飞机结构件柔性生产系统设备布局分析与优化*

（航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610092）

结构件是飞机机身的连接与承载单元，对飞行性能有重要影响。飞机结构件主要通过数控加工生产，经过几十年高速发展，我国飞机结构数控加工技术已经取得了长足进步。新一代飞机快速研制和批量生产是国家防空安全的重要保障，为实现这一目标，结构件制造面临提质和增效两大难题。柔性制造系统是实现飞机结构件智能制造的基础载体，为飞机结构件制造转型升级提供了有效途径。飞机结构件加工具有科研、生产混线，小批量、大柔性等典型特征，在构建柔性制造系统时需要从设备布局、物流运输效率、生产现场信息管控等多方面考虑，其中设备布局和物流设备规划是柔性生产线建设前期规划的重点。

目前关于探索构建航空、航天智能车间的研究颇多，大都集中于探讨智能制造的特征、内涵以及智能制造实施的总体框架[1–2]，其中一些研究对构建柔性生产线的关键技术进行了分析[3]，特别强调了智能生产设备和自动化物流系统的重要性[4–5]，但关于智能生产设备布局以及物流设备初期规划的报道鲜见。在自动化物流系统的研究方面，学者们相对集中地研究了基于排队理论的AGV调度控制研究[6–8]，这些工作都基于生产线已经建成，AGV（Automated Guided Vehicle）数量已经配置到位，通过优化调度系统来提升系统的产能。刘建等[9]的研究表明，在既定车间自动物流系统中，AGV 过多会造成交通拥堵，AGV 过少会导致货物等待时间过长，这两种情况都会影响生产效率。虽然，物流系统调度控制优化有助于改善生产效率，但在柔性制造系统拓扑结构既定的情况下，系统的产能难以发生质的飞跃。张春远等[10]通过遗传算法仿真研究了AGV 配置数量与产品产量之间的关系，结果表明合理的优化AGV 配置不仅可以提升效率还可以控制成本。由此可见，在柔性生产线规划设计初期，综合考虑物流设备数量和加工设备工艺布局的影响，对于柔性生产线建设效果具有举足轻重的作用。

本文将深入分析飞机结构件数控加工工艺流程特点，以此为基础开展飞机结构件柔性生产系统设备工艺布局分析及物流设备优化研究，为建设高效、高产的飞机结构件柔性生产线提供理论指导。

构建结构件柔性线的难点

飞机结构件加工工艺流程是建设柔性生产线的重要参考依据。如图1所示，飞机结构件槽腔特征复杂、繁多，通常完成单项零件的加工需要翻面或多次变换工件的装夹定位。与其他行业大批量、工序单一的生产线加工相比，用于飞机结构件加工的柔性生产线要适应一个零件的多个加工工序。零件多次装拆，长时间及多次占用柔性线装卸位，零件与托盘装拆卸过程人为因素影响明显，装拆时间波动大，使得加工过程管控难度增大，为构建柔性生产线带来了挑战。

其次，如图2所示，飞机结构件种类繁多，单项零件批量小甚至是单件。因而，专用工装种类多、占比大，导致在柔性生产线有限存储空间中，工装库存量大，毛坯和成品存储空间占比小，物流转运能力受限。

此外，柔性线装夹装卸货位数量较少（如图3所示，通常为1~2 个，若柔性线装卸货位太多则占地面积大，会损失加工设备空间和立体库存储空间），而在飞机结构件制造过程中，由于零件加工需多次变换装夹定位或翻面，零件装夹过程时间较长时，极易出现立体库库外工装、毛坯等待装夹，立体库库内零件、托盘等待拆卸的现象，使得零部件装拆工序成为提升柔性线生产效率的瓶颈。

