航天地面設備制造型企業柔性制造方式探討

姚小衛 喬迎軍 王海平 劉 飛 趙玉龍

現代管理

航天地面設備制造型企業柔性制造方式探討

姚小衛 喬迎軍 王海平 劉 飛 趙玉龍

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046000）

針對多品種、變批量、快節奏的航天地面設備產品制造，簡單闡述了柔性制造的基本原理、構成和國內外應用情況及效果。并介紹了柔性制造涉及的成組技術、零點定位技術、信息化技術等關鍵組成，根據需求探討了相關技術結合可行性。提出了基于柔性制造思想的航天地面設備產品制造的改善思路和實施模型。國內外多個企業應用實踐表明，柔性性制造技術對航空、航天類產品制造的綜合效益有明顯改進，能夠確保產品質量，提高生產效率，降低生產成本。

柔性制造；成組技術；零點定位；融合

1 引言

隨著以數字化、信息化、智能化制造為標志的新工業變革席卷全球，“德國工業4.0”、“美國工業互聯網”等一系列有關先進制造的政策與計劃應運而生。面對機遇和挑戰，中國提出了“中國制造2025”規劃和具體要點，涵蓋航空航天裝備領域，鼓勵優勢企業開展柔性化訂制生產，增品種、提品質、創品牌[1]。2016年，中國航天科技集團有限公司組織召開了航天先進制造技術國際研討會，進一步落實“制造強國”規劃，籌備“航天制造2025”、“智能制造”等專項活動[2]。

2 航天地面設備制造型企業面臨的問題

面對機遇和挑戰，航天地面設備制造企業也積極提出了應對措施。但隨著國家政策、總體市場環境的變化，航天地面設備制造型企業生產方式呈現出多品種、變批量、快節奏的典型特點，生產成本居高不下、質量穩定性不高、準時化交付壓力越來越大，具體表現為：a.研制能力強，批產能力弱，生產模式為研制、批產混線生產；b.根據產品功能、結構、工藝特點，設立對應的車間、工段，設備布局多采用機群式布局；c.短期內不能形成多品種快速批產能力，生產管理多采用延長工作時間、增加臨時外包方等方法滿足客戶需求；d.生產計劃頻繁調整，生產現場頻繁換產；e.生產準備調整時間長，設備常處于停機待產狀態，高價值的大型加工設備的利用率普遍低于行業平均水平；f.信息化建設不足、應用不充分，基于傳統的人工生產組織與管理不能適應快節奏的多品種變批量的生產模式；g.生產一線、建設人員、操作人員、生產輔助相關人員常年加班加點，勞動強度大，工作積極性不高。

另外，隨著國家軍民融合戰略、軍隊體制機制改革和創新驅動發展等國家戰略的逐步推進，軍事裝備領域更加開放，準入門檻不斷降低，國內優勢民營企業不斷參與傳統領域的市場競爭中。而民用行業體制、機制靈活、市場化運作能力強，尤其部分民用特種裝備類企業技術基礎好、制造能力強，使航天地面設備制造企業在外部合同履約能力、內部生產成本管控上，都面臨較大風險。面對現狀，企業急需探尋、改善制造方式，確保產品質量，提高生產效率，降低生產成本，準時交付。

3 柔性制造基本情況介紹

3.1 柔性制造的基本原理

柔性制造是適應市場個性化、多樣化的需求，提高企業市場競爭力的綜合性技術。柔性制造方式是在繼承和發展傳統制造技術的基礎上，同時綜合應用成組技術、精益生產（準時化、自動化）和計算機集成制造技術等先進技術構建的柔性制造系統。從生產現場布局劃分，柔性制造系統可分為柔性制造單元、柔性制造車間、柔性裝配線等等。

3.2 柔性制造應用情況

3.2.1 國外應用情況

上世紀八十年代末，為加快導彈的艙段及其它機加工件生產進度，美國休斯公司規劃和建成一套柔性制造系統。沃特宇航公司投資1000萬美元，完成一套柔性制造系統的建設，用以加工B21B飛機的精密零件。普·惠公司在用戶資金支持下，建成一套柔性生產線以加工噴氣發動機的葉片、渦輪盤等典型零件；美國通用公司也在同時期構建多個柔性制造系統用于飛機發動機零件的加工[3]。

為提高應對市場需求和響應市場變化的能力，英國發動機制造商羅爾斯·羅伊斯公司投資800萬英鎊用4～5a時間分批建成16套柔性制造系統，用以生產渦輪、葉片、大機閘等零件。英國宇航公司分期分批新建和改建復合材料構件、鈑金件的柔性生產單元、生產線，建成集成化、一體化的柔性生產體系[3]。

