面向規模化生產的小尺寸產品總裝生產線技術研究

朱前成， 劉國柱， 熊珍琦， 邢向杰， 韓維群， 劉岳麓

（北京航星機器制造有限公司， 北京 100013）

0 引言

“十四五”期間，某小尺寸產品的生產任務顯著增加，傳統的嚴重依賴手工操作和人員技能的總裝模式面臨著巨大安全生產壓力。由于該航天產品總裝廠房為帶火工品作業，為滿足安全生產要求，難以通過增加人員和工位的方式滿足航天產品大批量快速交付的需求。 因此，航天產品總裝生產過程亟需向自動化、柔性化和智能化的方向發展[1]。隨著智能制造技術的發展，以自動化物流和機器人自動化制造應用[2]為代表的智能制造技術在提高產品總裝效率、提升危險作業區的安全水平具有顯著優勢，為規模化生產條件下的航天產品安全總裝生產提供了新方法。

1 航天產品總裝生產現狀

某小尺寸產品裝配工藝一般包括性能檢查、 成件安裝、電纜連接、總裝集成、測試、裝箱等環節，作業時為多發產品并行作業，并基本為手工作業。

該航天產品現有的總裝廠房為裝測一體工房，按照“火工品裝配操作分級化、作業危險等級精細化”的原則[3]，通過工序細化節拍式工位劃分的方式控制作業廠房定員。在大批量規模化生產條件下， 廠房生產任務長時間處于滿負荷狀態，為按時完成科研生產任務，只能采用加班、倒班的方式連續作業，工人勞動強度較大，容易出現安全隱患。 為此，通過開展面向規模化生產的航天產品總裝生產線技術研究，優化生產線布局，壓減操作人員并降低勞動強度，提升航天產品安全生產水平，達到“機械化換人、自動化減人”的效果，實現國防科技工業安全生產治理體系和治理能力現代化目標。

2 總裝生產線建設關鍵技術

與大尺寸航天產品的生產周期長、生產流程長、工序復雜、小批量單件生產的生產模式相比，小尺寸產品生產周期短、批次數量大、生產滾動快、工序相對簡單，規模化批次生產的生產模式對生產的快速響應能力要求較高，更適應建設自動化總裝生產線。 本文在深入分析細化現有小尺寸航天產品工藝的基礎上， 研究利用自動化或人機協作裝置， 兼容考慮多產品混線生產的柔性化生產線布局要求，建設自動化總裝生產線，實現提高產品生產效率和安全生產作業水平的效果。

2.1 面向優化布局的生產線快速建模與仿真優化技術

某小尺寸產品的現有總裝生產流程分布在多個廠房，各廠房間距離較遠，布局與生產流程關聯不緊密，裝配流程長且離散，裝配過程中需要經歷多次轉運，流轉的路線復雜、不清晰，影響產品生產效率。 在規模化生產的情況下， 需要將該航天產品的所有總裝流程進行重新整合， 構建新的總裝生產線并開展建模與仿真技術研究[4]，為航天產品規模化生產奠定基礎。

航天產品總裝生產線工藝布局與仿真驗證為從源頭上保證生產線的合理布局提供了支持，見圖1。 首先，基于航天產品規模化柔性總裝需求，通過工藝流程分析，利用數字化生產線布局優化技術規劃布局方案； 然后針對底層機器人等智能裝備開展運動節拍及動作能力的仿真驗證；進一步的從生產線建模角度，進行物流仿真及生產能力的評估。通過上述三部分內容綜合研究，有效地支撐總裝生產線工藝布局與仿真驗證。

圖1 面向優化布局的生產線快速建模與仿真優化

2.2 基于需求拉動的物料齊套及物流配送管理技術

由于小尺寸航天產品結構緊湊，內部空間狹小，可操作空間不足， 難以采用機器人等自動化裝備完成產品內部成件及艙段間的自動化裝配。為提升產品生產效率、壓減操作人員， 基于需求拉動的物料齊套檢查及自動化配送成為關鍵研究技術。 根據作業計劃提前對庫房庫存情況進行齊套性檢查，以確保計劃下達后的順利執行。在生產線各工位上，物料的配送依據工位任務的執行確認，保障線上只有即將開始任務的裝入件配送， 避免因物料不足導致的停工、減少物料過度配送導致的線邊物料堆積，物流浪費等情況的發生。

航天產品的信息以紙質文檔單據的形式存儲流轉的管理形式應用已久， 而物料配送則一直采用以單據為憑證人工配送的傳統方式， 配送延遲的情況在各個制造環節普遍存在。 本文提出的需求拉動的物流精準配送技術方案見圖2。 首先通過執行系統的計劃任務，獲取物料的庫存信息，自動給出對應任務物料的齊套性檢查結果，并在計劃下達后，指導庫管員完成物料分揀。為實現物料管理及配送數字化、自動化，根據任務需求拉動，進行物料編碼與識別，建設基于智能輸送線、AGV 小車、存儲立體庫的自動化物流配送系統。通過物流仿真優化，確定生產線各工位間物流配送最短路徑， 在生產線各工位下發物料需求指令后， 由智能輸送線完成部裝工區與總裝工區之間的物料配送，由AGV 小車完成總裝工區、測量工區、測試工區和總檢裝箱區之間的產品配送。

