空客A220飛機艙門精益生產線規劃研究

劉 敏，王大維，楊艷瑞，楊五兵

（中航沈飛民用飛機有限責任公司，沈陽 110000）

精益生產是起源于日本豐田汽車公司的一種生產管理方法。其核心是追求消滅包括庫存在內的一切“浪費”，并圍繞此目標發展了一系列具體方法，形成了一套獨具特色的生產經營管理體系[1]。精益生產思想的最終目標是企業利潤的最大化。但管理中的具體目標，則通過消滅生產中的一切浪費來實現成本的最低化[2]。因此精益生產線規劃主要研究生產線上面積浪費、搬運浪費、等待浪費、動作浪費等行為，通過降低或消除非增值時間，達到提高員工工作效率的目的。目前國內眾多學者對精益生產理念進行了大量的研究，其中楊國榮等[3]提出了總裝移動生產線構建架構及各系統的基本組成，并以新舟國產渦槳支線飛機精益化構建具體實例證明了精益生產在生產線建設中的重要性；林煒生[4]通過對精益生產、生產線平衡等理論的研究，實現了手機裝配生產線平衡改善，提升企業的核心競爭力；王晶[5]采取取消、合并作業工序，平衡生產線節拍以及作業標準化等精益改進措施，優化了雷達數字陣列模塊組件生產線，提高了生產線產能。當前，德國的工業4.0為全球制造業描繪出了第四次工業革命的宏偉藍圖，建立人機一體的智慧工廠（Smart factory）。實施工業4.0的核心問題之一是構建智慧工廠的生產線，即將大量先進技術組織為有機整體，并固化為生產線及管理模式，從而通過大幅提升生產效率，將生產線的精益化水平推向新高峰[6]。

空客A220飛機，前身為加拿大龐巴迪C系列客機，是一款窄體、雙引擎、中程噴氣客機，中航沈飛民用飛機有限責任公司承擔著A220項目前、中、后機身，艙門，尾錐，中央翼盒和翼身整流罩7個工作包產品的裝配任務（圖1）。目前，A220飛機艙門工作包月產4架，按照公司規劃目標需求，需保證在現有人力基礎上，通過生產線規劃改善，滿足月產6架的生產能力，由于在以往的艙門布局中，車間著重于裝配工藝的實現，即裝配出滿足客戶需求的艙門工作包產品，對現場工時數據、浪費現象缺乏足夠的認識，導致員工工作效率低。為了滿足艙門爬坡生產需求，需要對當前工藝布局進行改善，消除生產現場種種不良浪費現象，提高員工工作效率，打造精益化的艙門生產線。

生產現場數據采集

1 艙門生產工藝流程

A220飛機艙門工作包單架份需完成8個門的裝配任務，分別是前登機門（FPD）、后登機門（APD）、前服務門（FSD）、后服務門（ASD）、前貨艙門（CCD–1）、后貨艙門（CCD–2）、左應急門（OWEED–1）、右應急門（OWEED–2）各1個，圖2為前登機門裝配流程圖（其他門裝配順序與前登機門相同）。如圖2所示，前登機門從主結構定位至存儲發運共分為8個站位節拍，除檢驗調試工位上/下架過程中需使用吊車外，其余各站位節拍之間全部需要采用人工拖車轉移。

2 基礎數據測量

在生產線規劃過程中，各操作工序工時是最重要的基礎數據，為了對工時數據準確收集，采用現場觀察的時間測量法，對生產節拍內每道工序進行裝配時間測量，表1為經過數據統計后艙門結構組件裝配周期，其中VA表示增值時間，即客戶認為有價值的活動時間，例如完成艙門產品裝配的一系列操作，清潔、鉆孔、鉚接等活動產生的時間。NVA表示非增值時間，即在客戶眼中只增加成本，而不增加價值的活動行為產生的時間，例如停滯、等待、搬運、不良動作等產生的時間均屬于非增值時間。根據精益改善的原則，在生產線規劃中，需要制定策略，消除非增值時間，進而提高單位時間產出比。圖3為各站位節拍有效增值時間參考工作人力后得到的裝配工時數據曲線。

