航天地面设备制造型企业柔性制造方式探讨

姚小卫 乔迎军 王海平 刘 飞 赵玉龙

现代管理

航天地面设备制造型企业柔性制造方式探讨

姚小卫 乔迎军 王海平 刘 飞 赵玉龙

（山西航天清华装备有限责任公司，长治 046000）

针对多品种、变批量、快节奏的航天地面设备产品制造，简单阐述了柔性制造的基本原理、构成和国内外应用情况及效果。并介绍了柔性制造涉及的成组技术、零点定位技术、信息化技术等关键组成，根据需求探讨了相关技术结合可行性。提出了基于柔性制造思想的航天地面设备产品制造的改善思路和实施模型。国内外多个企业应用实践表明，柔性性制造技术对航空、航天类产品制造的综合效益有明显改进，能够确保产品质量，提高生产效率，降低生产成本。

柔性制造；成组技术；零点定位；融合

1 引言

随着以数字化、信息化、智能化制造为标志的新工业变革席卷全球，“德国工业4.0”、“美国工业互联网”等一系列有关先进制造的政策与计划应运而生。面对机遇和挑战，中国提出了“中国制造2025”规划和具体要点，涵盖航空航天装备领域，鼓励优势企业开展柔性化订制生产，增品种、提品质、创品牌[1]。2016年，中国航天科技集团有限公司组织召开了航天先进制造技术国际研讨会，进一步落实“制造强国”规划，筹备“航天制造2025”、“智能制造”等专项活动[2]。

2 航天地面设备制造型企业面临的问题

面对机遇和挑战，航天地面设备制造企业也积极提出了应对措施。但随着国家政策、总体市场环境的变化，航天地面设备制造型企业生产方式呈现出多品种、变批量、快节奏的典型特点，生产成本居高不下、质量稳定性不高、准时化交付压力越来越大，具体表现为：a.研制能力强，批产能力弱，生产模式为研制、批产混线生产；b.根据产品功能、结构、工艺特点，设立对应的车间、工段，设备布局多采用机群式布局；c.短期内不能形成多品种快速批产能力，生产管理多采用延长工作时间、增加临时外包方等方法满足客户需求；d.生产计划频繁调整，生产现场频繁换产；e.生产准备调整时间长，设备常处于停机待产状态，高价值的大型加工设备的利用率普遍低于行业平均水平；f.信息化建设不足、应用不充分，基于传统的人工生产组织与管理不能适应快节奏的多品种变批量的生产模式；g.生产一线、建设人员、操作人员、生产辅助相关人员常年加班加点，劳动强度大，工作积极性不高。

另外，随着国家军民融合战略、军队体制机制改革和创新驱动发展等国家战略的逐步推进，军事装备领域更加开放，准入门槛不断降低，国内优势民营企业不断参与传统领域的市场竞争中。而民用行业体制、机制灵活、市场化运作能力强，尤其部分民用特种装备类企业技术基础好、制造能力强，使航天地面设备制造企业在外部合同履约能力、内部生产成本管控上，都面临较大风险。面对现状，企业急需探寻、改善制造方式，确保产品质量，提高生产效率，降低生产成本，准时交付。

3 柔性制造基本情况介绍

3.1 柔性制造的基本原理

柔性制造是适应市场个性化、多样化的需求，提高企业市场竞争力的综合性技术。柔性制造方式是在继承和发展传统制造技术的基础上，同时综合应用成组技术、精益生产（准时化、自动化）和计算机集成制造技术等先进技术构建的柔性制造系统。从生产现场布局划分，柔性制造系统可分为柔性制造单元、柔性制造车间、柔性装配线等等。

3.2 柔性制造应用情况

3.2.1 国外应用情况

上世纪八十年代末，为加快导弹的舱段及其它机加工件生产进度，美国休斯公司规划和建成一套柔性制造系统。沃特宇航公司投资1000万美元，完成一套柔性制造系统的建设，用以加工B21B飞机的精密零件。普·惠公司在用户资金支持下，建成一套柔性生产线以加工喷气发动机的叶片、涡轮盘等典型零件；美国通用公司也在同时期构建多个柔性制造系统用于飞机发动机零件的加工[3]。

为提高应对市场需求和响应市场变化的能力，英国发动机制造商罗尔斯·罗伊斯公司投资800万英镑用4～5a时间分批建成16套柔性制造系统，用以生产涡轮、叶片、大机闸等零件。英国宇航公司分期分批新建和改建复合材料构件、钣金件的柔性生产单元、生产线，建成集成化、一体化的柔性生产体系[3]。

