裝生產要保質、保量。當然，工裝的生產不僅僅包含研制和試驗機型，也包含已經使用工裝的改進升級、功能優化、損壞維修等[2]。飛機的機型多，相應的，飛機生產的周期就長，生產成本就高，用于輔助飛機制造的工裝的數量就多、型號就復雜。但限于有限資源，工裝生產壓力巨大。因此，有必要對影響現有工裝制造狀況的情景進行綜合描述與分析，并且提出具有指導意義的提升工裝制造效率的策略。在深入調研了國內幾家飛機制造廠，梳理出影響飛機工裝制造效率的幾大主要因素：工裝設計與返修、工裝工藝設計與采購、工裝生產與外協、工裝的物理信息全覆蓋、系統融合。

1 工裝設計與返修

現有的技術條件，工裝的設計在國內仍以串行模式為主[3]。設計得到的工裝指令來源于三個途徑，第一是研發本體的數模或者坐標，附帶有技術要求;第二是現場實際操作中，需要某種輔助類的工裝;第三是裝配過程中，飛機本體的實際誤差導致工裝重制或者返修。為提高工裝設計與返修的生產效率，可選取以下多種策略。

首先，柔性思維，鼓勵設計人員進行柔性創新思維。工裝的剛性結構的改進，比如裝配型架類的剛性結構，升版為可調節的、帶活動定位的柔性結構。研發探索框架結構的整體固化成型技術，減少標準工裝和輔助工裝的數量。其次，集成式思維，工裝的集成式和模塊化的設計，可以為生產并行與維修更換節省時間，實現工裝快修，提高效率。然后，設計方向的專業化，同類型的設計任務由專員進行，按照：裝配工裝、標工、檢測工裝、地面設備、模具模胎五大類分工，設置合理工時。同樣，是零件庫、工具庫模塊的建設，這能提高快速設計能力與工裝的簡易化設計水平。產品設計輔助系統通過機械設計、仿真模擬、電氣設計等輔助軟件，改善設計人員在產品設計過程中的工作效率，減少設計與制造的成本，主要體現在數字化協調和管理的框架中。甚至，計算機的更新換代、采用多屏顯示器，通過提高計算機處理能力也能提高工裝設計效率。

另外，工裝的制造車間與使用廠房通常是異地，國內處理工裝的返修或者報廢處理，仍是需要專門在現場與使用廠房進行協調的人員[4]。過去，是“推送過程”：由計劃科室調度或者現場主管轉交需求，結果工裝生產周期長、問題交接不清。而新興的“聯絡員”崗位，是“拉式過程”：安排對于現場缺少的保護工裝、輔助工裝要有足夠的能力識別并且轉化為可操作的需求的人來擔任，進一步縮短工裝返修或者報廢處理的周期。

2 工裝工藝設計與采購

工裝設計階段完成，過去，打印出設計圖紙和3D數模[5]，現場施工人員需要圖紙作為主要依據，時代越來越強調無紙化，目前在移動終端實現三維數模的預覽，包括原材料、技術指標、工作節點、責任流程等，大幅度提高現場對于工裝的理解程度，提高現場施工的工作效率。在工裝圖紙與工裝生產中，起到把關工裝設計的可行性與瑕疵性，起到合理分配工時與安排工序的就是工藝設計階段的主要任務。工藝知識領先，大量的工藝基礎知識儲備，對于形成標準化工藝，智能化建立標準工藝具有舉足輕重的意義。在工藝設計階段，主要存在新制、復制和返修工裝三大類。工藝編制階段，以往存檔僅是針對圖紙，現在對以下內容均進行云存檔：設計圖紙與三維數模;標準件、品牌件，甚至原材料的采購單;工藝路線的編制;數控加工編程程序，以及以上相關設計人員、操作人員、計劃人員和節點安排的全生命周期電子存儲。而基于模型的協同平臺，則是將系統的表達由“文檔為中心”轉變為“模型為中心”，建模要基于統一的語言，從設計模型、制造、檢測、返修幾個方面，全面支持系統需求、設計、分析、檢驗等活動，貫穿工裝的全生命周期。

