对飞机工装制造效率提升的研究

林明路徐腾飞付仕

摘要：通过对用于飞机装配的工程装备（简称工装）制造方面进行分析，在工装设计与返修、工装工艺设计与采购、工装生产与外协、工装的物理信息全覆盖、系统融合这五大部分中，针对工装制造效率低下问题，提出提升效率的方法与展望。

关键词：飞机工装;工装设计;工装生产;工装工艺设计

中图分类号：V262.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）11-0079-03

Abstract： Based on the analysis of the manufacturing of engineering equipment for aircraft assembly， the methods and prospects of improving efficiency are put forward， aiming at the low efficiency of engineering equipment manufacturing in terms of five parts of engineering equipment design and repair， engineering equipment processing design and procurement， engineering equipment production and outsourcing， full coverage of physical information of engineering equipment， and system integration.

Keywords： aircraft engineering equipment; engineering equipment design; engineering equipment manufacturing; engineering equipment processing design

现有国内的飞机制造厂商，大多存在同时进行某一型号飞机规模批产、某一型号试验生产、某一机型研制生产的现象[1]。由于飞机的机型多，在获取型号合格和试航审定所需要的数据与证据的前提是：用于飞机以研制和试验机型为主要任务的工装生产要保质、保量。当然，工装的生产不仅仅包含研制和试验机型，也包含已经使用工装的改进升级、功能优化、损坏维修等[2]。飞机的机型多，相应的，飞机生产的周期就长，生产成本就高，用于辅助飞机制造的工装的数量就多、型号就复杂。但限于有限资源，工装生产压力巨大。因此，有必要对影响现有工装制造状况的情景进行综合描述与分析，并且提出具有指导意义的提升工装制造效率的策略。在深入调研了国内几家飞机制造厂，梳理出影响飞机工装制造效率的几大主要因素：工装设计与返修、工装工艺设计与采购、工装生产与外协、工装的物理信息全覆盖、系统融合。

1 工装设计与返修

现有的技术条件，工装的设计在国内仍以串行模式为主[3]。设计得到的工装指令来源于三个途径，第一是研发本体的数模或者坐标，附带有技术要求;第二是现场实际操作中，需要某种辅助类的工装;第三是装配过程中，飞机本体的实际误差导致工装重制或者返修。为提高工装设计与返修的生产效率，可选取以下多种策略。

首先，柔性思维，鼓励设计人员进行柔性创新思维。工装的刚性结构的改进，比如装配型架类的刚性结构，升版为可调节的、带活动定位的柔性结构。研发探索框架结构的整体固化成型技术，减少标准工装和辅助工装的数量。其次，集成式思维，工装的集成式和模块化的设计，可以为生产并行与维修更换节省时间，实现工装快修，提高效率。然后，设计方向的专业化，同类型的设计任务由专员进行，按照：装配工装、标工、检测工装、地面设备、模具模胎五大类分工，设置合理工时。同样，是零件库、工具库模块的建设，这能提高快速设计能力与工装的简易化设计水平。产品设计辅助系统通过机械设计、仿真模拟、电气设计等辅助软件，改善设计人员在产品设计过程中的工作效率，减少设计与制造的成本，主要体现在数字化协调和管理的框架中。甚至，计算机的更新换代、采用多屏显示器，通过提高计算机处理能力也能提高工装设计效率。

另外，工装的制造车间与使用厂房通常是异地，国内处理工装的返修或者报废处理，仍是需要专门在现场与使用厂房进行协调的人员[4]。过去，是“推送过程”：由计划科室调度或者现场主管转交需求，结果工装生产周期长、问题交接不清。而新兴的“联络员”岗位，是“拉式过程”：安排对于现场缺少的保护工装、辅助工装要有足够的能力识别并且转化为可操作的需求的人来担任，进一步缩短工装返修或者报废处理的周期。

2 工装工艺设计与采购

工装设计阶段完成，过去，打印出设计图纸和3D数模[5]，现场施工人员需要图纸作为主要依据，时代越来越强调无纸化，目前在移动终端实现三维数模的预览，包括原材料、技术指标、工作节点、责任流程等，大幅度提高现场对于工装的理解程度，提高现场施工的工作效率。在工装图纸与工装生产中，起到把关工装设计的可行性与瑕疵性，起到合理分配工时与安排工序的就是工艺设计阶段的主要任务。工艺知识领先，大量的工艺基础知识储备，对于形成标准化工艺，智能化建立标准工艺具有举足轻重的意义。在工艺设计阶段，主要存在新制、复制和返修工装三大类。工艺编制阶段，以往存档仅是针对图纸，现在对以下内容均进行云存档：设计图纸与三维数模;标准件、品牌件，甚至原材料的采购单;工艺路线的编制;数控加工编程程序，以及以上相关设计人员、操作人员、计划人员和节点安排的全生命周期电子存储。而基于模型的协同平台，则是将系统的表达由“文档为中心”转变为“模型为中心”，建模要基于统一的语言，从设计模型、制造、检测、返修几个方面，全面支持系统需求、设计、分析、检验等活动，贯穿工装的全生命周期。

