飛機導管智能生產線設計

卜 泳，鄭璐晗，呂瑞強，張家諤

（中國航空制造技術研究院，數字化制造技術航空科技重點實驗室，北京 100024）

0 引言

航空制造業是國家重要支柱產業，是高端制造業的代表，是綜合國力的重要體現，在國民經濟中占有重要戰略地位。航空產品結構復雜、協調性和尺寸精度要求高，對制造工藝、裝備和系統的集成提出了更高要求。管路系統是現代飛機的生命線[1]，飛機舵翼面的控制、起落架的收放、艙門的作動、燃油輸送、環控等系統的運行與控制等均通過導管輸送介質實現，與飛行安全直接相關[2]。飛機管路眾多且每一條管路均包含大量導管零件，任何一個零件失效均會引發嚴重后果。

隨著現代民用飛機與新一代軍用飛機設計與制造技術的發展，航空器上集成的各子系統為實現更先進復雜的功能，對子系統中各零件提出了嚴苛的技術要求[3]。

飛機進入總裝環節后，巨大的工作量集中在管路線纜的敷設工作上。據統計，一架民用飛機需要使用超過2500 件以上的導管零件[4]。目前導管零件的生產模式相對落后，大量采用現場取樣、按樣管制造的模式，制造精度低、制造周期長，且難以與采用數字量傳遞的機體結構零件統一協調精度[1]，總體上導管零件產品一致性較差、生產效率較低[5]，導致總裝工藝設計復雜程度提高，工藝規劃難度加大，調試返工的工作量急劇增加，極大影響飛機總裝的效率與質量，已無法滿足航空制造行業全面數字化的需求[6]。

隨著我國民用航空市場的快速發展，國產大型民用飛機的逐步成熟，產能提升，對導管零件的制造能力提出了全新的要求。因此，設計一條飛機導管智能生產線，打通導管數字化制造工藝全過程的智能生產線，打通導管數字化工藝設計、數控彎管、數控端頭加工、數字化測量及生產線內自動物流等關鍵環節的數字鏈，提高導管零件制造精度與一致性，提升設備使用率和準時交付率，實現管理的精益化，推動導管制造向自動化、智能化方向的轉型。

1 導管生產線的技術現狀和需要解決的問題

1.1 國內外技術現狀

國外先進飛機制造企業歷經多年發展，基于三維數字化模型與CAD/CAE/CAM 的完整體數字鏈[7]，實現從設計到制造的全過程數字量傳遞[8]，且在制造過程中基于彎管過程的數字化仿真、虛擬焊接等關鍵工序在虛擬環境中的仿真分析[9]，已近乎形成了整個生產過程的數字孿生體，有力保障了產品質量的穩定性與一致性，且可對未投產的導管進行產品質量的預判，向設計反饋，產品設計與工藝設計同步開展，形成信息閉環，減少物理試驗，極大壓縮新機研制成本。此外，通過知識工程技術的應用，將多年積累的技術與經驗進行科學系統地分析提煉，形成了龐大的專家知識庫[10]，在專家系統的管理下，自主分析[11]、自主推理、自主決策，使得生產線管控系統能自主進行工藝設計與生產管理，實現自主排產、自主調度，已可在一定程度上取代與延伸人的部分腦力勞動[12]。

我國目前飛機導管的生產仍然是從取樣生產的模式為主，協調方式為基于模擬量傳遞，工藝設計與生產管理則基于“單件取樣、模擬量傳遞、工人技術能力”展開規劃，導管的質量嚴重依賴于工人的技術水平與經驗，產品質量一致性差，生產計劃的制定主要依靠手動排產、人工決策，部分擁有數控彎管設備的主機廠也是以設備孤立運行、生產線人工管控為主，生產計劃不靈活，生產線設備利用率不平衡，離“智能”制造尚有不小的距離[13]。

1.2 需要解決的問題

在單元技術及管控技術已開展一定研究的基礎上，打通設備信息鏈，集成各單元技術，建立“合用”管控系統，解決無可用的智能管控系統的問題。并在實現生產線完成虛擬布局與設計后，進行產能仿真分析與平衡分析，根據分析結果對布局進行優化。

國內主要的飛機制造企業有部分已配備了數控彎管設備[14]，但工藝設計與生產管理仍以傳統的人工操作與調度進行管理，設備利用率低下，且沒有適用的生產管控系統，生產線雖有其名，但各單元的信息懸為孤島，無法流通，不能將檢測結果及時傳遞，進行有效反饋，極大地浪費了設備能力，制約了生產效率的提升。