編制工藝文件需要構建工序檢查和云存儲系統，以便于復制、返修工裝的工藝能實現快速編制與下發[6]。編制的材料清單需要云存儲，以便于快速下單，基于大量的電子文檔下的專家系統，可運用神經網絡與深度學習的算法，智能搜索并推薦合理的材料采購方案。當然，與不同的供應商建立合理的采購系統，會提高信息溝通效率。另外，采購仍是限制現場加工進度安排的一個重要因素，打破采購、物流、生產制造商三者的“信息孤島”是采用三方平臺與云計算系統后，從設計階段就產生自動預定的庫房材料，有效縮短產品制造周期。

3 工裝生產與外協

零部件制造工藝復雜，零件材料涉及有色、黑色金屬以及復合材料，零件結構異型多樣，高精度復合加工設備要求高，切削性能差，工藝過程涉及許多工種、工位高度交叉[7]。新型號任務多、批次及三包工作量不均衡，對于生產工序、人員依賴性強，目前國內外智能制造研究的主要方向是在線采集及狀態傳感器技術。通過信息系統及傳感技術，零件全過程加工要實現融合分析，優化產品制造工藝，改進運營模式。圖像識別技術，將CATIA的三維數模與二維圖紙進行模糊識別與機器學習算法計算，經過大量的學習，實現工藝優化，自動生成工藝流程。防錯系統體系的建立：實現程序糾錯、原材料糾錯、上料糾錯、設備程序使用糾錯等防錯體系，生產數據不丟失，不能隨意被篡改。

過去，用以傳統機械加工的車床、機床占廠房空間巨大，因此必須合理的設備規劃減少每次的調運距離，提高運轉效率[8]。在“去地基化”的追求中，工藝與設計的融合，配合現場基礎機床加工與轉運，實現小型工裝的小批量、多型號生產，在多臺AGV小車的基礎上，配合機器人手臂，實現雙三軸驅動配合，這種“螞蟻啃骨頭”能靈活、高效、智能的對工裝實現打孔、焊接、切割、磨拋的任務，解決特征復雜多序加工的部位，將大大減少裝夾次數，實現精密加工。

大型架構的工裝，傳統機械加工需要多次切割、多次焊接、多次測量，采用多機加機器人移動加工，能夠實現加工誤差補償，自主尋位，實現加工前測量確定尺寸狀態，加工后測量實現質量評估。從數控機床到復合機床，再到智能加工現場，工裝生產的去人工、去搬運、去工序能力越來越強。智能化的自動識別加工特征、自動防止刀具與工件干涉、機床診斷、在線監測與機床監測、在線測量。而骨骼機器人的使用，使材料搬運不局限于行車吊運，也適用于短距跨廠房搬運。針對復雜曲面、異性工裝，采用增量制造方法，如3D打印。

零件的管理工作，比如對現場加工的6S管理，避免出現加工零件的混亂、損壞、丟失現象，尤其是工裝上，堅決杜絕“多余物”，因此零件庫的高精準借出與歸還系統十分重要。工裝數控操作人員的技能和安全素養提升，適時進行技能大賽和安全生產競賽。工藝員的編程、統籌與技術能力也是影響數控加工和工裝生產流程的重要因素，流程的缺失會造成現場操作的混亂，編程的失誤會造成工裝的報廢，帶有工藝規劃的編程系統，無疑提高工藝的編制效率。

機械加工的維護與系統升級，檢測機械的加工精度，不定期與定期相結合的機械保養，對于延長機加設備的壽命，減少因為機加設備的故障而產生的停工，影響加工節奏。

部分零部件或者工序的外包，開發的一體化平臺，合作伙伴的產品設計參與，框架協議的簽署，縮短了工裝的制造周期。針對眾多合作伙伴、供應商，建立多渠道、多維度的評價機制，對于提高工裝的質量也越發重要。

