空客A220飞机舱门精益生产线规划研究

刘 敏，王大维，杨艳瑞，杨五兵

（中航沈飞民用飞机有限责任公司，沈阳 110000）

精益生产是起源于日本丰田汽车公司的一种生产管理方法。其核心是追求消灭包括库存在内的一切“浪费”，并围绕此目标发展了一系列具体方法，形成了一套独具特色的生产经营管理体系[1]。精益生产思想的最终目标是企业利润的最大化。但管理中的具体目标，则通过消灭生产中的一切浪费来实现成本的最低化[2]。因此精益生产线规划主要研究生产线上面积浪费、搬运浪费、等待浪费、动作浪费等行为，通过降低或消除非增值时间，达到提高员工工作效率的目的。目前国内众多学者对精益生产理念进行了大量的研究，其中杨国荣等[3]提出了总装移动生产线构建架构及各系统的基本组成，并以新舟国产涡桨支线飞机精益化构建具体实例证明了精益生产在生产线建设中的重要性；林炜生[4]通过对精益生产、生产线平衡等理论的研究，实现了手机装配生产线平衡改善，提升企业的核心竞争力；王晶[5]采取取消、合并作业工序，平衡生产线节拍以及作业标准化等精益改进措施，优化了雷达数字阵列模块组件生产线，提高了生产线产能。当前，德国的工业4.0为全球制造业描绘出了第四次工业革命的宏伟蓝图，建立人机一体的智慧工厂（Smart factory）。实施工业4.0的核心问题之一是构建智慧工厂的生产线，即将大量先进技术组织为有机整体，并固化为生产线及管理模式，从而通过大幅提升生产效率，将生产线的精益化水平推向新高峰[6]。

空客A220飞机，前身为加拿大庞巴迪C系列客机，是一款窄体、双引擎、中程喷气客机，中航沈飞民用飞机有限责任公司承担着A220项目前、中、后机身，舱门，尾锥，中央翼盒和翼身整流罩7个工作包产品的装配任务（图1）。目前，A220飞机舱门工作包月产4架，按照公司规划目标需求，需保证在现有人力基础上，通过生产线规划改善，满足月产6架的生产能力，由于在以往的舱门布局中，车间着重于装配工艺的实现，即装配出满足客户需求的舱门工作包产品，对现场工时数据、浪费现象缺乏足够的认识，导致员工工作效率低。为了满足舱门爬坡生产需求，需要对当前工艺布局进行改善，消除生产现场种种不良浪费现象，提高员工工作效率，打造精益化的舱门生产线。

生产现场数据采集

1 舱门生产工艺流程

A220飞机舱门工作包单架份需完成8个门的装配任务，分别是前登机门（FPD）、后登机门（APD）、前服务门（FSD）、后服务门（ASD）、前货舱门（CCD–1）、后货舱门（CCD–2）、左应急门（OWEED–1）、右应急门（OWEED–2）各1个，图2为前登机门装配流程图（其他门装配顺序与前登机门相同）。如图2所示，前登机门从主结构定位至存储发运共分为8个站位节拍，除检验调试工位上/下架过程中需使用吊车外，其余各站位节拍之间全部需要采用人工拖车转移。

2 基础数据测量

在生产线规划过程中，各操作工序工时是最重要的基础数据，为了对工时数据准确收集，采用现场观察的时间测量法，对生产节拍内每道工序进行装配时间测量，表1为经过数据统计后舱门结构组件装配周期，其中VA表示增值时间，即客户认为有价值的活动时间，例如完成舱门产品装配的一系列操作，清洁、钻孔、铆接等活动产生的时间。NVA表示非增值时间，即在客户眼中只增加成本，而不增加价值的活动行为产生的时间，例如停滞、等待、搬运、不良动作等产生的时间均属于非增值时间。根据精益改善的原则，在生产线规划中，需要制定策略，消除非增值时间，进而提高单位时间产出比。图3为各站位节拍有效增值时间参考工作人力后得到的装配工时数据曲线。