飞机结构件柔性线布局设计

建立飞机结构件柔性生产线，设备布局设计既是基础也是核心。设备布局设计的关键在于能够充分解决飞机结构件加工流程中所面临的瓶颈问题。

（1）设置零件二级装夹模式，第1 级为毛坯和工装的精细装夹，在车间集中装卸区完成；第2 级为工装、毛坯的合装体与机床可交换工作台的快速装夹，在柔性生产线装卸站完成。第1 级装夹完成，工装和毛坯的合装体进入立体库存储。收到车间调度命令后工装和毛坯的合装体被运输至柔性生产线的装卸站与线内可交换工作台进行快速装载并等待加工调度。单面零件加工完成后，在柔性生产线的装卸站快速拆卸零件、工装的合装体与可交换工作台。合装体返回集中装卸区拆装、翻面、再装夹形成第二面合装体，并再次等待入线与可交换工作台装载后加工。通过两级分层装夹布局模式，零件翻面装卸的工序被分割成与两个独立单面零件等效的加工流程，可以有效解决飞机结构件多次变换装夹、长时间占用柔性线装卸位、加工过程管控难度大的难题。

（2）设置线边缓存库与中央立体库相结合的零件存储管理模式。线边缓存库紧靠柔性生产线建设，用于存储毛坯（或零件）与通用工装的合装体，存储货量至少可以满足柔性生产线单个周转期的物流交换量，确保柔性线实时具备自动排产的物料。中央立体库的设置需综合考虑厂房所有柔性生产线和物流的布局，用于存放毛坯、通用工装以及成品零件，存货量需满足车间内所有设备至少一个周转期的物流交换量。线边缓存库通过车间物流系统与中央立体库进行物料交换，中央立体库通过对外物流与车间外进行物料交换。二级存储模式将车间庞大的物料分层管理，一方面减轻了中央立体库的货位数量压力，另一方面提升了生产系统抗物流扰动的能力。尤其是降低了对车间AGV系统准时性的要求，AGV 数量及交通规则制定仅需根据每个周转期的货量规划即可，无需依赖复杂的调度优化算法。

图1 典型的复杂特征飞机结构件Fig.1 Typical aircraft structural part with complex characteristics

图2 种类繁多的飞机结构件Fig.2 A wide variety of aircraft structural parts

图3 柔性生产线及装载站Fig.3 Flexible production line and loading station

（3）设计通用工装与可交换工作台快速装夹接口。通用工装的装夹接口分为上下两部分：上部接口依据零件的定位夹紧需求设计为精细装夹；下部接口依据通用工装在柔性线装卸站的快速装拆需求设计，采用零点定位系统实现,如图4所示。通过快速装夹接口，大大缩短了零件（或毛坯）与通用工装的合装体在柔性线装卸站的停留时间，提升了装卸站的利用率，从而解决了零部件装拆工序效率的瓶颈问题。

柔性生产系统工作流程

根据上述关于柔性生产系统的布局分析，可通过图5所示的柔性制造系统对飞机结构件的加工流程进行基本描述。

首先，通用工装和毛坯通过库区堆垛机由物料入口进入中央立体库分区管理。当中央立体库收到车间生产计划后，通过库区堆垛机将毛坯和通用工装运往集中装夹区进行合装。合装体再次由库区堆垛机放入中央立体库等待物流调度。当中央立体库收到柔性生产线的物料请求后，由车间物流系统将毛坯与通用工装的合装体运送到柔性生产线的装卸站。与此同时柔性生产线会通过RGV（Rail Guided Vehicle）从线边缓存库调度可交换工作台到装卸站，通用工装与毛坯的合装体通过零点定位系统与可交换工作台进行快速装夹组成待加工的装载体，并由RGV 运送到线边缓存库进行存储。线边缓存库、RGV、装卸站以及机床的加工情况都由柔性线的管控系统统一管理。管控系统会根据机床加工状态灵活地从线边缓存库调度待加工的装载体进入某台机床进行加工，加工完成后的装载体由RGV 再次调度进入线边缓存库缓存。柔性生产线管控系统监测到装卸站空闲时，会调度加工完成的装载体到装卸站进行拆装。拆装后的可交换工作台返回到线边缓存库，而零件与通用工装的合装体则会返回到中央立体库进行储存。当立体库监测到集中装夹区有装夹空位时，库区堆垛机调度零件与通用工装的合装体到空闲装卸站进行拆卸。工装和零件再次通过库区堆垛机调入中央立体库分区管理。经过一段时间生产制造，零件在中央立体库达到一定批量，由物流统一转运交付。