4 工裝的物理信息全覆蓋

工裝標牌或者標志由過去的大量文字信息，發展為條形碼與二維碼的使用[9]。通過掃描工裝二維碼，可以直接反饋工裝的設計要求，基準點，工裝的制造者，工裝的生命周期與定期檢測周期，以及返修時間、次數、位置等。工裝的場景信息反饋更加高效，在掃描完工裝的信息后，根據不同權限，即可報告工裝的維修或者返修要求，并且監督進度。而帶有執行器與傳感器的工裝可實現工裝的智慧化。VR場景化的物資查找定位，數字化的提醒使用位置與功能。

5 系統融合

目前，大多數飛機制造公司，仍然是存在至少上百個獨立的、或者完全不同的系統，在工裝的實現過程中，系統會在一定條件下連接，但是在語義不同的情況下，有部分企業盡管實現了多種系統的融合，但無法實現對數據的完全整合[10]。在信息流通過程中，就會出現遺漏、錯誤，并且消耗大量毫無意義的時間。在實現更多系統融合的云存儲，實現一個系統解決所有問題是未來的趨勢。

企業經營層在ERP系統融合MES系統，綜合設備基本信息、物料庫存信息、生產計劃與生產指令，結合工藝設計完成車間的生產計劃、采購庫存、成本核算、產品銷售、決策分析等管理工作;制造執行層基于工廠模型、生產模型及事件模型，完成數字化車間的作業計劃、調度分析、生產過程追蹤、質量監控、設備管理、自動預警與控制、能耗控制等執行類工作;過程控制層對生產中的物流、產品質量、人員監控、物料監控、環境監控、工藝參數等進行收集和分析，形成集成化的數據管理;智能設備層由物流AGV配送系統、智能機器人系統、物流中心自動化立體倉庫等多種關鍵智能系統及設備構成。

產品設計及相關的文檔將在企業設計、工藝、生產、銷售、產品維護的全過程被引用，數據引用與融合，人員之間、部門之間協同工作。設計部門、工藝、制造、檢驗、質量部門產生的產品研制數據，包括工裝數據、三維模型、二維圖樣、工藝數據、標準規范、設計數據等，需要共享，實現云存儲。尤其是出現設計更改，相關底層設計師要能知道上層設計的具體設計要求以及更改的具體數據，變更查看的實時性，并且要帶有響應，而且要保存這種更改的數據。建立車間現場設備互聯互通網絡，自動采集質量數據和生產過程數據，實現現場透明可控。

數字化車間項目總體規劃出發，包括設計模式、生產模式、業務流程、設施與物流、物料編碼規范、IT總體規劃等方面規劃、集成與業務重組，也涉及生產線的建設、設備采購與安裝、基礎設施建設、硬件采購安裝、多系統集成。總體規劃必須考慮航空制造的特點與精益生產相結合，構建工廠信息模型和工藝仿真技術，優化和重構生產工藝流程。集成數控機床、原點定位系統、柔性夾具、虛擬模擬裝配場景、精密探測、機器人等，信息化設備的自我學習能力，基于數字孿生的多源自動化設備、機器人自動尋位等協同控制，實現零件的下料、粗精加工、檢測、修偏等應用。移動對接平臺，集成IGPS導航系統、多維傳感器、多套數控定位器、移動機械臂的AGV等，實現姿態自動調節，實現誤差檢測與補償。

6 結束語

現在，國內飛機制造企業在不同程度上，由“硬性制造”轉向“柔性制造”，進而升級為“智能制造”。在工裝制造過程中，互聯網的基礎作用更加明顯，“跨尺度、可移動、多工況”的思維趨向明顯，在工裝設計與返修、工裝工藝設計與采購、工裝生產與外協、工裝的物理信息全覆蓋、系統融合這五大板塊，對于復雜工裝的機械加工處理能力要求更高，去地基化更加明顯，廠房將不再是限制加工生產工裝的障礙;智能系統處理能力，通過大量的原始資料的積累，利用近些年興起的圖像處理與機器學習等人工智能方式，提高工藝、編程能力，降低勞動強度;提高或者優化不同機器、軟件、系統的語言通用性，提高工裝電子數據及其相關性全生命過程的完整性，集智慧機床、智能機器人、大數據物流信息、人員管理系統等多系統融合能力，支持高效率、低成本的實現對工裝研制、批產的支持。

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