飛機導管在設計階段已逐步實現全數字化設計，導管數模成為了基本的制造依據，但在現實的生產環境中，雖已有數控彎管機、3 座標測量機等數字化設備，由于各設備孤立運行，制造與檢測的數據無法流通形成反饋閉環[15]，零件的制造仍然嚴重依賴工人的技術水平與經驗，產品精度低、一致性差，全部以數模為依據制造的導管在飛機總裝時無法裝配，仍無法避免大量的取樣制造工作，飛機雖有包含導管的整機數模，但作為維護中最常見的導管零件無法實現互換性——按數模生產零件卻無法按數模裝配。飛機設計到制造全過程的數字量鏈條在該環節不連接。

飛機導管總量巨大，因其種類繁多，每種規格的導管體量較小，又因航空制造行業特點，緊急任務頻繁插隊，導致生產計劃經常性調整，管理復雜，既影響緊急任務響應的敏捷性，也影響總體生產效率提升，對生產管理人員與一線操作人員均是巨大的壓力。

2 導管智能生產線規劃

2.1 智能生產線建設目標

通過參考國外先進航空制造企業的經驗，結合我國現有的技術基礎，國內相關領域走在前列的主機制造企業也提出了智能生產線的技術設想。為實現建設智能生產線的最終目標，需要在數控彎管技術等核心工藝技術上實現突破，形成彎管工藝專家知識庫，基于仿真技術建立生產線全局三維模型與工藝過程的分析模型，實現生產線設備與工藝過程的數字化與虛擬化，基于計算機網絡和數據庫技術實現飛機導管制造全過程數字化信息傳遞，實現生產線的集成與智能管控。

2.2 技術基礎

隨著國產導管數字化制造技術的成熟，以及生產線智能管控技術的進步，建立一條智能生產線所需要的核心技術已在多個方面實現單元技術突破。

數控下料與端頭毛刺處理技術與設備成熟穩定，通過工藝參數的控制即可實現適應不同的加工對象的需求，調試標定完成即可持續運行，非故障狀態下無需人工干預。

數控導管彎曲工藝取得技術突破，可實現不同材料（鋁合金、鋼材、鈦合金）、不同規格（大管徑、小壁厚、多種彎曲半徑等）的導管高精度高效率自動彎曲成形。

自動化導管清洗設備成熟，通過水射流清洗技術可在不損傷導管表面與標志的條件下去除零件上附著的潤滑劑，并自動將零件烘干。

通過引進國外先進激光切割與導管焊接設備，生產線也具備了自動化管端切割及法蘭焊接的能力，只需將完成彎曲成形的導管零件轉運至指定位置，激光切割與焊接設備即可根據智能管控系統下發的指令完成測量、調姿、切割、焊接、內部轉運等工作。

基于本項目相關專題的研究，導管幾何尺寸的非接觸式自動測量技術也有進一步突破，測量設備可接受工業機器人自動上料，通過自動夾持工裝進行初步定位，測量設備讀取智能管控系統的指令，調取程序文件，通過激光掃描技術自動找正、自動測量，并將檢測結論向管控系統反饋，輸出測量報告。各個工序的工藝參數均實現在在設備中固化，無需或基本無需人工干預，具備集成的工藝基礎。

各個工序環節的工藝設備可支持Profinet 協議或TCP/IP 協議，可通過以太網實現硬件互聯，具備集成的硬件基礎。

2.3 生產線集成與智能控管

當前航空導管全數字化模型已逐漸成為主要制造依據，設計與制造協同、工藝設計與數據準備過程、現場運行管理狀態控制均在一定程度上實現了數字化。

因此，將智能制造技術應用在導管生產制造領域，通過開發生產線智能管控軟件、優化改進現有的工藝方案、補充必要的數字化輔助設施，組建物料自動配送系統，基于模型實現導管數控彎曲、切割、焊接、檢測、物料配送全過程信息數字化傳遞與反饋，采用“模型驅動”取代“樣件驅動”的生產模式。

3 導管智能生產線建設

3.1 總體布局

導管智能生產線在規劃之初便將導管生產過程所有要素囊括在內，以導管數字化模型為制造依據，是驅動生產線的上料、下料、彎管、清洗、切割、焊接、端頭加工、檢測全過程的唯一數據源，通過以太網聯通設備硬件實現信息流通，生產線上的產品數據和生產過程數據通過信息層和物理層的交互，實現導管生產全過程橫、縱雙向的數字鏈傳遞。如圖1 所示。

