脉动式柔性生产线在载运车装配中的应用研究

鄢 泳，成翊琳，罗子相，王蓉芳

(1.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089；2.中国兵器工业集团江山重工研究院有限公司，湖北 襄阳 441000；3.湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411100)

自福特汽车提出脉动式装配生产线概念后，由美国波音飞机公司以精益制造原则创造的一种先进装配生产线，其特点是可设定脉冲节点，生产线以节点进行各类工作，如果生产过程出现问题就能及时把出问题的工位移至预留工位，可以有效提升装配效率，降低工人劳动强度。目前，我国积极引进脉动式装配生产线，中航工业西飞自2010年耗时5年建成了国内首条飞机总装脉动式生产线。同时，针对不同的飞机种类，西飞也建设了不同种类脉动式装配生产线[1-3]。

得益于脉动式装配生产线的快速、低成本、高质量的制造效果，国内各领域均开始引入该装配生产模式，如安春雷等[4]以高铁装配生产线智能化转型为目的，从基础数据管理、生产计划管理、装配现场管理3个方面，介绍了高铁脉动自动化生产线配套的生产信息系统。李国庆等[5]以特种车的装配特点及需求入手，分析与飞机脉动式装配线的异同，提出了特种车的脉动式生产线装配模式。

本文以载运车的项目建设需求为前提，结合厂房现有条件，设计、制造、安装、调试一条能装配3种典型产品(A车、B车和C车)并预留工位用于产品线升级的脉动式柔性总装生产线。

1 载运车总装现状

目前，载运车总装采用典型的“单工位、固定式”生产方式，物料转运和装配过程数据依靠手工记录，为推动式生产，存在如下问题[6]：1)现有工艺基础数据不够支撑产能分析与科学排产，导致制造资源未合理分配，造成大量在制品堆积，生产资金占用量大；2)采用单工位固定式，不同车辆由不同人员装配，生产质量由操作工人的技术熟练程度决定，装配调试过程时间较长且质量一致性较差；3)物料路径混乱无规划，配送无固定的路线与时间节拍，且装配无计划统筹，易造成装配过程出现漏装、错装，追溯困难，浪费大量人力与物力。

2 脉动式柔性总装线方案

对现有装配工艺进行优化，结合部分自动化设备、工装、检测设备，同时增加过程控制、质量管理等信息化手段，提高装配质量和效率，降低人工作业劳动强度，实现工位制、脉动式柔性化生产作业。该生产线主要由1条总装线、1条部装线、1套信息化控制系统及相关辅助设施组成，完成3种产品的部装、总装以及过程控制。装配对象见表1。

表1 3种典型车参数

总装线设备基础是保证设备稳定运行的关键，考虑到总装线设备基础深于厂房柱基，要留出施工安全距离，避免扰动主体结构。部装线的半龙门吊考虑厂房既有条件，利用原有吊车梁，复核其结构参数，避免出现吊车安装尺寸不吻合或运行不平稳的情况。

3 生产线布局

3.1 方案设计

1)装配线布置面积：长225 m×宽27 m；生产线采用U型布局(需要上总装的部件，进、出口并列，保证物料配送、装配、总装上线互不影响)或一字型布局(部件之间需要拼装的零部件)，共划分7个作业工位，单位长度和工位间隔保证人员作业便利，物料配送便捷，部件周转方便。

2)车间整体布局按照总装与部装分离、自东向西一个流的原则，设置总装线、部装线、物流通道、物料缓存区等，保证总装装配、部装装配、物料配送互不影响。

3)生产线上设置3条通道：北侧一条为部装线小件物流通道；中间为总装线和部装线物料配送公用通道，此通道同时作为总装线异常处理通道，装配车辆出现异常时可快速离线至异常处理区处理。南侧为参观通道，与装配作业区分离，不影响生产线正常生产作业，具体装配线示意图如图1所示。

图1 装配线布局图

3.2 生产线特点

1)部装下线缓存工位与总装上线装配工位遵循就近原则布置，保证上线快速、便捷。产线上设置相应的物料缓存位、配送位，保证生产连续进行，物料配送流程简单、方便。

2)总装线的输送装置为地板链，地板链的结构强度能够满足总装车体对中上线和靠北侧上线2种方式。可依据车辆装配需求，自行选择总装上线方式，地板链可满足3种典型产品的承重和输送需求。板链允许车体上线任意位置停放。