编制工艺文件需要构建工序检查和云存储系统，以便于复制、返修工装的工艺能实现快速编制与下发[6]。编制的材料清单需要云存储，以便于快速下单，基于大量的电子文档下的专家系统，可运用神经网络与深度学习的算法，智能搜索并推荐合理的材料采购方案。当然，与不同的供应商建立合理的采购系统，会提高信息沟通效率。另外，采购仍是限制现场加工进度安排的一个重要因素，打破采购、物流、生产制造商三者的“信息孤岛”是采用三方平台与云计算系统后，从设计阶段就产生自动预定的库房材料，有效缩短产品制造周期。

3 工装生产与外协

零部件制造工艺复杂，零件材料涉及有色、黑色金属以及复合材料，零件结构异型多样，高精度复合加工设备要求高，切削性能差，工艺过程涉及许多工种、工位高度交叉[7]。新型号任务多、批次及三包工作量不均衡，对于生产工序、人员依赖性强，目前国内外智能制造研究的主要方向是在线采集及状态传感器技术。通过信息系统及传感技术，零件全过程加工要实现融合分析，优化产品制造工艺，改进运营模式。图像识别技术，将CATIA的三维数模与二维图纸进行模糊识别与机器学习算法计算，经过大量的学习，实现工艺优化，自动生成工艺流程。防错系统体系的建立：实现程序纠错、原材料纠错、上料纠错、设备程序使用纠错等防错体系，生产数据不丢失，不能随意被篡改。

过去，用以传统机械加工的车床、机床占厂房空间巨大，因此必须合理的设备规划减少每次的调运距离，提高运转效率[8]。在“去地基化”的追求中，工艺与设计的融合，配合现场基础机床加工与转运，实现小型工装的小批量、多型号生产，在多台AGV小车的基础上，配合机器人手臂，实现双三轴驱动配合，这种“蚂蚁啃骨头”能灵活、高效、智能的对工装实现打孔、焊接、切割、磨抛的任务，解决特征复杂多序加工的部位，将大大减少装夹次数，实现精密加工。

大型架构的工装，传统机械加工需要多次切割、多次焊接、多次测量，采用多机加机器人移动加工，能够实现加工误差补偿，自主寻位，实现加工前测量确定尺寸状态，加工后测量实现质量评估。从数控机床到复合机床，再到智能加工现场，工装生产的去人工、去搬运、去工序能力越来越强。智能化的自动识别加工特征、自动防止刀具与工件干涉、机床诊断、在线监测与机床监测、在线测量。而骨骼机器人的使用，使材料搬运不局限于行车吊运，也适用于短距跨厂房搬运。针对复杂曲面、异性工装，采用增量制造方法，如3D打印。

零件的管理工作，比如对现场加工的6S管理，避免出现加工零件的混乱、损坏、丢失现象，尤其是工装上，坚决杜绝“多余物”，因此零件库的高精准借出与归还系统十分重要。工装数控操作人员的技能和安全素养提升，适时进行技能大赛和安全生产竞赛。工艺员的编程、统筹与技术能力也是影响数控加工和工装生产流程的重要因素，流程的缺失会造成现场操作的混乱，编程的失误会造成工装的报废，带有工艺规划的编程系统，无疑提高工艺的编制效率。

机械加工的维护与系统升级，检测机械的加工精度，不定期与定期相结合的机械保养，对于延长机加设备的寿命，减少因为机加设备的故障而产生的停工，影响加工节奏。

部分零部件或者工序的外包，开发的一体化平台，合作伙伴的产品设计参与，框架协议的签署，缩短了工装的制造周期。针对众多合作伙伴、供应商，建立多渠道、多维度的评价机制，对于提高工装的质量也越发重要。

4 工装的物理信息全覆盖

工装标牌或者标志由过去的大量文字信息，发展为条形码与二维码的使用[9]。通过扫描工装二维码，可以直接反馈工装的设计要求，基准点，工装的制造者，工装的生命周期与定期检测周期，以及返修时间、次数、位置等。工装的场景信息反馈更加高效，在扫描完工装的信息后，根据不同权限，即可报告工装的维修或者返修要求，并且监督进度。而带有执行器与传感器的工装可实现工装的智慧化。VR场景化的物资查找定位，数字化的提醒使用位置与功能。