图1 沈飞民机空客A220项目Fig.1 Airbus A220 program of SACC

图2 前登机门装配流程图Fig.2 FPD assembly flow chart

根据公司规划目标需求，A220项目舱门生产线未来年产量为72架，即月产6架，按照每个月有效工作天数24d、每天工作时间为7.5h计算，生产线节拍CT（Cycle time）为24/6=4d/架。基于上述工时曲线和客户生产节拍要求计算得出新增工装数量如表2所示。

同时，通过现场实际观测，绘制意大利面条图，分析浪费现象的来源，如图4所示，以前登机为例，从现场观测的意大利面条图中可以得出如下结论：

（1）各工位辅助装配设施距离加工位置较远，单位面积产出比非最佳，造成面积浪费。

（2）操作者需要反复拿取搬运零件和工具，产生搬运浪费。

总体布局规划

1 总体布置原则

生产线规划设计是一种将空间、设备与成本等因素，运用科学方法进行分析、研究和选择，从而适应企业的经营管理模式、各环节的变化以及市场对产品需求的多元化要求。它有6个主要目标[7]：

表1 舱门结构产品装配周期Table 1 Operator cycle time of A220 door

图3 舱门装配工时数据曲线图Fig.3 Assembly time data curve of A220 door

表2 舱门工装需求数量Table 2 Quantity of A220 door tooling jig 套

图4 前登机门结构件安装工序意大利面条图Fig.4 Spaghetti diagram of installation procedure for FPD structural parts

（1）工艺要求。生产对象流动顺畅，避免工序之间的交错叠加。

（2）最有效地利用空间。

（3）物料搬运费最少。

（4）保持生产和安排的柔性。

（5）适应组织结构的合理化和管理的方便。

（6）为职工提供安全、方便、舒适的作业环境。

为了确定生产线中的工位、设备、缓存区的数量和位置，同时达到上述规划目标，通常参考以下四种布置形式：产品原则布置、工艺原则布置、产品聚簇布置、固定工位布置。其中产品原则布置是按照生产线要求进行布置；工艺原则布置按照机群进行布置；产品聚簇布置按照分组归纳的方式进行布置；固定工位布置按照工位要求进行布置[8]。

尽管单架份A220飞机舱门产品有8个，但是其装配工艺流程和生产节拍基本相同，因此可以将具有相似工艺路线的工序集中一个单元内，建立柔性生产线，同时相似工序集中在一个单位内便于生产线上辅助设施、工具、器材的集中管理，优化面积的使用，可有效解决当前舱门生产现场存在的由于辅助设施、工具、器材距离加工位置较远而导致的浪费问题，因此综合考虑后舱门生产线整体上应按照产品聚簇式布置，即单元模块化布置。在生产线布局规划中，生产线平衡率是一个很重要的评价指标，用于衡量流程中各站位节拍符合度，其计算公式如下[9]：

生产线平衡率=各工序时间总和/（最长作业时间×总工序数）

图5为采用产品聚簇式布局且消除非增值时间后，得到的理论上8个站位节拍生产线平衡情况，经过计算，生产线平衡率为84.1%。

2 总体布局形式

在确定了生产线的工艺流程、工装设备数量、生产线总体布置原则之后，开始着手具体生产线方案设计，此时需确定生产线布局形式，一般生产线的布局形式见表3。表3为不同布局方式的优缺点对比。

在确定生产线布局形式时，除了考虑工艺流程外，还需考虑各站位节拍之间的物流情况，即通过作业单位物流相关图（穆德图）对各节拍站位进行物流相关强度分析，通常在物流强度分析中将作业单位间的物流强度划分为5个等级，A（非常重要），E（较重要），I（重要），O（一般），U（无关）[8]。图6为舱门生产线的作业单位物流表。通过相关表可以看出舱门整体工艺流程仅上下相邻工序之间存在物流搬运，特别地，在舱门主结构定位，骨架成型、铆接和补铆3个节拍之间存在跨工位物流搬运，其原因在于主结构定位完成后个别支架或者隔板零件需要在补铆工位安装，且零件数量较少，因此物流强度定位I级。

根据舱门装配工艺流程图（图2）以及作业单位物流相关图（图6）可知，A220项目舱门工作包在整体上装配工艺顺序上下衔接，整体上应采用串联布局方式。由于未来舱门需达到年产120架的生产能力，交付节奏较快，因此需要保证生产线持续稳定生产，对生产线应对风险能力要求较高，因此局部瓶颈站位采用并联布局方式，即鱼骨型布局为最佳选择，总体布局方式见图7。