除了柔性制造系统完整的装夹、存储和物流系统方案，在柔性线机床的选型和布局上还需要考虑批产和定制生产的能力。在飞机结构件柔性制造系统中，同一条生产线由同种类型的机床组成，这些机床在加工功能上彼此可替代，即使某台机床出现故障依然可以保持所加工产品具有较高的批产能力。此外，不同柔性线的机床拓扑结构和尺寸不同，在加工能力上彼此之间具有互补功能，彼此间通过物流系统灵活配合，从而确保柔性系统具有小批量定制生产能力。

物流设备计算及布局优化

物流系统是保障柔性生产系统物料流通的纽带，其中物流设备数量既关系到前期建设投入成本又关系后期物料流通能力和运行效率，是物流系统建设关注的重点。车间整套柔性生产系统中主要的物流设备包括车间AGV、柔性生产线RGV 以及中央立体库堆垛机3 类。由于车间柔性生产系统设置了中央立体库和线边缓存库相结合的二级缓存机制，中央立体库堆垛机和车间AGV 没有出货节奏要求，其数量主要由中央立体库转运的货量、车间工作时间及设备运行周期决定。

图4 工作台与通用工装快速装拆接口Fig.4 Rapid loading and unloading interface between table and tooling

图5 飞机结构件柔性制造系统示意图Fig.5 Sketch map of flexible production system of the aircraft structural parts

设定t小时需要转运的货量为Q，每台设备的运行周期为s，每台设备的运输量为q，那么堆垛机和AGV的数量都可以采用以下表达式进行计算：

式中，n为计算所得堆垛机或AGV的数量，k为冗余系数（k越大物流系统冗余能力越强，但成本也会增加，相应AGV 调度复杂性增加），m为备用设备数量（根据平均维修及充电时间拟定）。

与AGV 和立体库堆垛机不同，RGV 需要实时配合柔性生产线内机床的加工任务，柔性生产线的生产节拍由线内RGV 的效率保证，线内RGV 运行状态成为整个柔性生产系统顺利运行的关键。为保证柔性生产线内部具有足够的物流能力，进行RGV 数量规划研究意义重大。为此，需通过算例仿真计算柔性生产线中不同数量加工设备对应的最佳RGV数量。

设定柔性生产线共需要加工y个工件，RGV 从某台机床取出加工成品并送入毛坯件过程时间为x分钟，线内共有w台机床共用一台RGV，每件工件所需加工时间不超过r小时（任意时刻查看w台机床的剩余加工时间为0~60min 的随机数）。该条柔性生产线设备平均空闲率可以在Matlab 中通过以下代码算法进行仿真：

%定义单次RGV 延误时间存储器

M=zeros(1,y/w);

%定义延误时间累加计算因子

N=ones(1,y/w);

%定义平均每台机床需要加工零件数

for k=1:(y/w)

%定义w台机床单次循环延误计时器

T=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0…];

%生成每次查看w台机床随机结束时间

A= rand(w,1)×60r;

%对w台机床结束时间进行升序排序

B=sort(A);

for i = 1:(y-1)

if B(i+1)-B(i)

%w台机床延误时间迭代算法

T(i+1)=x-(B(i+1)-B(i)); B(i+1)=B(i+1)+T(i+1);

else

T(i+1)=0;

end

end

%延误时间集合

M(k)=sum(T);

end

%平均每次循环机床耽误时间为

e=mean(M);

end;

