脈動式柔性生產線在載運車裝配中的應用研究

鄢 泳，成翊琳，羅子相，王蓉芳

(1.中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089；2.中國兵器工業集團江山重工研究院有限公司，湖北 襄陽 441000；3.湘潭大學 材料科學與工程學院，湖南 湘潭 411100)

自福特汽車提出脈動式裝配生產線概念后，由美國波音飛機公司以精益制造原則創造的一種先進裝配生產線，其特點是可設定脈沖節點，生產線以節點進行各類工作，如果生產過程出現問題就能及時把出問題的工位移至預留工位，可以有效提升裝配效率，降低工人勞動強度。目前，我國積極引進脈動式裝配生產線，中航工業西飛自2010年耗時5年建成了國內首條飛機總裝脈動式生產線。同時，針對不同的飛機種類，西飛也建設了不同種類脈動式裝配生產線[1-3]。

得益于脈動式裝配生產線的快速、低成本、高質量的制造效果，國內各領域均開始引入該裝配生產模式，如安春雷等[4]以高鐵裝配生產線智能化轉型為目的，從基礎數據管理、生產計劃管理、裝配現場管理3個方面，介紹了高鐵脈動自動化生產線配套的生產信息系統。李國慶等[5]以特種車的裝配特點及需求入手，分析與飛機脈動式裝配線的異同，提出了特種車的脈動式生產線裝配模式。

本文以載運車的項目建設需求為前提，結合廠房現有條件，設計、制造、安裝、調試一條能裝配3種典型產品(A車、B車和C車)并預留工位用于產品線升級的脈動式柔性總裝生產線。

1 載運車總裝現狀

目前，載運車總裝采用典型的“單工位、固定式”生產方式，物料轉運和裝配過程數據依靠手工記錄，為推動式生產，存在如下問題[6]：1)現有工藝基礎數據不夠支撐產能分析與科學排產，導致制造資源未合理分配，造成大量在制品堆積，生產資金占用量大；2)采用單工位固定式，不同車輛由不同人員裝配，生產質量由操作工人的技術熟練程度決定，裝配調試過程時間較長且質量一致性較差；3)物料路徑混亂無規劃，配送無固定的路線與時間節拍，且裝配無計劃統籌，易造成裝配過程出現漏裝、錯裝，追溯困難，浪費大量人力與物力。

2 脈動式柔性總裝線方案

對現有裝配工藝進行優化，結合部分自動化設備、工裝、檢測設備，同時增加過程控制、質量管理等信息化手段，提高裝配質量和效率，降低人工作業勞動強度，實現工位制、脈動式柔性化生產作業。該生產線主要由1條總裝線、1條部裝線、1套信息化控制系統及相關輔助設施組成，完成3種產品的部裝、總裝以及過程控制。裝配對象見表1。

表1 3種典型車參數

總裝線設備基礎是保證設備穩定運行的關鍵，考慮到總裝線設備基礎深于廠房柱基，要留出施工安全距離，避免擾動主體結構。部裝線的半龍門吊考慮廠房既有條件，利用原有吊車梁，復核其結構參數，避免出現吊車安裝尺寸不吻合或運行不平穩的情況。

3 生產線布局

3.1 方案設計

1)裝配線布置面積：長225 m×寬27 m；生產線采用U型布局(需要上總裝的部件，進、出口并列，保證物料配送、裝配、總裝上線互不影響)或一字型布局(部件之間需要拼裝的零部件)，共劃分7個作業工位，單位長度和工位間隔保證人員作業便利，物料配送便捷，部件周轉方便。

2)車間整體布局按照總裝與部裝分離、自東向西一個流的原則，設置總裝線、部裝線、物流通道、物料緩存區等，保證總裝裝配、部裝裝配、物料配送互不影響。

3)生產線上設置3條通道：北側一條為部裝線小件物流通道；中間為總裝線和部裝線物料配送公用通道，此通道同時作為總裝線異常處理通道，裝配車輛出現異常時可快速離線至異常處理區處理。南側為參觀通道，與裝配作業區分離，不影響生產線正常生產作業，具體裝配線示意圖如圖1所示。