3.2 国内应用情况

20世纪90年代，随着计算机技术日臻成熟，国内部分企业开始构建柔性制造系统，如某飞机零件加工的柔性制造系统，它由8台卧式加工中心与检测工作台组成，可以加工600种不同的飞机零件（利用4个具有自动导向的运输车完成零件的传输。两个装卸工作站采用托盘存储与传输加工件）。

近年来，随着科学技术、综合国力的进步，国内民营企业也快速应用柔性制造技术。如针对个性化的批量定制生产的趋势，徐工、三一、中联重科，都建成了一批数字化柔性车间，使得整个制造过程更加柔性化，企业可以快速应对市场变化。

4 航天地面设备制造企业柔性制造应用探讨

4.1 柔性制造涉及的关键技术

4.1.1 成组技术

成组技术是按照产品或事物的相似性，将性质、结构相似的划为同类项合并处理，以优化和减少解决问题的方案，获得经济价值最大化，这种方法普遍应用于多品种、中小批量产品的制造过程中[4]。成组技术符合柔性制造原理：a.设备柔性：按零件加工特点被安排在不同类型成组加工单元中，机床加工的针对性强，换刀时间、组装新夹具所需的时间和机床调整时间缩短；b.工艺柔性：成组加工体现了采用与加工某一零件组相对应的设备组加工零件的能力；c.流程柔性：按流程要求设置各类成组加工单元，属于哪个流程就分配在成组加工单元中加工，提高设备加工的适应能力；d.批量柔性：成组后可以使零件组的生产批量加大，改变单件小批量生产的困境，有利于提高生产效率。

4.1.2 准时化技术、自动化技术

准时化技术、自动化技术源于丰田精益生产模式。精益生产是一种以最大限度减少企业生产所占用的资源和降低企业管理和运营成本为主要目标的生产方式和业绩改进策略，同时又是一种改善的理念和文化[5]。

准时化技术涵盖准时化生产（JIT）、快速切换（SWED）、看板管理、节拍时间（Tack-time）、一个流生产、均衡生产等；准时化生产的核心生产管理组织模式是拉动式生产，辅助目视化看板实现了“在必要的时间生产必要数量的必要产品”的目的，有效消除了生产过量的浪费。

自动化技术是用机器替代人工的相关技术，核心是“自动化缺陷控制”，通过三个主要的技术手段实现，即异常情况的自动化检测、自动化停机、自动化报警。

4.1.2.1 快速切换（SWED）的核心技术——零点定位

为减少机械加工中夹具（如台虎钳、垫块、压块等）更换的辅助时间，实现夹具（包括产品）与机床之间的快速切换、精准定位、可靠夹紧，逐步发展出零点定位技术。

某厂商的零点定位系统包括两部分：零点定位系统（凹头）和定位接头（凸头），零点定位系统通过大直径高刚度的滚珠夹紧定位接头，当给零点定位系统通入一定压力的液压（气压）时，滚珠向两侧散开，定位接头可自由进出零点定位系统；当切断压力时滚珠向中心聚拢并锁紧定位接头。这两部分之间的重复定位精度是0.002mm，同时提供5～30kN的夹紧力。零点定位系统结构示意见图1。

图1 零点定位系统示意

在产品加工前，只需将零点定位系统精确地安装到机床的工作台上，这样零点定位系统中的每个定位系统的位置相对机床来说都是确定的，然后在零点定位系统自带的基准板上装配夹具及工件。在编制加工程序时可以将任何一个零点定位系统作为基准点，这就是“零点”，这些“零点”不会因为更换工装夹具或者更换工件而改变。零点定位系统应用示意见图2。

图2 零点定位系统应用示意

4.1.3 数字化制造

数字化制造是以计算机网络、数据库、多媒体等基本技术为基础，实现了传统制造技术与数字化技术的结合。数字化制造可以根据产品需求，快速匹配资源，进行物料、技术、设备等分析、仿真和生产计划构建，以及产品快速制造的过程控制[6]。数字化制造的核心为设计、控制、管理三个过程的数字化。其中，生产现场主要措施为制造设备数控化、技术文件电子化、现场管理可视化。

信息化是应用先进的计算机网络技术去整合企业现有的生产、经营、设计、制造、管理等业务，及时地为企业的“三层决策”系统（战术层、战略层、决策层）提供准确而有效的信息，以便对需求做出迅速的反应，其本质是加强企业的“核心竞争力”。企业在生产当中广泛运用信息技术，实现生产自动化。

