直升機(jī)制造企業(yè)基于產(chǎn)品聚類的關(guān)重件“數(shù)智化”工廠建設(shè)

倪冬，夏志剛，劉佳林

航空工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 江西景德鎮(zhèn) 333002

1 序言

1.1 建設(shè)背景

隨著一體化設(shè)計(jì)原則在直升機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的廣泛應(yīng)用，直升機(jī)零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、精度及性能要求均大幅度提升，特別是影響飛行安全的關(guān)鍵件、重要件（以下簡(jiǎn)稱“關(guān)重件”）產(chǎn)品，大都采用合金鋼、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工材料，對(duì)產(chǎn)品的加工提出了很高的要求。由于航空工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“昌飛公司”）歷史原因，部分相似產(chǎn)品在不同車間加工，存在產(chǎn)品類型重疊、工藝技術(shù)不統(tǒng)一、人員技能水平參差不齊，其質(zhì)量控制方法不一致，造成關(guān)重件產(chǎn)品抗疲勞性能分散性大，質(zhì)量波動(dòng)較大的問題；同時(shí)，仍然按傳統(tǒng)離散式生產(chǎn)組織方式，需依靠傳統(tǒng)人工排產(chǎn)和調(diào)度管控，存在制造資源利用不充分，生產(chǎn)準(zhǔn)備及物流周轉(zhuǎn)等待浪費(fèi)等問題，影響精益化管理，準(zhǔn)時(shí)“齊套率”不高，在很大程度上影響直升機(jī)整機(jī)的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)交付。

針對(duì)上述問題，本文以關(guān)重件產(chǎn)品為研究對(duì)象，秉承直升機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“核心能力做加法，一般能力做減法”戰(zhàn)略要求，實(shí)施生產(chǎn)制造流程的數(shù)字化再造、智能化應(yīng)用，夯實(shí)關(guān)重件產(chǎn)品的基礎(chǔ)工藝和關(guān)鍵技術(shù)，圍繞制造能力提升用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)賦能人機(jī)協(xié)同，建設(shè)流程型的節(jié)拍生產(chǎn)線，推動(dòng)生產(chǎn)制造方式從自動(dòng)化向數(shù)字化和智能化發(fā)展，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1.2 “數(shù)智化”工廠建設(shè)總體規(guī)劃

本文利用數(shù)字化技術(shù)和信息化手段，對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械加工車間進(jìn)行升級(jí)和改造，通過對(duì)關(guān)重件制造工廠業(yè)務(wù)場(chǎng)景梳理、整合、重構(gòu)和流程優(yōu)化，開展基于產(chǎn)品聚類的關(guān)重件“數(shù)智化”工廠建設(shè)，采取分類分簇方法開展產(chǎn)品聚類分析，優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)制造和檢驗(yàn)檢測(cè)數(shù)字化環(huán)境，用數(shù)字化先進(jìn)技術(shù)替代人工技能，選擇聚類的典型產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)柔性生產(chǎn)線的方法策略[1]，做到精細(xì)化管理，提升柔性生產(chǎn)和準(zhǔn)時(shí)交付能力，推進(jìn)昌飛公司制造模式向數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)換代，如圖1所示。

圖1 昌飛公司關(guān)重件“數(shù)智化”工廠建設(shè)

2 健全工藝設(shè)計(jì)體系

2.1 分類分簇直升機(jī)產(chǎn)品序列

本文針對(duì)直升機(jī)關(guān)重件具有的小批量、多品種典型特性，從結(jié)構(gòu)特征、材料特點(diǎn)、功能用途和制造工藝等方面開展產(chǎn)品特征信息提取、制造屬性定義、相似度分析及工藝簇劃分的基本方法研究，深入識(shí)別、發(fā)掘和分析制造工藝過程中有關(guān)要素的相似性，以零組件結(jié)構(gòu)相似性、材料相似性和工藝相似性為基礎(chǔ),開展直升機(jī)關(guān)重件的分類分簇，將產(chǎn)品按功能結(jié)構(gòu)、材料、形狀規(guī)格及制造工藝等相似性和規(guī)律性進(jìn)行分類，遵循結(jié)構(gòu)上相似、功能上接近、工藝上相通的基本要求形成若干產(chǎn)品簇，構(gòu)建具有某些共同屬性的產(chǎn)品集合或復(fù)合產(chǎn)品，如圖2所示。

圖2 直升機(jī)零組件相似性分析邏輯

2.2 結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)