5 系统融合

目前，大多数飞机制造公司，仍然是存在至少上百个独立的、或者完全不同的系统，在工装的实现过程中，系统会在一定条件下连接，但是在语义不同的情况下，有部分企业尽管实现了多种系统的融合，但无法实现对数据的完全整合[10]。在信息流通过程中，就会出现遗漏、错误，并且消耗大量毫无意义的时间。在实现更多系统融合的云存储，实现一个系统解决所有问题是未来的趋势。

企业经营层在ERP系统融合MES系统，综合设备基本信息、物料库存信息、生产计划与生产指令，结合工艺设计完成车间的生产计划、采购库存、成本核算、产品销售、决策分析等管理工作;制造执行层基于工厂模型、生产模型及事件模型，完成数字化车间的作业计划、调度分析、生产过程追踪、质量监控、设备管理、自动预警与控制、能耗控制等执行类工作;过程控制层对生产中的物流、产品质量、人员监控、物料监控、环境监控、工艺参数等进行收集和分析，形成集成化的数据管理;智能设备层由物流AGV配送系统、智能机器人系统、物流中心自动化立体仓库等多种关键智能系统及设备构成。

产品设计及相关的文档将在企业设计、工艺、生产、销售、产品维护的全过程被引用，数据引用与融合，人员之间、部门之间协同工作。设计部门、工艺、制造、检验、质量部门产生的产品研制数据，包括工装数据、三维模型、二维图样、工艺数据、标准规范、设计数据等，需要共享，实现云存储。尤其是出现设计更改，相关底层设计师要能知道上层设计的具体设计要求以及更改的具体数据，变更查看的实时性，并且要带有响应，而且要保存这种更改的数据。建立车间现场设备互联互通网络，自动采集质量数据和生产过程数据，实现现场透明可控。

数字化车间项目总体规划出发，包括设计模式、生产模式、业务流程、设施与物流、物料编码规范、IT总体规划等方面规划、集成与业务重组，也涉及生产线的建设、设备采购与安装、基础设施建设、硬件采购安装、多系统集成。总体规划必须考虑航空制造的特点与精益生产相结合，构建工厂信息模型和工艺仿真技术，优化和重构生产工艺流程。集成数控机床、原点定位系统、柔性夹具、虚拟模拟装配场景、精密探测、机器人等，信息化设备的自我学习能力，基于数字孪生的多源自动化设备、机器人自动寻位等协同控制，实现零件的下料、粗精加工、检测、修偏等应用。移动对接平台，集成IGPS导航系统、多维传感器、多套数控定位器、移动机械臂的AGV等，实现姿态自动调节，实现误差检测与补偿。

6 结束语

现在，国内飞机制造企业在不同程度上，由“硬性制造”转向“柔性制造”，进而升级为“智能制造”。在工装制造过程中，互联网的基础作用更加明显，“跨尺度、可移动、多工况”的思维趋向明显，在工装设计与返修、工装工艺设计与采购、工装生产与外协、工装的物理信息全覆盖、系统融合这五大板块，对于复杂工装的机械加工处理能力要求更高，去地基化更加明显，厂房将不再是限制加工生产工装的障碍;智能系统处理能力，通过大量的原始资料的积累，利用近些年兴起的图像处理与机器学习等人工智能方式，提高工艺、编程能力，降低劳动强度;提高或者优化不同机器、软件、系统的语言通用性，提高工装电子数据及其相关性全生命过程的完整性，集智慧机床、智能机器人、大数据物流信息、人员管理系统等多系统融合能力，支持高效率、低成本的实现对工装研制、批产的支持。

参考文献：

[1]党卫兵，徐增光，郑丹力，等.基于MBD的航天设计制造一体化研究与应用[J].空天防御，2018，1（03）：38-43.

[2]朱静，杨晖，高亚辉，等.基于模型的系统工程概述[J].航空发动机，2016，42（04）：12-16.

[3]王成恩，等.产品生命周期建模与管理[M].科学出版社，2004.

[4]智能制造系统解决方案供应商联盟.智能制造系统解决方案案例集[M].电子工业出版社，2019.

[5]许国康.大型飞机自动化装配技术[J].航空学报，2008（3）：734-740.

[6]姜澄宇，王俊彪.我国大型飞机研制中的关键制造技术[J].航空制造技术，2009（1）：28-31.

[7]朱绍强，徐健.工装质量控制改进与实践[J].西飞科技，2003（4）：21-24.

[8]刘洪.飞机工装设计制造技术探讨[J].航空制造技术，2006（12）：9-71.