圖1 導管智能生產線總體布局

在信息層，導管智能生產線主要對生產計劃、資源管理、運行控制、狀態監測和統計分析等主要業務流程進行管理和控制，將數據以指令的形式傳遞至物理層。

在物理層，生產線執行下料、彎管、切割、焊接等工序和物料配送等物理業務流程，以工業機器人實現物料的自動流轉，產生的數據傳遞至信息層，形成閉環。

3.2 集成技術方案與優化

3.2.1 集成技術方案

（1）物料流

生產線物料的流動按工藝路線進行，由物流單元執行，將零件按工藝路線的規劃在生產線內流轉，是優化與調整布局的輸入與依據。如圖2 所示。

圖2 工藝路線

零件的毛坯為直的管材，按照工藝要求切割到規定長度進入生產線，在生產線過程中完成噴碼、入庫、端頭下料、去毛刺、數控彎管、清洗、余量切割的工序，隨后根據不同零件工藝要求進行焊接或者端頭加工工序，最終進入檢測工序后實現成品出庫。

（2）現場運行控制系統

現場控制系統（Field operation control system，FOCS）接收管控系統發送的指令，對指令進行解析，并對各個設備、分布式IO、安全設備等都由現場控制系統統一協調調度，設備的生產狀態和現場情況實時上傳至現場主控制器，并由主控制器將現場情況和設備狀態統一上傳至MAPCS 管控系統。現場控制系統和管控系統硬件上通過以太網實現互聯，并定義數據傳輸格式，實時對數據進行解析。

整個生產過程描述為：經過預加工的毛坯料進入線后噴碼賦予唯一的生產線ID 號，經下料單元切割去毛刺，在數控彎管機上完成彎管，通過機器人把已完成彎管物料送入清洗站，清洗結束后，由機器人送入FFT 切割和焊接單元，之后機器人把物料送到端頭連接單元，人工完成端頭連接，經測量機檢測檢驗合格后機器人送入成品料倉。

現場運行控制系統通過統一編碼識別，感知并實施物料在生產線中的流動，將物料狀態信息反饋到智能管控軟件中，是實現高級排產與柔性化的硬件基礎。

（3）智能管控軟件系統

在飛機智能導管生產線中，導管的加工、清洗、檢測和轉運等過程由傳統以人為主的生產模式轉變為以機器設備為主的自動化生產模式，需要通過具有智能特點的信息化系統對整個生產線的運行進行集中管理和控制，對外負責資源基礎信息、生活計劃、執行狀態等數據交互，對內負責任務、排產、調度以及各類資源狀態和運行過程的管理與控制，同時對生產線運行過程中產生的各類數據進行統一管理與分析。

生產線管控系統負責生產線的計劃調度管理，人員、物料、設備等資源的管理及產品質量、異常狀況和系統維護等全部線內數據信息的管理，同時與車間級制造執行系統（MES）進行集成。通過管控系統對生產線運行過程的有效管理和控制，實現提高生產效率、提升導管產品加工質量、減少不必要的浪費等目標，軟件架構如圖3 所示。

圖3 智能管控軟件架構

導管生產線承擔了多類管徑不同產品的加工制造任務，在數控彎管工位執行加工之前，存在著需要對導管模具進行更換的可能。更換模具會影響生產線的整體節拍，所以在進行生產線的任務排產時，需要重點考慮換模的時間約束。

另一方面，由于導管生產線采用單件流的生產模式，而線內各工位的加工時間各不相同，這就導致了生產線平衡性的下降，設備平均利用率較低，造成了大量資源浪費。因此，在保證目前工藝路線正常執行，產能不受影響的情況下，采用部分產品彎管前提前出線（入線寅下料寅去毛刺寅出線）的多工藝路徑并行方式，提高生產線內各工位設備的單位時間生產能力，消除瓶頸，減少浪費，從而達到優化整體生產效率和經濟效益的目的。

在導管生產線內進行排產時，系統采用狀態預測結合事件反應的策略實現排產方案的優化。通過對生產線各類狀態的感知，實現對未來事件的主動預測，解決中長期任務安排的排程；同時針對實時發生的事件，利用預先定義的規則進行生產任務的動態調度，指導實際生產，實現短期任務的合理安排。