3.2 國內應用情況

20世紀90年代，隨著計算機技術日臻成熟，國內部分企業開始構建柔性制造系統，如某飛機零件加工的柔性制造系統，它由8臺臥式加工中心與檢測工作臺組成，可以加工600種不同的飛機零件（利用4個具有自動導向的運輸車完成零件的傳輸。兩個裝卸工作站采用托盤存儲與傳輸加工件）。

近年來，隨著科學技術、綜合國力的進步，國內民營企業也快速應用柔性制造技術。如針對個性化的批量定制生產的趨勢，徐工、三一、中聯重科，都建成了一批數字化柔性車間，使得整個制造過程更加柔性化，企業可以快速應對市場變化。

4 航天地面設備制造企業柔性制造應用探討

4.1 柔性制造涉及的關鍵技術

4.1.1 成組技術

成組技術是按照產品或事物的相似性，將性質、結構相似的劃為同類項合并處理，以優化和減少解決問題的方案，獲得經濟價值最大化，這種方法普遍應用于多品種、中小批量產品的制造過程中[4]。成組技術符合柔性制造原理：a.設備柔性：按零件加工特點被安排在不同類型成組加工單元中，機床加工的針對性強，換刀時間、組裝新夾具所需的時間和機床調整時間縮短；b.工藝柔性：成組加工體現了采用與加工某一零件組相對應的設備組加工零件的能力；c.流程柔性：按流程要求設置各類成組加工單元，屬于哪個流程就分配在成組加工單元中加工，提高設備加工的適應能力；d.批量柔性：成組后可以使零件組的生產批量加大，改變單件小批量生產的困境，有利于提高生產效率。

4.1.2 準時化技術、自動化技術

準時化技術、自動化技術源于豐田精益生產模式。精益生產是一種以最大限度減少企業生產所占用的資源和降低企業管理和運營成本為主要目標的生產方式和業績改進策略，同時又是一種改善的理念和文化[5]。

準時化技術涵蓋準時化生產（JIT）、快速切換（SWED）、看板管理、節拍時間（Tack-time）、一個流生產、均衡生產等；準時化生產的核心生產管理組織模式是拉動式生產，輔助目視化看板實現了“在必要的時間生產必要數量的必要產品”的目的，有效消除了生產過量的浪費。

自動化技術是用機器替代人工的相關技術，核心是“自動化缺陷控制”，通過三個主要的技術手段實現，即異常情況的自動化檢測、自動化停機、自動化報警。

4.1.2.1 快速切換（SWED）的核心技術——零點定位

為減少機械加工中夾具（如臺虎鉗、墊塊、壓塊等）更換的輔助時間，實現夾具（包括產品）與機床之間的快速切換、精準定位、可靠夾緊，逐步發展出零點定位技術。

某廠商的零點定位系統包括兩部分：零點定位系統（凹頭）和定位接頭（凸頭），零點定位系統通過大直徑高剛度的滾珠夾緊定位接頭，當給零點定位系統通入一定壓力的液壓（氣壓）時，滾珠向兩側散開，定位接頭可自由進出零點定位系統；當切斷壓力時滾珠向中心聚攏并鎖緊定位接頭。這兩部分之間的重復定位精度是0.002mm，同時提供5～30kN的夾緊力。零點定位系統結構示意見圖1。

圖1 零點定位系統示意

在產品加工前，只需將零點定位系統精確地安裝到機床的工作臺上，這樣零點定位系統中的每個定位系統的位置相對機床來說都是確定的，然后在零點定位系統自帶的基準板上裝配夾具及工件。在編制加工程序時可以將任何一個零點定位系統作為基準點，這就是“零點”，這些“零點”不會因為更換工裝夾具或者更換工件而改變。零點定位系統應用示意見圖2。

圖2 零點定位系統應用示意

4.1.3 數字化制造

數字化制造是以計算機網絡、數據庫、多媒體等基本技術為基礎，實現了傳統制造技術與數字化技術的結合。數字化制造可以根據產品需求，快速匹配資源，進行物料、技術、設備等分析、仿真和生產計劃構建，以及產品快速制造的過程控制[6]。數字化制造的核心為設計、控制、管理三個過程的數字化。其中，生產現場主要措施為制造設備數控化、技術文件電子化、現場管理可視化。

信息化是應用先進的計算機網絡技術去整合企業現有的生產、經營、設計、制造、管理等業務，及時地為企業的“三層決策”系統（戰術層、戰略層、決策層）提供準確而有效的信息，以便對需求做出迅速的反應，其本質是加強企業的“核心競爭力”。企業在生產當中廣泛運用信息技術，實現生產自動化。