圖1 裝配線布局圖

3.2 生產線特點

1)部裝下線緩存工位與總裝上線裝配工位遵循就近原則布置，保證上線快速、便捷。產線上設置相應的物料緩存位、配送位，保證生產連續進行，物料配送流程簡單、方便。

2)總裝線的輸送裝置為地板鏈，地板鏈的結構強度能夠滿足總裝車體對中上線和靠北側上線2種方式?？梢罁囕v裝配需求，自行選擇總裝上線方式，地板鏈可滿足3種典型產品的承重和輸送需求。板鏈允許車體上線任意位置停放。

3)總裝線的安全防護，在末端工位設置檢測開關，檢測末端工位車輛是否下線，保證輸送安全；總裝線每個工位設置一個急停裝置，具備緊急停線功能。

4)利用預留工位以及車體在地板鏈上位置可變化調整，通過調整工位間距來增加作業工位數量；滿足未來產品變化、產能提升需求，保證產線擴展性。

5)每個工位按照裝配工藝進行標準化作業，配備了相應的裝配工裝、智能化裝配工具、數字化檢測手段，有效提升了裝配質量，減輕了勞動強度，實現了信息可追溯。

6)生產線允許臨時上下線，滿足異常情況日常處理以及多品種載運車的混線生產。

4 生產線信息系統

4.1 總體目標

根據廠區已有的信息化條件，生產線以總裝月度計劃為輸入，車輛裝配下線(含聯試聯調)為截止的范圍內進行總裝信息化系統建設，主要業務包括生產、質檢、物料配送、關重件綁定、現場工藝(仿真)、電子合格證等內容，同時，把車輛的裝配過程記錄到車輛的檔案系統，用于長期存儲。

4.2 系統軟件架構

軟件系統結構體系是按照系統設計目標與要求，采用多層矩陣結構體系(見圖2)。該結構從系統處理功能橫向分類為3層結構，即：門戶表示層、中間應用層、數據處理層。其中，門戶表示層按照應用縱向分類為工作層、管理層和決策層[7-8]。

圖2 多層矩陣結構體系

1)門戶表示層是指在系統網絡環境下，把各種應用系統、數據資源和可視化資源統一集成到通用組件之下。

2)中間應用層是系統由一組軟件及體系框架組成，有助于快速構建客戶化的應用系統，并保證該系統的可擴展性、易修改性、互聯性及系統平臺的獨立性，它包含J2EE、最小業務數據單元組件、業務商業模型處理組件，以及集成服務引擎、內容服務引擎、規則服務引擎和工作流引擎。

3)數據處理層是以數據庫技術為核心的數據存取、備份、處理層。

4.3 業務功能

4.3.1 計劃管理

計劃管理人員通過信息化控制系統分解總裝計劃，并將作業計劃、配送計劃等分配相應崗位系統控制終端；相關計劃可結合作業實際情況進行調整、變更，也可按時間、產品等不同關鍵要素進行計劃鎖定[9-10]。

1)通過總裝MES接受其他系統下發的月度總裝計劃。

2)計劃人員確認日計劃之后，下發到車間；日計劃下發之后，鎖定對應物料的庫存，車間管理人員依據下發的日計劃安排生產。車間管理人員可以對下發的生產計劃進行調整。

3)通過甘特圖的形式，直觀有效地展示生產計劃；同時計劃展示在生產日歷上，直觀有效地展示生產計劃。

4.3.2 作業過程管理

信息化控制系統滿足派工、配送、領工、報工、檢驗等操作，滿足作業人員、零部件、作業狀態等信息管理功能，并可按發包方實際使用需求定制各類報表，便于信息統計、查詢、分析，具體崗位職責和使用需求包括線邊保障、裝配、檢驗、生產管理及質量管理。

1)線邊保障包括物料的配送，以及工裝、工具的配送等相關問題；主線計劃和部裝計劃下發時，創建配送計劃；配送計劃為一車一工位一張單據。由倉庫或者物流人員確認配送計劃，如果由于某種原因導致物料不足等，應提前發出預警。依據生產計劃，部分物料/工裝/工具通過AGV配送，部分人工配送。