來源于生產計劃的動態信息主要包括訂單交貨期、數量的調整，以及訂單的緊急插入、取消等信息；來源于工藝的動態信息包括工藝路徑、設備選擇、加工工時的改變；來源于物料供應的動態信息主要包括物料可用狀態信息、線內標準件等物料的庫存信息；來源于生產現場的動態信息包括了設備使用狀態、任務進度反饋和人員出勤等信息；來源于外協的動態信息包括返回時間估計，任務返回確定等信息。

3.2.2 生產線布局平衡分析與優化

在導管生產線內進行排產時，系統采用狀態預測結合事件反應的策略實現排產方案的優化。通過對生產線各類狀態的感知，實現對未來事件的主動預測，解決中長期任務安排的排程；同時針對實時發生的事件，利用預先定義的規則進行生產任務的動態調度，指導實際生產，實現短期任務的合理安排。如圖4 所示。

圖4 生產線布局

（1）布局的平衡分析

基于生產線總體布局方案及設計輸入的產品、工藝路線和每工序工作時間，對生產線進行了流程仿真，按8h/每天，6 天/周計算，零件的工序時間見表1、表2。

表1 年工作時間

表2 零件工序時間

按照單套齊套性交付的原則進行了仿真，通過仿真我們發現，切割與焊接單元的設備利用率始終保持在95%以上，下料、去毛刺、彎管設備的利用率均在30%以下，故整個生產線中的瓶頸工序是切割、焊接工序，見表3，其他工序的設備利用率基本上是該兩工序的1/3，為了充分利用設備，特別是主要的彎管設備，需要在該區域進行優化提高設備利用率。

表3 單套齊套設備利用率

此外，圖5 中彎管單元利用率表明，單套齊套性交付的方式帶來了大量的換模時間，換模等待在影響彎管單元利用率的同時還導致后續的瓶頸工序出線等待，導致了切割、焊接設備的利用率下降，因此在滿足交付計劃的基礎上建議適當提高一定批量，例如按天、按周齊套性交付，減少換模帶來的停機等待。

圖5 單套齊套性交付設備使用狀態

（2）布局的優化

基于生產線的流程仿真，可以發現下料彎管單元的節拍明顯快于后續的切割焊接，因此劃分為節拍快的下料彎管區和節拍慢的切割焊接區，兩區可分別單獨運行，中間可以通過自動門隔斷。這樣就實現了快節拍工序與慢節拍區域的分割，為后續設備利用率的提高提供的基礎。如圖6 所示。

圖6 生產線分區

為了消除切割焊接單元瓶頸工序帶來的下料彎管單元的低利用，特規劃了僅經過下料彎管單元的工藝路線3、4，并在該區域增加出線口，如圖7 所示。通過管控系統排產調度算法的合理調配，就可以利用下料彎管單元剩余產能。

圖7 僅在下料彎管區流轉的零件流轉走向

此外，為了保證在下料彎管單元故障后核心的切割焊接單元仍能夠正常運行，在切割焊接區增加了外部彎管入口位，通過該位置可以把外部完成彎管的零件通過該入口輸入到切割焊接區，并在該區域獨立完成所有工序，如圖8 所示。

圖8 切割焊接單元單獨運行

鑒于機器人兼顧多個工位的情況，為了保證機器人總能夠在第一時間為瓶頸的切割、焊接設備進行上下料，在清洗、端頭加工、測量區域均增設的緩沖站，用于零件的臨時緩沖存放，在彎管區與運輸單元二的交接區設置中轉站，用于2 臺機器傳遞零件的中轉，在與人工操作交互的位置設置中轉站，用于機器人與人工取放零件的中轉，如圖9 所示。

圖9 生產線內緩沖站與中轉站

基于優化后的布局，進行了再次仿真，其產能見表4，其設備利用率如圖10 所示。通過優化可以看出，核心的下料、彎管、切割、焊接設備的利用率均達到了95%以上。

圖10 優化后按周齊套設備利用率

表4 優化后按周齊套生產線產能

4 結語

在導管數字制造工藝技術已有一定基礎的條件下，突破了生產線智能管控調度與現場運行控制集成等關鍵技術，打通設備信息鏈，集成各單元技術，建立“合用”“管用”的智能管控系統，并在實現生產線完成虛擬布局與設計后，進行產能仿真分析與平衡分析，根據分析結果對布局進行優化。

以本項目為背景建立的智能生產線可應用于各種民用支線、干線飛機及各種軍用飛機、直升機的導管數字化生產，并在航天、船舶等行業進行推廣。