圖1 沈飛民機空客A220項目Fig.1 Airbus A220 program of SACC

圖2 前登機門裝配流程圖Fig.2 FPD assembly flow chart

根據公司規劃目標需求，A220項目艙門生產線未來年產量為72架，即月產6架，按照每個月有效工作天數24d、每天工作時間為7.5h計算，生產線節拍CT（Cycle time）為24/6=4d/架。基于上述工時曲線和客戶生產節拍要求計算得出新增工裝數量如表2所示。

同時，通過現場實際觀測，繪制意大利面條圖，分析浪費現象的來源，如圖4所示，以前登機為例，從現場觀測的意大利面條圖中可以得出如下結論：

（1）各工位輔助裝配設施距離加工位置較遠，單位面積產出比非最佳，造成面積浪費。

（2）操作者需要反復拿取搬運零件和工具，產生搬運浪費。

總體布局規劃

1 總體布置原則

生產線規劃設計是一種將空間、設備與成本等因素，運用科學方法進行分析、研究和選擇，從而適應企業的經營管理模式、各環節的變化以及市場對產品需求的多元化要求。它有6個主要目標[7]：

表1 艙門結構產品裝配周期Table 1 Operator cycle time of A220 door

圖3 艙門裝配工時數據曲線圖Fig.3 Assembly time data curve of A220 door

表2 艙門工裝需求數量Table 2 Quantity of A220 door tooling jig 套

圖4 前登機門結構件安裝工序意大利面條圖Fig.4 Spaghetti diagram of installation procedure for FPD structural parts

（1）工藝要求。生產對象流動順暢，避免工序之間的交錯疊加。

（2）最有效地利用空間。

（3）物料搬運費最少。

（4）保持生產和安排的柔性。

（5）適應組織結構的合理化和管理的方便。

（6）為職工提供安全、方便、舒適的作業環境。

為了確定生產線中的工位、設備、緩存區的數量和位置，同時達到上述規劃目標，通常參考以下四種布置形式：產品原則布置、工藝原則布置、產品聚簇布置、固定工位布置。其中產品原則布置是按照生產線要求進行布置；工藝原則布置按照機群進行布置；產品聚簇布置按照分組歸納的方式進行布置；固定工位布置按照工位要求進行布置[8]。

盡管單架份A220飛機艙門產品有8個，但是其裝配工藝流程和生產節拍基本相同，因此可以將具有相似工藝路線的工序集中一個單元內，建立柔性生產線，同時相似工序集中在一個單位內便于生產線上輔助設施、工具、器材的集中管理，優化面積的使用，可有效解決當前艙門生產現場存在的由于輔助設施、工具、器材距離加工位置較遠而導致的浪費問題，因此綜合考慮后艙門生產線整體上應按照產品聚簇式布置，即單元模塊化布置。在生產線布局規劃中，生產線平衡率是一個很重要的評價指標，用于衡量流程中各站位節拍符合度，其計算公式如下[9]：

生產線平衡率=各工序時間總和/（最長作業時間×總工序數）

圖5為采用產品聚簇式布局且消除非增值時間后，得到的理論上8個站位節拍生產線平衡情況，經過計算，生產線平衡率為84.1%。

2 總體布局形式

在確定了生產線的工藝流程、工裝設備數量、生產線總體布置原則之后，開始著手具體生產線方案設計，此時需確定生產線布局形式，一般生產線的布局形式見表3。表3為不同布局方式的優缺點對比。

在確定生產線布局形式時，除了考慮工藝流程外，還需考慮各站位節拍之間的物流情況，即通過作業單位物流相關圖（穆德圖）對各節拍站位進行物流相關強度分析，通常在物流強度分析中將作業單位間的物流強度劃分為5個等級，A（非常重要），E（較重要），I（重要），O（一般），U（無關）[8]。圖6為艙門生產線的作業單位物流表。通過相關表可以看出艙門整體工藝流程僅上下相鄰工序之間存在物流搬運，特別地，在艙門主結構定位，骨架成型、鉚接和補鉚3個節拍之間存在跨工位物流搬運，其原因在于主結構定位完成后個別支架或者隔板零件需要在補鉚工位安裝，且零件數量較少，因此物流強度定位I級。

根據艙門裝配工藝流程圖（圖2）以及作業單位物流相關圖（圖6）可知，A220項目艙門工作包在整體上裝配工藝順序上下銜接，整體上應采用串聯布局方式。由于未來艙門需達到年產120架的生產能力，交付節奏較快，因此需要保證生產線持續穩定生產，對生產線應對風險能力要求較高，因此局部瓶頸站位采用并聯布局方式，即魚骨型布局為最佳選擇，總體布局方式見圖7。