3 详细布局设计

生产线具体规划通常借助AutoCAD等二维绘图软件，将工装、设备模型等投影成二位平面线条图，按照1 ： 1的尺寸在待规划区域内进行放置，上述传统方法仅能在二维的角度上笼统地进行规划，图纸展示效果差，无法从三维空间的角度评价工艺流程的优劣，如吊车的空间布置和吊装方案等[10]。

目前，航空制造企业都采用达索系统公司的CATIA进行飞机设计，故后期的厂房布局和仿真也较多地采 用CATIA、DELMIA或Quest等软件。CATIA对于厂房前期规划这类频繁更改的工作显得效率很低，不适合快速建模工作，且其展示效果较差；DELMIA更适合产品进入详细设计阶段的装配工艺过程仿真等工作，且必须要有详细的数模才可体现其实用价值；Quest一般在汽车等标准化作业程度很高的领域使用，主要用于物流以及生产节拍的精确模拟和优化。与上述软件相比，3ds Max有着强大的建模手段，可以实现CATIA格式的飞机产品、工装外形数据等的无损转换，特别是其特有的网格建模技术在物体建模和修改方面非常高效和灵活。同时3ds Max可以实现全方位的、快速的建模及装配模拟仿真制作工作并可渲染输出高质量的动画和图片进行展示[10]。

图5 聚簇式布置下的舱门生产线平衡图Fig.5 Balance figure of A220 door production line under cluster layout

表3 常见生产线布局方式对比Table 3 Comparison of common production line layouts

在3ds Max软件中按照厂房尺寸快速建立厂房模型，包括绿色通道、厂房立柱等模型，利用CATIA对舱门工装和产品进行模型轻量化后直接导入3ds Max软件中，根据计算得出的生产线所需工装数量、舱门生产线整体布局，将所需工装设备在相应区域内进行排列，在详细规划阶段除考虑本工位占地面积外，还需考虑完成本工序装配流程所需的相应物流周转面积，同时在工装、产品布局完成后，将工位辅助装配设施包括工具、器材、操作者等模型一并导入模型，以便更好地展示三维布局效果。图7为舱门生产线骨架成型和结构补铆站位详细规划效果展示，如图8所示，在进行产品聚簇式布置后，可根据单元内工序配置辅助设施和器材工具，同时单元模块化便于人员管理以及工作熟练度的提升，在有效解决了装配现场的浪费现象问题的基础上，进一步提高了A220飞机舱门生产线装配效率，图9为A220飞机舱门生产线整体规划效果展示图。

结论

本文针对空客A220飞机舱门生产线按照精益和工业工程思想进行了A220飞机舱门生产线布局规划，主要得到以下结论：

图6 舱门生产线作业单位物流相关图Fig.6 Operation unit logistic relationship for A220 door

图7 舱门生产线整体布局Fig.7 Overall layout of A220 door production line

图8 舱门生产线布局细节展示Fig.8 Production layout details display for A220 doors

图9 舱门生产线三维工艺布局效果展示Fig.9 3D process layout effect of A220 door production line

（1）基于精益思想，通过对现场操作的实时观察和记录，识别出现场浪费现象的主要来源，在后续生产线规划过程中，通过将生产线总体布置原则调整为单元聚簇式，实施单元模块化管理，同时配合单元内相关辅助设施的集中配套管理手段，杜绝了搬运浪费现象，提升了员工工作效率，经过统计，单架次舱门工作包产品节省人力搬运工时94h。

（2）基于3ds Max软件的厂房布局规划，展示效果更加逼真，通过各个工位工艺流程的人体工程学模拟，优化了舱门工区的占地面积，在满足装配生产需要的前提下节省舱门工区生产面积416m2。

（3）空客A220飞机舱门精益生产线规划，以现场实测装配工时、识别现场浪费现象为基础，以工业工程方法为依据，以计算机辅助软件为实施手段，最终制定出了满足爬坡生产需求的精益化生产线，为其他飞机装配厂生产线精益改善提供参考。