那么单台机床的平均每天的空置率可以表达为：

式中，e为所有机床单次查看平均空置时间，y为所需加工零件数量，w柔性线的机床数量，z为给定零件数量机床工作天数。

根据柔性线机床常规布局习惯，给定算例条件为：每项零件加工时间为2h 以内随即数，每台机床每年总零件数约为4200 件，每天工作24h，分以下4 种情况讨论柔性生产线机床的空置率：

（1）RGV 更换毛坯周期为4min，柔性生产线共有5 台机床；（2）RGV 更换毛坯周期为4min，柔性生产线共有10 台机床；（3）RGV 更换毛坯周期为2min，柔性生产线共有5 台机床；（4）RGV 更换毛坯周期为2min，柔性生产线共10 台机床。

根据仿真算例及式（2）可得机床在4 种条件下空置率情况如图6所示。根据表1数据，分别对比图6（a）与图6（c）、6（b）与图6（d）可知，将RGV 运行周期减少一半，机床的空置率可大幅度降低，在1台RGV 负责5 台机床的情况下，空置率可降低52%，在1 台RGV 负责10 台机床的情况下，空置率可降低55%。分别对比图6（a）与图6（b）、图6（c）与图6（d）可知，当RGV 运行周期一定时，减少单台RGV 覆盖的机床数量可以降低机床空置率，但改善效果远不如降低RGV 运行周期明显。因此，在构建柔性生产线时，为了提升数控机床的设备利用率，第一要务是降低RGV 的运行周期，其次是减少单台RGV 的覆盖的运输范围。

对于给定工作性能的RGV，其最大运行速度和加速度都有限制，为了降低运行周期只能缩短RGV运动的路程，因此尽量压缩柔性生产线的长度是有效方法。其次，在给定长度的柔性生产线上，还可以尽量减少单台RGV 的工作覆盖范围来提升线内设备利用率。另一方面，制造企业总期望能在有限的空间上最大化柔性线的产能和设备利用率，从而形成最大利润。综合这些因素，图7所示的单线–双车–双排机床布局将是柔性线最佳的方案。该方案中，柔性生产线占地空间利用率高，单台RGV 覆盖范围得到控制，同时RGV 在线内运行周期得到最大化压缩。图7所示的方案基本可以实现图6（c）算例中RGV运行周期为2min，单台RGV 覆盖5台数控机床的运送任务，针对算例给定加工任务，整条柔性生产线的空置率能够被控制在1.73%。

图6 不同机床数量及RGV运行周期时机床的平均空置率Fig.6 Average vacancy rate under different machine tools and RGV operating cycles

图7 最佳的柔性线布局图Fig.7 Optimal layout of the flexible line

结论

本文以构建面向智能制造的飞机结构件柔性生产系统为目标，对当前飞机结构件数控加工工艺流进行了深入分析，指出构建飞机结构件柔性制造系统的难点在于3 个方面：（1）零件变换装夹，长时间占用柔性线装卸位，柔性线加工过程管控难度大；（2）工装量大，毛坯和成品存储空间占比小，立体库物流转运能力受限；（3）零件进出和变换装夹在装卸站形成物流瓶颈。

针对上述难题，提出了二级分层装夹布局模式、线边缓存库与中央立体库相结合的零件存储管理模式及设计通用工装与可交换工作台快速装夹接口3 种措施结合的解决方法。在此基础上，详细描述了柔性制造系统的工艺布局及工作流程，对物流设备工作需求进行了分析，给出了中央立体库堆垛机和车间AGV 的数量的基本计算方法。此外，还对柔性生产线节拍保障关键环节RGV 数量和布局进行了优化研究，并提供了相应算例说明，最终给出了柔性生产线的最佳布局方案，为面向智能制造的飞机结构件柔性制造系统构建提供重要理论指导。