在產(chǎn)品分類分簇的基礎(chǔ)上，深入、系統(tǒng)地開展具備數(shù)字驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化工藝設(shè)計(jì)方法研究、探索，結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)和工藝屬性，在工藝術(shù)語、加工策略、工藝參數(shù)和檢驗(yàn)檢測(cè)等工藝要素標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，按工藝“六化”原則，即成線工藝工序成組化、毛坯系列化、刀具規(guī)范化、裝夾通用化、編程模塊化及參數(shù)固定化，提煉、整合工藝設(shè)計(jì)的 “共同和重復(fù)使用的規(guī)則”，固化為典型序列產(chǎn)品制造工藝指南和典型工藝規(guī)程，并形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的公司級(jí)直升機(jī)典型簇類產(chǎn)品動(dòng)態(tài)工藝知識(shí)數(shù)據(jù)庫，使之具體規(guī)范地指導(dǎo)技術(shù)人員開展工藝設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造的工藝過程獲得最佳秩序和最優(yōu)方案，以縮短產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)時(shí)間，提高工藝設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和便捷性，如圖3所示。

圖3 基于知識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化工藝設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程

在標(biāo)準(zhǔn)化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用并覆蓋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、制造全生命周期，從工藝設(shè)計(jì)源頭將自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、定量化，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)管理原型，如圖4所示，其中工序流用于全過程排產(chǎn)、工序特性用于檢測(cè)特性觸發(fā)、功能區(qū)用于智能配送等，使工藝文件從讓人讀得懂轉(zhuǎn)變?yōu)樽屜到y(tǒng)、設(shè)備讀得懂，進(jìn)而有效打通設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與管理之間的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流，運(yùn)用數(shù)字化且結(jié)構(gòu)化的工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)制造。

圖4 結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)管理原型

3 基于分類分簇少人柔性生產(chǎn)線的構(gòu)建

3.1 生產(chǎn)線布局及規(guī)劃

在產(chǎn)品分類分簇及工藝標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開展生產(chǎn)線的布局規(guī)劃設(shè)計(jì)。按照原材料、毛坯形式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工裝刀具及設(shè)備等共性，梳理出生產(chǎn)線的上線產(chǎn)品，針對(duì)上線產(chǎn)品的工藝特性逐項(xiàng)分析、優(yōu)化聚合，確定生產(chǎn)線工藝流和需求設(shè)備類型，并通過對(duì)具體加工過程進(jìn)行工藝分離面分割、優(yōu)化及仿真，均衡各設(shè)備加工節(jié)拍，確定各零件單件加工時(shí)間，結(jié)合產(chǎn)能需求，得到設(shè)備總占機(jī)時(shí)間，從而計(jì)算出設(shè)備數(shù)量配置需求。根據(jù)上線產(chǎn)品工藝特性，按單件流、單向流、柔性單元三種生產(chǎn)線方式，按U線型、L型、直線型等布局方式，開展3P精益布局、物流、工位等仿真模擬分析，選擇按工藝流程將設(shè)備直線型布局的柔性生產(chǎn)線作為最優(yōu)的生產(chǎn)線模式[2]。

本文選取鋼鈦關(guān)鍵結(jié)構(gòu)接頭、發(fā)動(dòng)機(jī)支架生產(chǎn)線為研究對(duì)象，線內(nèi)兩條生產(chǎn)線多臺(tái)數(shù)控設(shè)備機(jī)床背靠背布置，一側(cè)機(jī)床旁布置工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器人移動(dòng)臺(tái)、氣動(dòng)助力臂以及線邊緩存庫等，兩排機(jī)床中間布置刀具庫、RFID設(shè)備、掃描槍、AGV、AGV接駁臺(tái)以及行走通道，共用立體倉儲(chǔ)庫；線外設(shè)置有一個(gè)檢驗(yàn)工位、兩個(gè)產(chǎn)品裝夾及基準(zhǔn)修配工位共3個(gè)人工操作臺(tái)，具體布局如圖5所示。

圖5 鋼鈦接頭、發(fā)動(dòng)機(jī)支架生產(chǎn)線布局

3.2 應(yīng)用生產(chǎn)線數(shù)字化技術(shù)

針對(duì)少人柔性生產(chǎn)線，本文開展少人工干預(yù)工藝技術(shù)識(shí)別及數(shù)字化升級(jí)對(duì)策研究，用技術(shù)手段來挖掘產(chǎn)品制造過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，從基準(zhǔn)制備、定位裝夾、刀具安裝更換和過程測(cè)控等方面開展“以機(jī)代人”數(shù)字化技術(shù)的研究和集成，突破了智能倉儲(chǔ)技術(shù)、智能物流技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、RFID技術(shù)、設(shè)備互聯(lián)技術(shù)及智能調(diào)度與生產(chǎn)技術(shù)等技術(shù)難點(diǎn)。研制關(guān)重件螺栓強(qiáng)化專機(jī)，實(shí)現(xiàn)批量關(guān)重件螺栓的自動(dòng)滾壓強(qiáng)化；用刀具壽命自動(dòng)管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)刀具壽命的自動(dòng)管理，保障生產(chǎn)線的不間斷加工；用零點(diǎn)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)零件的快速切換和精準(zhǔn)定位；用在機(jī)測(cè)量及自動(dòng)補(bǔ)償加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零件加工過程中的自動(dòng)檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)萚3]。

