崔之超，寇宇路，涂小風，李君，同飛龍

（航空工業西安航空計算技術研究所，陜西西安 710000)

0 引言

隨著離散型產品向信息化、智能化、精益化發展,產品的性能和復雜度不斷提高,給產品生產和維護帶來新的挑戰[1]。比如生產制造環節中,產品精密化導致裝配工序更加復雜,需要設計更加精確的標準工時;產品的快速迭代需要標準工時能夠快速更新;信息化產品在測試調試中需要考慮軟硬件系統的協同,也需要合理設計標準工時。在維護保障環節,精密產品的維修維護對操作技能要求更高,同樣需要精確的標準工時指導。另外,信息化產品軟硬件故障的定位和處理也要考慮到系統的綜合效應[2]。

因此,研究面向離散型產品全生命周期的智能化標準工時方法就顯得非常必要。這需要利用信息化技術如數字孿生、虛擬仿真、5G等進行標準工時的智能化設計;構建支持產品快速迭代的標準工時更新機制;開發輔助維修的智能化標準工時系統等。智能化標準工時方法能夠提高離散型產品生產制造和維護保障的質量和效率,對推動離散型產品向信息化、智能化、精益化發展具有重要支撐作用。對于提升離散型產品的生產制造和維護保障水平具有重大意義。

針對面向離散型產品全生命周期的研究,利用各種前瞻技術,建立智能化的標準工時管理體系和方法,可以實現對產品從研制設計到報廢全過程的標準工時進行科學化管理,使標準工時參數快速響應產品的迭代升級,大大提升標準工時設計質量。同時,實時的標準工時監控和動態優化可以及時反饋生產制造與維護過程信息,指導連續改進。通過離散型產品的生產制造與保障提供精益化的標準工時支持,具有重要理論價值和實踐意義。

1 離散型產品&標準工時生命周期階段分析

1.1 離散型產品生命周期階段分析

離散型產品生命周期管理是企業的關鍵之一。一般而言,離散型產品從研發到報廢的整個生命周期可分為研制設計、生產制造、使用維護、改造升級和報廢處理5個階段[3]，見圖1。

圖1 離散型產品生命周期管理階段

1.1.1 研制設計階段

該階段重點是對產品設計方案進行優化,充分利用虛擬仿真技術和數字化工具對產品設計進行多方面分析,選擇更加理想的方案。這需要充分利用數字化技術來提升設計效率。根據使用需求進行方案設計,通過數字化手段進行虛擬仿真,評估設計方案的可行性。這是離散型產品生命周期的首要階段,直接關聯產品的性能指標和質量水平。充分考慮使用環境和任務需求,運用虛擬仿真等前沿技術進行設計方案優化,對后續生命周期質量具有關鍵影響。

1.1.2 生產制造階段

該階段是確保產品質量的重要一環。通過工藝流程認證和標準工時規范來控制產品質量。同時，根據設計結果,進行產品的加工制造和裝配。這一階段要嚴格控制工藝流程,確保產品質量符合設計要求。同時需要實時監控生產過程,跟蹤標準工時執行情況,發現問題及早優化。充分應用信息化、數字化等手段進行智能化生產。

1.1.3 使用維護階段

產品投入使用后,對產品狀態進行監控與分析,進行預防性維護來延長產品使用壽命。根據使用情況和環境,對產品進行定期維護與保養。這一階段要監控產品的使用狀態,做好預防性維護保養工作,確保產品處于最佳狀態。及時總結使用維護數據,反饋產品改進信息。