2)通過電子看板了解計劃下達情況、工裝輔具及部件配送信息等；通過信息化控制系統終端領工；通過產品數據管理或三維工藝過程管理系統查詢裝配內容、裝配關系、電子式作業指導書；按指導書完成作業后使用信息化控制系統終端報工；系統按檢驗設置情況自動提請檢驗。

a.主線上線計劃：在車間第1個工位的大屏顯示主線的上線計劃，工人根據主線上線計劃安排車輛進入主線進行裝配；b.部裝上線計劃：在每個部裝的工位大屏上顯示部裝上線計劃和部裝計劃的執行情況，工人根據部裝上線計劃進行部裝裝配作業；c.生產開工：主要工位長負責制，記錄每臺車輛對應到相關生產工位開始的時間，也可以通過系統設置，系統自動識別出車輛即表示開始裝配；d.生產完工：主要是工位長負責，記錄每臺車輛完成工作的時間，操作步驟同開工，也可通過系統設置，系統自動識別出車輛離開即表示開始完工，如果裝配沒有完成，則需要工位長在工位工控機上標識為未完成；e.現場報警：通過配置的報警觸摸屏或者登錄工控機進行報警。

3)通過電子看板或信息化控制系統終端顯示的報工提檢信息開展檢驗作業，結束后在信息化控制系統終端錄入檢驗、檢測數據，合格的自動生成電子式合格證并計入下一道工序預備，不合格的系統自動將信息推送至質量管理平臺執行審理、報廢等相應程序。質量管理主要記錄、跟蹤和分析產品及過程質量數據，用以控制產品質量，確定生產中需要注意的問題。

4)通過生產調度中心看板或終端機可實時對計劃下達情況、配送到位情況、作業進展、質量信息等內容進行全過程跟蹤、查閱；通過高清數字視頻監控實時監控作業人員狀態，及時發現工作異常，制止違章作業。

5)可實時采集并查閱當前裝配質量信息、檢驗或檢測數據等質量相關信息；通過數據交互，在質量管理平臺可對質量信息進行綜合分析，實現作業全過程質量控制。

4.3.3 聯試聯調

在生產線進行部件裝配、總裝以及裝配完成后，能對裝配過程和裝配完成后的聯試聯調進行信息化管理，對裝配過程中相關信息進行采集和記錄，聯試聯調過程中進行相關數據采集、問題記錄匯總分析，最終提煉轉化形成總裝線知識庫。

1)數據采集：通過部署設備采集系統，從PLC、智能儀表等讀取設備狀態(運、停、故障、功率能耗等)數據，通過集成接口實時傳輸至MES系統，以供查詢。數據采集涉及到硬件設備，需要對應的硬件廠商提供技術支持，開放相應的接口或者權限。

2)車輛檔案：對每輛車建立完整的檔案記錄(見圖3)。真實記錄車間的生產過程，通過直觀的方式重現車間的生產過程。車輛檔案的范圍僅涵蓋總裝車間作業的裝配過程，從總裝上線開始到總裝下線為止范圍內的工位過點時間、關重件綁定、質檢等信息。

圖3 底盤生產檔案

4.3.4 總裝裝配過程仿真

通過“產品數字化裝配與工藝仿真系統”軟件來進行裝配過程仿真，從而實現基于三維模型的3個產品的生產線作業全過程仿真(其中產品的部分三維模型利用發包方已有模型)；按工序、工步設置完成3個產品電子式作業指導書編制；實現當前工位裝配過程仿真演示。

1)裝配過程仿真及發布：從工藝系統導出裝配仿真動畫，上傳到總裝MES系統。

2)車間大屏動態展示：系統在總裝主線和部裝工位，識別出車輛或者部裝件信息后，在對應的工位大屏上自動播放仿真動畫等。

5 結語

本文以現有總裝工房條件為前提，設計了一種可實施的脈動式柔性總裝生產線，該生產線主要由1條總裝線、1條部裝線、1套信息化控制系統及相關輔助設施組成，完成了產品的部裝、總裝以及過程控制，實現了裝配作業標準化、物流運輸自動化、生產過程管理信息化。生產線在保證3種典型產品的正常生產前提條件下，通過預留工位與地板鏈使產品線具有一定的擴展性，增加了生產線的經濟效益性。同時以MES系統為核心，通過面板顯示等系統，使生產線具備智慧性。以“產品數字化裝配與工藝仿真系統”進行裝配過程仿真，使3個產品的生產線作業全過程仿真；為脈動式柔性生產線在載運車的應用方面提供全新的思路與發展方向。