3.3 構(gòu)建少人柔性生產(chǎn)線

少人柔性生產(chǎn)線包括生產(chǎn)線設(shè)備、倉儲(chǔ)和物流系統(tǒng)、自動(dòng)上下料系統(tǒng)、精確定位及裝夾系統(tǒng)以及生產(chǎn)線管控系統(tǒng)。相較于傳統(tǒng)機(jī)械加工工廠的加工模式，柔性生產(chǎn)線生產(chǎn)過程重點(diǎn)要素的控制均實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一所有加工設(shè)備及自動(dòng)化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口、刀具接口及工裝接口，在把生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行整合集成的基礎(chǔ)上，通過生產(chǎn)線管控系統(tǒng)打通與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等系統(tǒng)的信息傳遞路線，生產(chǎn)線內(nèi)自動(dòng)排產(chǎn)和調(diào)度，統(tǒng)籌倉儲(chǔ)庫和物流自動(dòng)出庫刀具、夾具、工件等制造資源，并配送至生產(chǎn)線內(nèi)各站位，依次完成自動(dòng)上下料、自動(dòng)裝夾/換夾，自動(dòng)推送NC程序代碼，自動(dòng)加工和觸發(fā)加工后產(chǎn)品檢測(cè)等制造流程，如圖6所示[4]。

圖6 柔性生產(chǎn)線運(yùn)行邏輯

本文以鋼鈦關(guān)鍵結(jié)構(gòu)接頭及支座零件生產(chǎn)線為研究對(duì)象，通過倉儲(chǔ)庫、地軌和機(jī)械手構(gòu)建智能倉儲(chǔ)與物流系統(tǒng)和生產(chǎn)線內(nèi)站位自動(dòng)上下料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件存儲(chǔ)、自動(dòng)化配送和上下料；通過對(duì)數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的二次開發(fā)解決異構(gòu)設(shè)備間信息互聯(lián)互通；通過對(duì)產(chǎn)品工藝特征分析和自動(dòng)定位裝夾系統(tǒng)構(gòu)建解決工件自動(dòng)化加工；通過開發(fā)生產(chǎn)線內(nèi)智能管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各執(zhí)行終端協(xié)同生產(chǎn)，以數(shù)字化的手段對(duì)生產(chǎn)線的柔性加工能力進(jìn)行管控升級(jí)，從而整體提升直升機(jī)制造生產(chǎn)能力。

4 搭建高度集成的“數(shù)智化”工廠運(yùn)營管控系統(tǒng)

4.1 識(shí)別優(yōu)化業(yè)務(wù)規(guī)則，明確自動(dòng)排產(chǎn)邏輯

昌飛公司對(duì)構(gòu)建的“數(shù)智化”工廠柔性生產(chǎn)線及相關(guān)功能區(qū)/站業(yè)務(wù)進(jìn)行全面梳理識(shí)別需求并深入研究，通過功能區(qū)定義、作用、規(guī)則等細(xì)化拆解識(shí)別管理對(duì)象，梳理出產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)管理、質(zhì)量管理等業(yè)務(wù)場(chǎng)景，再將業(yè)務(wù)場(chǎng)景流程化、結(jié)構(gòu)化，形成制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）功能需求。

在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)“數(shù)智化”工廠業(yè)務(wù)核心自動(dòng)排產(chǎn)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行研究。自動(dòng)排產(chǎn)基本業(yè)務(wù)邏輯是依據(jù)年度任務(wù)開展能力平衡，在滿足交付節(jié)點(diǎn)要求下，各月生產(chǎn)資源利用相對(duì)平衡、設(shè)備利用率達(dá)到目標(biāo)要求，在此基礎(chǔ)上要形成四周滾動(dòng)排產(chǎn)計(jì)劃、三日滾動(dòng)執(zhí)行計(jì)劃。計(jì)劃員在MES系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃模塊接收公司主營生產(chǎn)計(jì)劃，參照經(jīng)濟(jì)批量、相同生產(chǎn)任務(wù)以及分簇原則或成組規(guī)則進(jìn)行擬合批，評(píng)估生產(chǎn)線各設(shè)備額定負(fù)荷，設(shè)置平衡參數(shù)，將任務(wù)與工藝、設(shè)備、班次、能力平衡周期等信息作為輸入條件，調(diào)用排產(chǎn)算法進(jìn)行能力平衡，輸出能力平衡結(jié)果包括任務(wù)清單、預(yù)警清單、材料和刀具需求清單等。在能力平衡基礎(chǔ)上，資源配置到位前提下，投產(chǎn)并選擇排產(chǎn)策略進(jìn)行四周任務(wù)排產(chǎn)，解決以各生產(chǎn)線設(shè)備利用率最高為基礎(chǔ)的備料、基準(zhǔn)制備資源協(xié)調(diào)、產(chǎn)品生產(chǎn)順序確定等問題。針對(duì)已有的料或者備料完成的生產(chǎn)任務(wù)直接下發(fā)到三日進(jìn)行排產(chǎn)，形成三日?qǐng)?zhí)行計(jì)劃，并輸出刀具和物料配送任務(wù)、生產(chǎn)執(zhí)行任務(wù)、質(zhì)量檢測(cè)任務(wù)等，如圖7所示。