1.1.4 改造升級階段

隨著任務環境變化,對產品性能進行改造升級。這需要根據新任務需求及時優化和迭代產品,延長其使用壽命。

1.1.5 報廢處理階段

需要采取合適的方法進行處理以實現資源最大化的利用。當產品達到預定使用壽命后,按規程進行報廢處理。合理處置報廢產品,最大限度回收再利用。

1.2 標準工時在不同階段的作用

標準工時貫穿離散型產品的整個生命周期,在不同階段發揮著不同作用。

1.2.1 設計階段

標準工時可以驗證不同設計方案的生產制造時間,評估產品設計的合理性。在設計階段,可以利用標準工時數據,建立產品數字化樣機,進行裝配過程的虛擬仿真,評估不同設計方案的裝配效率和生產周期。比較不同方案的標準工時情景模擬結果,選擇生產時間最優的設計方案。標準工時的設計驗證,可以避免不合理的設計帶來后續的生產裝配問題。

1.2.2 制造階段

標準工時可以指導生產活動的時間安排,評估生產進度。在生產制造階段,標準工時是測量生產過程效率的重要依據。將標準工時分解到各個工序,生成生產計劃,指導生產活動的時間控制。同時,通過與實際生產消耗時間的對比,可以發現生產中存在的問題,調整優化生產流程,實現精益生產。

1.2.3 使用維護階段

標準工時可以用于維修保養的時間預測和成本核算。在使用維護階段,標準工時可以準確預測產品的維修保養時間,提前做好人員和資源的準備。同時精確的標準工時可以進行維修成本的核算,為后期維修保障提供數據支持。

1.2.4 改造和報廢階段

標準工時提供歷史數據支持,預測產品改造和報廢所需時間。在產品改造和報廢階段,可以利用過去的標準工時數據,評估改造所需要增加的工時或報廢的拆解時間,做好計劃安排。

1.3 生命周期標準工時管理體系框架

基于上述分析,構建如圖2 所示離散型產品生命周期標準工時管理方案。該方案通過全生命周期數據集成和應用實現標準工時的協同管理,提供智能決策支持。

圖2 生命周期標準工時管理方案

2 設計階段的標準工時智能模擬

2.1 數字孿生技術介紹

數字孿生技術已經成為產品研發和生產制造領域的一股浪潮。數字孿生通過在虛擬空間中構建產品的數學模型和數字描述,可強效地輔助離散型產品的設計和生產[4]。

2.1.1 建模仿真

數字孿生模型涉及完整復雜的物理場和物理效應的聯合仿真。建立一個精確的數字孿生模型需要考慮產品的各個方面,包括結構、機械、熱力學、電磁、流體力學等多種物理效應。這需要采用多物理場聯合仿真技術。

2.1.2 虛實交互

數字孿生模型與實體產品通過傳感器等設備進行連接,構建起虛實交互。產品在設計和生產過程中生產的數據會實時導入模型,反過來數字孿生模型也可分析優化產品。此外,數字孿生能根據大數據分析中提取的規律進行自我更新。

2.1.3 大數據分析

數字孿生技術通過AI 等手段能自動發現產品設計中可能存在的缺陷,并提供虛擬設計方案以供參考。在生產制造過程中,數字孿生也可監測和預測設備的狀態與可靠性。

2.2 基于數字孿生的標準工時建模方法

利用數字孿生技術可以實現對設計方案的標準工時進行預估。其基本思路如圖3。

圖3 基于數字孿生的標準工時建模方法

圖4 面向增強維修的標準工時優化方法

2.2.1 構建數字化離散型產品設計模型

需要建立產品的數字化設計模型。這包括產品的3D數字模型以及各部件的形狀、結構等參數。

2.2.2 設置裝配過程的工藝規則

包括了各部件間的裝配類型和順序、需要的工具和設備等。

2.2.3 計算裝配路徑并確定裝配順序

依據設計模型和工藝規則,可計算出產品的整體裝配路徑和裝配順序。運行模擬程序,確定部件間的具體裝配方式和路徑。

2.2.4 建立標準工時計算模型

基于裝配路徑和方式,建立標準工時計算模型。這個模型需要考慮人員的動作、姿勢以及操作速度等因素。

2.2.5 運行裝配仿真,獲得裝配標準工時

運行設計好的裝配仿真模擬產品的具體裝配過程。系統可以通過人工智能檢測裝配時存在的潛在問題。

2.3 設計方案標準工時智能模擬實例

某型號電子產品設計數字孿生模型包含300余個零部件。設置裝配工藝規則數據庫后,進行智能裝配路徑規劃,得到最優裝配序列。以模塊裝配為例,整個裝配過程時間約27min,較專家經驗值32min更優。測試其他關鍵部件,仿真精度在±5%之內。