4.2 航天地面設備制造企業柔性制造應用模型

為適應多品種、變批量、快節奏的生產特點，航天地面設備制造企業有必要進行柔性制造模式的改造。結合以上論述，具體改進思路為：a.對現有的產品、專業技術進行系統梳理，建立面向產品或面向專業的產品族或專業族；b.根據產品生產特點確定選取生產特征；c.應用成組技術論證、設計生產布局方式、產線配置、設備型號；d.按數字制造技術對現有的設備進行升級換代，實現加工、檢測、裝配、試驗自動化； e.根據產品情況設計通用化、組合化的工藝裝置，并應用零點定位技術，實現品種間快速切換；f.應用豐田精益生產準時化技術（如看板管理、拉式生產），實現現場管理的準時生產；g.應用豐田精益生產自動化技術，提升產品品質；h.圍繞生產現場、計劃管理，配置必須的信息化管理軟件（ERP、MES），實現信息集成管理。航天地面設備制造企業柔性制造技術應用模型見圖3。

圖3 航天地面設備制造企業柔性制造應用模型

另外，在柔性制造方式的基礎上，引進自動化的物流設施、機械人、機械臂等相關輔助裝置，通過仿真分析、專家系統建設和大數據平臺應用，使輔助裝置、加工設備具備一定的智能決策能力。因此，柔性制造是智能制造的基礎之一。

5 柔性制造應用效果舉例

隨著全球化市場的形成和發展，國內外都越來越重視柔性制造的發展。制造柔性化已成為機械自動化發展的重要方向。實踐證明, 制造柔性化的效益是非常明顯的。如羅·羅公司發動機針對A320發動機及CFM56發動機的盤軸葉片零件，開發了一個柔性生產單元，使渦輪盤的單件時間從5～6個月縮短為2個月，將來可進一步縮短到1個月，使原需36臺機床才能達到的能力，現僅用16臺機床，配置每班10人（原配置36人）就能達到。國內某飛機制造廠某制造單元通過柔性化改造，形成了多品種小批量柔性加工線，使單件產品效率平均提升40%，操作人員從12人減少到3人。

6 結束語

柔性制造是適應市場個性化、多樣化的需求，提高企業核心競爭力的重要手段。面對市場需求和挑戰，航天地面設備制造企業應結合產品特點，借鑒柔性制造思想，加快精益生產理念與傳統制造技術的深度融合，升級數字化技術、信息化技術,構建傳統制造產業的自動化、數字化、智能化為著力點,實現企業高質量、高效率、高效益發展。

1 楊箴立. 對工匠精神的思考[J]. 人力資源開發，2018(8)：30

2 毛凌野. 2018年航天先進制造技術國際研討會成功召開[J]. 衛星應用，2018(11)：72～73

3 曹運紅. 柔性制造系統、柔性制造單元和成組技術的發展及其應用[J].飛航導彈，2004(5)：62～63

4 師智斌. 成組技術在飛航產品生產中的應用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012

5 林德輝. 中聯重科實施精益生產的研究[D]. 長沙：中南大學，2012

6 韓陽，張博林. 數字化制造技術在航空復雜零件加工中的應用[C]. 2019航空裝備服務保障與維修技術論壇暨中國航空工業技術裝備工程協會年會論文集，2019(12)：623

Discussion on Flexible Manufacturing Mode of Aerospace Ground Equipment Manufacturing Enterprises

Yao Xiaowei Qiao Yingjun Wang Haiping Liu Fei Zhao Yulong

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046000)

In order to meet the needs of multi-variety, variable batch and fast-paced manufacturing of aerospace ground equipment products, based on understanding the basic principles, conposition, domestic and foreign applications and effects of flexible manufacturing, the key technologies involved in flexible manufacturing, such as the group technology, zero-point positioning technology and information technology etc., are discussed. After the feasibility of simultaneously applying the above-mentioned technologies is discussed in combination with requirements, the improvement ideas and implementation models of aerospace ground equipment product manufacturing are proposed from the concept of flexible manufacturing ideas. The application practices of many domestic and foreign enterprises have shown that flexible manufacturing technology has significantly improved the conprehensive benefits of aviation and aerospace product manufacturing, can ensure product quality, increase production efficiency and reduce production costs.

flexiblemanufacturing；group technology；zero pointpositioning；combination

TH186

C

姚小衛（1982），高級工程師，機械制造設計及自動化專業；研究方向：航天地面設備制造技術、工藝管理。

2021-03-26