4.2 航天地面设备制造企业柔性制造应用模型

为适应多品种、变批量、快节奏的生产特点，航天地面设备制造企业有必要进行柔性制造模式的改造。结合以上论述，具体改进思路为：a.对现有的产品、专业技术进行系统梳理，建立面向产品或面向专业的产品族或专业族；b.根据产品生产特点确定选取生产特征；c.应用成组技术论证、设计生产布局方式、产线配置、设备型号；d.按数字制造技术对现有的设备进行升级换代，实现加工、检测、装配、试验自动化； e.根据产品情况设计通用化、组合化的工艺装置，并应用零点定位技术，实现品种间快速切换；f.应用丰田精益生产准时化技术（如看板管理、拉式生产），实现现场管理的准时生产；g.应用丰田精益生产自动化技术，提升产品品质；h.围绕生产现场、计划管理，配置必须的信息化管理软件（ERP、MES），实现信息集成管理。航天地面设备制造企业柔性制造技术应用模型见图3。

图3 航天地面设备制造企业柔性制造应用模型

另外，在柔性制造方式的基础上，引进自动化的物流设施、机械人、机械臂等相关辅助装置，通过仿真分析、专家系统建设和大数据平台应用，使辅助装置、加工设备具备一定的智能决策能力。因此，柔性制造是智能制造的基础之一。

5 柔性制造应用效果举例

随着全球化市场的形成和发展，国内外都越来越重视柔性制造的发展。制造柔性化已成为机械自动化发展的重要方向。实践证明, 制造柔性化的效益是非常明显的。如罗·罗公司发动机针对A320发动机及CFM56发动机的盘轴叶片零件，开发了一个柔性生产单元，使涡轮盘的单件时间从5～6个月缩短为2个月，将来可进一步缩短到1个月，使原需36台机床才能达到的能力，现仅用16台机床，配置每班10人（原配置36人）就能达到。国内某飞机制造厂某制造单元通过柔性化改造，形成了多品种小批量柔性加工线，使单件产品效率平均提升40%，操作人员从12人减少到3人。

6 结束语

柔性制造是适应市场个性化、多样化的需求，提高企业核心竞争力的重要手段。面对市场需求和挑战，航天地面设备制造企业应结合产品特点，借鉴柔性制造思想，加快精益生产理念与传统制造技术的深度融合，升级数字化技术、信息化技术,构建传统制造产业的自动化、数字化、智能化为着力点,实现企业高质量、高效率、高效益发展。

1 杨箴立. 对工匠精神的思考[J]. 人力资源开发，2018(8)：30

2 毛凌野. 2018年航天先进制造技术国际研讨会成功召开[J]. 卫星应用，2018(11)：72～73

3 曹运红. 柔性制造系统、柔性制造单元和成组技术的发展及其应用[J].飞航导弹，2004(5)：62～63

4 师智斌. 成组技术在飞航产品生产中的应用研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012

5 林德辉. 中联重科实施精益生产的研究[D]. 长沙：中南大学，2012

6 韩阳，张博林. 数字化制造技术在航空复杂零件加工中的应用[C]. 2019航空装备服务保障与维修技术论坛暨中国航空工业技术装备工程协会年会论文集，2019(12)：623

Discussion on Flexible Manufacturing Mode of Aerospace Ground Equipment Manufacturing Enterprises

Yao Xiaowei Qiao Yingjun Wang Haiping Liu Fei Zhao Yulong

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046000)

In order to meet the needs of multi-variety, variable batch and fast-paced manufacturing of aerospace ground equipment products, based on understanding the basic principles, conposition, domestic and foreign applications and effects of flexible manufacturing, the key technologies involved in flexible manufacturing, such as the group technology, zero-point positioning technology and information technology etc., are discussed. After the feasibility of simultaneously applying the above-mentioned technologies is discussed in combination with requirements, the improvement ideas and implementation models of aerospace ground equipment product manufacturing are proposed from the concept of flexible manufacturing ideas. The application practices of many domestic and foreign enterprises have shown that flexible manufacturing technology has significantly improved the conprehensive benefits of aviation and aerospace product manufacturing, can ensure product quality, increase production efficiency and reduce production costs.

flexiblemanufacturing；group technology；zero pointpositioning；combination

TH186

C

姚小卫（1982），高级工程师，机械制造设计及自动化专业；研究方向：航天地面设备制造技术、工艺管理。

2021-03-26