相比傳統經驗依賴的標準工時設定方法,該數字孿生模擬技術提高了設計階段標準工時的科學性和準確性,為設計評估提供了有力支持。

3 制造階段的標準工時實時監控

3.1 5G和移動測量技術概述

5G 是新一代移動通信技術，面向離散型產品,具有高速率、大連接、低時延等特點[5]。移動測量集成了傳感器、定位等技術,實現對物體運動的實時測量,是工業互聯網的重要組成部分。將5G和移動測量技術應用于制造過程,可以實現對標準工時的實時監控。

3.2 基于5G的制造過程標準工時監控系統

該系統包含數據采集終端、通信網絡和數據處理平臺三部分。數據采集終端整合MEMS傳感器、UWB等,采集人員和設備的狀態數據。5G網絡承載移動測量數據,確保毫秒級延時。數據處理平臺利用AI算法分析各工序時間數據,與標準工時模型對比,實現制造過程的標準工時監控。

3.3 實時監控數據應用實例

某型號電子產品生產線進行改造后,首次生產時安裝了該實時監控系統。結果發現,后蓋板裝配實際時間比原標準工時數據超出20%以上,定位為后蓋板對正過程中存在問題。現場技術人員驗證后,調整裝配工藝,問題得到解決,裝配時間降至標準值范圍內。該案例驗證了實時監控對制造過程標準工時的控制效果。

4 使用維護階段的標準工時優化

4.1 增強維修技術簡介

增強維修技術通過在維修人員佩戴的AR設備上相關信息,實現對維修過程的信息化增強,具有作業指導、狀態監測、數據記錄等功能[6]。增強維修技術的應用可以提高維護保障的質量和效率。

4.2 面向增強維修的標準工時動態調整方法

該方法包含雙閉環機制:內環是維修過程數據的實時采集、分析和反饋;外環則利用長期數據積累進行標準工時模型調整和優化。內環可以實現維修標準工時的動態調整,外環則持續改進標準工時數據庫。

4.3 標準工時優化應用案例

某型電子產品進行定期維護時,DL算法分析歷史數據,預測維護標準工時應調整為45min。過程數據反饋實際總時間為43min。將數據存入平臺后,該電子產品維護標準工時自動更新為新的經驗值。該案例顯示該方法可以持續優化產品的標準維修時間。

5 全生命周期標準工時數據管理與應用

5.1 標準工時數據積累與反饋方法

在面向生命周期的標準工時管理框架中,實現全生命周期標準工時數據的有效積累與反饋應用是關鍵[7]。各生命周期階段的標準工時數據均集中存儲在標準工時知識庫,與設備模型和BOM 相連接,形成產品信息閉環[8]。同時,構建學習機制,實現標準工時不斷優化。

5.2 數據應用實例

某電子產品在設計階段的數字孿生標準工時數據與生產過程監測數據存在偏差。經反饋優化后,新設計方案的標準工時模擬結果提高了準確度。該產品的維護保障時長也降低了8%。這表明生命周期數據管理可以推動標準工時的持續改進。

6 總結

文章針對離散型產品生命周期的特點,設計了一整套面向全生命周期的標準工時智能化管理方法。設計階段采用數字孿生技術實現標準工時智能模擬;制造階段設計基于5G的標準工時實時監控系統;使用維護階段提出面向增強維修的標準工時動態優化方法;構建全生命周期標準工時數據積累與反饋應用機制。研究表明該方法可以有效提高離散型產品標準工時管理的智能化水平。