圖2 需求拉動的物流精準配送方案

2.3 基于快速重構的柔性工裝設計技術

由于航天產品總裝生產具有系列化/柔性化混線并行生產的特點，為了解決不同時期不同航天產品的批次性生產任務，研究解決基于航天產品的生產線資源快速重構尤為關鍵。與大尺寸產品的生產流程長、工序復雜、小批量單件生產的生產模式相比，小尺寸產品批次數量大、生產滾動快、工序相對簡單，航天產品裝配件相對較少、一體化程度較高，通過設計可重構柔性定位工裝可達到上述效果。

為建立能夠適應不同航天產品的柔性總裝生產線，盡量縮短準備時間， 本文提出的基于快速重構的柔性工裝設計原則見圖3，以生產線部裝操作工位、總裝對接工位、AGV 轉運平臺為研究對象，以裝拆簡便、快速定位為原則，以數字化為手段，結合產品三維數字化模型，研究設計能夠適應規模化生產的可重構工裝，保證柔性工裝在相關工位與航天產品間的精確定位和可更換。根據生產線航天產品的切換， 實現柔性工裝的快速重構，保證總裝生產線的順利運行。

圖3 基于快速重構的柔性工裝設計

2.4 生產線智能管控系統建設

對制造執行過程、信息、物流系統的管控， 是小尺寸航天產品總裝生產線有效運行的終端保障。 通過實現基于需求拉動的物料齊套檢查、 物料的快速精準配送、 生產過程信息數據采集以及生產任務執行進度監控，為管控系統智能排產、生產線實時運行狀態仿真提供重要的數據支撐。 小尺寸航天產品總裝生產線智能管控系統框架見圖4，主要包含以下四方面功能模塊。

圖4 航天產品總裝生產線智能管控系統框架圖

（1）基于條碼信息掃描的制造執行過程進度監督管理。針對航天產品規模化柔性裝配生產特點， 以工位級工藝文件為輸入，生成工位級物料、工位及其工序任務條碼，通過工位操作前的掃描，記錄任務執行過程。對任務執行過程中的各類故障進行分類， 并確定相應的異常報警方式，反饋調度排產系統與動態調度系統。

（2）基于工序節點的信息采集與管理。依據適應規模化生產的航天產品總裝生產線工位劃分， 開展工序節點信息采集需求分析，針對不同工位及不同航天產品，分析確定所需采集的具體信息。 通過綜合分析所采集的多源信息，建立信息整合規則，完成多元信息在制造執行環境中的融合處理。

（3）基于需求拉動精益物流管理。 通過物料數字標識方式、物料信息定義與錄入方式、條碼制作與打印方式、工位級單發配套方式等物料標識相關技術研究，形成物料的數字化管理模式。 通過開展作業計劃拉動物料配套、工位任務拉動式的物流配送技術研究，實現基于需求拉動的精益物流管理，避免物料在工位的堆積，實現物料及時配送。

（4）產品數字化質量管理。 從工序節點采集的信息中，提取出產品配套信息、成件安裝與拆卸等生產過程信息、成件返修等特殊過程信息， 通過系統集成技術， 實現從MRPII 中調用自制件數字化質量信息， 形成產品數字化質量信息庫。 結合用戶裝備管理系統數據管理要求與接口標準，實現產品質量信息的數字化交付。

3 驗證與分析

3.1 生產線仿真優化與工位劃分

本文以某小尺寸航天產品規模化生產為例， 通過優化產品裝配工藝流程、重新規劃生產線布局，配備智能輸送線、AGV 小車將各個區域串聯起來， 并結合信息化技術，實現產品有序高效地完成裝配，降低工人勞動強度，保證安全生產。

3.2 效益分析

圖5 某航天產品總裝生產線建模與規劃仿真

以某小尺寸航天產品總裝生產為例，如表1 所示， 目前流水式總裝生產流程各個節點共需16～19 人；利用該自動化總裝生產線后，將各總裝生產流程進行整合到同一廠房，通過應用總裝對接輔助工裝，減少操作人員4 人；通過自動化配套、物流系統，減少配套1～2人；通過自動化拍照記錄系統，減少檢驗人員1～3 人，在同樣生產節點及產能下，實現所需操作人員減少至9 人。

表1 自動化總裝生產線建設前后分析表

4 結論

傳統的航天產品總裝生產線布局普遍以班組為最小單位，各航天產品裝配操作在組內集中完成，這種布局方式下，各操作人員需要熟悉各航天產品的全部裝配操作，對操作人員技能要求較高，在產品批量較大時，操作人員勞動強度顯著增加，難以高質量的完成操作任務；由于總裝廠房為帶危險品作業區域，對人員定額有嚴格要求，無法通過增加操作人員的方式滿足產能要求。 本文通過面向規模化生產的航天產品總裝生產線技術研究， 突破產品裝配流程優化、生產線布局優化、物流配送精準化、生產柔性化等方面技術瓶頸， 在小尺寸航天產品總裝生產中進行實際應用驗證，及時發現設計中工作流程、物流及布局等方面存在的問題， 在滿足安全作業要求及產能要求的前提下實現操作人員的減少， 大幅提高航天產品裝配效率及質量，提升裝配過程管理智能化水平，增強航天產品生產的柔性和現場監控管理的實時性， 降低航天產品的生產成本與現場人員安全風險。