圖7 “數(shù)智化”工廠自動(dòng)排產(chǎn)管理邏輯

4.2 開發(fā)具有數(shù)字化技術(shù)能力的質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)

以直升機(jī)關(guān)重件產(chǎn)品聚類為基礎(chǔ)，通過梳理典型結(jié)構(gòu)件檢測(cè)要素、檢測(cè)特征以及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法，構(gòu)建一套以在機(jī)測(cè)量為主的線上質(zhì)量檢測(cè)、以帶數(shù)據(jù)傳輸功能的量具和三坐標(biāo)測(cè)量為主的線下質(zhì)量檢測(cè)的產(chǎn)品質(zhì)量全過程的檢驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)，具備檢驗(yàn)業(yè)務(wù)管理以及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析等功能，并支持在機(jī)自動(dòng)檢測(cè)、首件檢驗(yàn)、常規(guī)抽檢及實(shí)時(shí)抽檢等功能，同時(shí)利用SPC工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵特性的制造過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控與及時(shí)改進(jìn)改善，形成基于全三維數(shù)字化檢測(cè)的智能質(zhì)量管控能力，滿足整個(gè)制造工廠對(duì)加工過程質(zhì)量管控與管理改善的需求，提升“數(shù)智化”工廠產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)能力和管理水平，如圖8所示。

圖8 質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

4.3 構(gòu)建智能制造執(zhí)行系統(tǒng)

為確保制造過程活動(dòng)可視和過程質(zhì)量可控，在業(yè)務(wù)場(chǎng)景流程化、結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)上，“以業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)”，采用中臺(tái)微服務(wù)架構(gòu)，自主開發(fā)研制滿足直升機(jī)制造特點(diǎn)的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），它包含有工藝、計(jì)劃、執(zhí)行、質(zhì)量管理、倉儲(chǔ)物流、人員、設(shè)備及綜合管理等多業(yè)務(wù)功能模塊，并打通MES系統(tǒng)與昌飛制造系統(tǒng)（CPS）等外圍系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路，具備信息自動(dòng)獲取、計(jì)劃自動(dòng)生成、任務(wù)自動(dòng)派發(fā)、資源自動(dòng)調(diào)配、質(zhì)控自動(dòng)觸發(fā)、異常自動(dòng)預(yù)警、數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、運(yùn)營自動(dòng)核算以及現(xiàn)場(chǎng)3D可視化呈現(xiàn)等功能，保障“數(shù)智化”工廠高質(zhì)高效、敏捷制造，如圖9所示[5]。

圖9 MES系統(tǒng)功能

5 結(jié)束語

航空產(chǎn)品關(guān)重件制造工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，有效地解決了傳統(tǒng)制造離散生產(chǎn)組織方式帶來加工周轉(zhuǎn)效率低、部分壽命件疲勞性能分散性大等問題，改變了傳統(tǒng)的直升機(jī)生產(chǎn)制造管理方式，數(shù)字化程度大幅提升，降低了對(duì)人工的依靠，提升了生產(chǎn)高效組織、資源優(yōu)化利用以及質(zhì)量管控能力，滿足精益和節(jié)拍生產(chǎn)要求。

建設(shè)思考如下。

1）制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)在具備相應(yīng)精益管理、信息化管理水平的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)發(fā)展實(shí)際情況分階段地進(jìn)行探索和實(shí)踐。

2）制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)面向產(chǎn)品，根本目的是提高效率、提升質(zhì)量，降低成本，而產(chǎn)品制造質(zhì)量穩(wěn)定性是基礎(chǔ)要求。

3）制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要在分解、優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務(wù)流程基礎(chǔ)上，不斷構(gòu)建、完善制造系統(tǒng)，其先進(jìn)程度是不斷迭代的過程。

4）制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的設(shè)計(jì)思路、內(nèi)在邏輯是核心，要善于打開黑盒以持續(xù)優(yōu)化，要培養(yǎng)與之適應(yīng)的人才隊(duì)伍以持續(xù)發(fā)展。