3 詳細布局設計

生產線具體規劃通常借助AutoCAD等二維繪圖軟件，將工裝、設備模型等投影成二位平面線條圖，按照1 ： 1的尺寸在待規劃區域內進行放置，上述傳統方法僅能在二維的角度上籠統地進行規劃，圖紙展示效果差，無法從三維空間的角度評價工藝流程的優劣，如吊車的空間布置和吊裝方案等[10]。

目前，航空制造企業都采用達索系統公司的CATIA進行飛機設計，故后期的廠房布局和仿真也較多地采 用CATIA、DELMIA或Quest等軟件。CATIA對于廠房前期規劃這類頻繁更改的工作顯得效率很低，不適合快速建模工作，且其展示效果較差；DELMIA更適合產品進入詳細設計階段的裝配工藝過程仿真等工作，且必須要有詳細的數模才可體現其實用價值；Quest一般在汽車等標準化作業程度很高的領域使用，主要用于物流以及生產節拍的精確模擬和優化。與上述軟件相比，3ds Max有著強大的建模手段，可以實現CATIA格式的飛機產品、工裝外形數據等的無損轉換，特別是其特有的網格建模技術在物體建模和修改方面非常高效和靈活。同時3ds Max可以實現全方位的、快速的建模及裝配模擬仿真制作工作并可渲染輸出高質量的動畫和圖片進行展示[10]。

圖5 聚簇式布置下的艙門生產線平衡圖Fig.5 Balance figure of A220 door production line under cluster layout

表3 常見生產線布局方式對比Table 3 Comparison of common production line layouts

在3ds Max軟件中按照廠房尺寸快速建立廠房模型，包括綠色通道、廠房立柱等模型，利用CATIA對艙門工裝和產品進行模型輕量化后直接導入3ds Max軟件中，根據計算得出的生產線所需工裝數量、艙門生產線整體布局，將所需工裝設備在相應區域內進行排列，在詳細規劃階段除考慮本工位占地面積外，還需考慮完成本工序裝配流程所需的相應物流周轉面積，同時在工裝、產品布局完成后，將工位輔助裝配設施包括工具、器材、操作者等模型一并導入模型，以便更好地展示三維布局效果。圖7為艙門生產線骨架成型和結構補鉚站位詳細規劃效果展示，如圖8所示，在進行產品聚簇式布置后，可根據單元內工序配置輔助設施和器材工具，同時單元模塊化便于人員管理以及工作熟練度的提升，在有效解決了裝配現場的浪費現象問題的基礎上，進一步提高了A220飛機艙門生產線裝配效率，圖9為A220飛機艙門生產線整體規劃效果展示圖。

結論

本文針對空客A220飛機艙門生產線按照精益和工業工程思想進行了A220飛機艙門生產線布局規劃，主要得到以下結論：

圖6 艙門生產線作業單位物流相關圖Fig.6 Operation unit logistic relationship for A220 door

圖7 艙門生產線整體布局Fig.7 Overall layout of A220 door production line

圖8 艙門生產線布局細節展示Fig.8 Production layout details display for A220 doors

圖9 艙門生產線三維工藝布局效果展示Fig.9 3D process layout effect of A220 door production line

（1）基于精益思想，通過對現場操作的實時觀察和記錄，識別出現場浪費現象的主要來源，在后續生產線規劃過程中，通過將生產線總體布置原則調整為單元聚簇式，實施單元模塊化管理，同時配合單元內相關輔助設施的集中配套管理手段，杜絕了搬運浪費現象，提升了員工工作效率，經過統計，單架次艙門工作包產品節省人力搬運工時94h。

（2）基于3ds Max軟件的廠房布局規劃，展示效果更加逼真，通過各個工位工藝流程的人體工程學模擬，優化了艙門工區的占地面積，在滿足裝配生產需要的前提下節省艙門工區生產面積416m2。

（3）空客A220飛機艙門精益生產線規劃，以現場實測裝配工時、識別現場浪費現象為基礎，以工業工程方法為依據，以計算機輔助軟件為實施手段，最終制定出了滿足爬坡生產需求的精益化生產線，為其他飛機裝配廠生產線精益改善提供參考。