3)总装线的安全防护，在末端工位设置检测开关，检测末端工位车辆是否下线，保证输送安全；总装线每个工位设置一个急停装置，具备紧急停线功能。

4)利用预留工位以及车体在地板链上位置可变化调整，通过调整工位间距来增加作业工位数量；满足未来产品变化、产能提升需求，保证产线扩展性。

5)每个工位按照装配工艺进行标准化作业，配备了相应的装配工装、智能化装配工具、数字化检测手段，有效提升了装配质量，减轻了劳动强度，实现了信息可追溯。

6)生产线允许临时上下线，满足异常情况日常处理以及多品种载运车的混线生产。

4 生产线信息系统

4.1 总体目标

根据厂区已有的信息化条件，生产线以总装月度计划为输入，车辆装配下线(含联试联调)为截止的范围内进行总装信息化系统建设，主要业务包括生产、质检、物料配送、关重件绑定、现场工艺(仿真)、电子合格证等内容，同时，把车辆的装配过程记录到车辆的档案系统，用于长期存储。

4.2 系统软件架构

软件系统结构体系是按照系统设计目标与要求，采用多层矩阵结构体系(见图2)。该结构从系统处理功能横向分类为3层结构，即：门户表示层、中间应用层、数据处理层。其中，门户表示层按照应用纵向分类为工作层、管理层和决策层[7-8]。

图2 多层矩阵结构体系

1)门户表示层是指在系统网络环境下，把各种应用系统、数据资源和可视化资源统一集成到通用组件之下。

2)中间应用层是系统由一组软件及体系框架组成，有助于快速构建客户化的应用系统，并保证该系统的可扩展性、易修改性、互联性及系统平台的独立性，它包含J2EE、最小业务数据单元组件、业务商业模型处理组件，以及集成服务引擎、内容服务引擎、规则服务引擎和工作流引擎。

3)数据处理层是以数据库技术为核心的数据存取、备份、处理层。

4.3 业务功能

4.3.1 计划管理

计划管理人员通过信息化控制系统分解总装计划，并将作业计划、配送计划等分配相应岗位系统控制终端；相关计划可结合作业实际情况进行调整、变更，也可按时间、产品等不同关键要素进行计划锁定[9-10]。

1)通过总装MES接受其他系统下发的月度总装计划。

2)计划人员确认日计划之后，下发到车间；日计划下发之后，锁定对应物料的库存，车间管理人员依据下发的日计划安排生产。车间管理人员可以对下发的生产计划进行调整。

3)通过甘特图的形式，直观有效地展示生产计划；同时计划展示在生产日历上，直观有效地展示生产计划。

4.3.2 作业过程管理

信息化控制系统满足派工、配送、领工、报工、检验等操作，满足作业人员、零部件、作业状态等信息管理功能，并可按发包方实际使用需求定制各类报表，便于信息统计、查询、分析，具体岗位职责和使用需求包括线边保障、装配、检验、生产管理及质量管理。

1)线边保障包括物料的配送，以及工装、工具的配送等相关问题；主线计划和部装计划下发时，创建配送计划；配送计划为一车一工位一张单据。由仓库或者物流人员确认配送计划，如果由于某种原因导致物料不足等，应提前发出预警。依据生产计划，部分物料/工装/工具通过AGV配送，部分人工配送。

2)通过电子看板了解计划下达情况、工装辅具及部件配送信息等；通过信息化控制系统终端领工；通过产品数据管理或三维工艺过程管理系统查询装配内容、装配关系、电子式作业指导书；按指导书完成作业后使用信息化控制系统终端报工；系统按检验设置情况自动提请检验。

a.主线上线计划：在车间第1个工位的大屏显示主线的上线计划，工人根据主线上线计划安排车辆进入主线进行装配；b.部装上线计划：在每个部装的工位大屏上显示部装上线计划和部装计划的执行情况，工人根据部装上线计划进行部装装配作业；c.生产开工：主要工位长负责制，记录每台车辆对应到相关生产工位开始的时间，也可以通过系统设置，系统自动识别出车辆即表示开始装配；d.生产完工：主要是工位长负责，记录每台车辆完成工作的时间，操作步骤同开工，也可通过系统设置，系统自动识别出车辆离开即表示开始完工，如果装配没有完成，则需要工位长在工位工控机上标识为未完成；e.现场报警：通过配置的报警触摸屏或者登录工控机进行报警。

3)通过电子看板或信息化控制系统终端显示的报工提检信息开展检验作业，结束后在信息化控制系统终端录入检验、检测数据，合格的自动生成电子式合格证并计入下一道工序预备，不合格的系统自动将信息推送至质量管理平台执行审理、报废等相应程序。质量管理主要记录、跟踪和分析产品及过程质量数据，用以控制产品质量，确定生产中需要注意的问题。

4)通过生产调度中心看板或终端机可实时对计划下达情况、配送到位情况、作业进展、质量信息等内容进行全过程跟踪、查阅；通过高清数字视频监控实时监控作业人员状态，及时发现工作异常，制止违章作业。

5)可实时采集并查阅当前装配质量信息、检验或检测数据等质量相关信息；通过数据交互，在质量管理平台可对质量信息进行综合分析，实现作业全过程质量控制。

4.3.3 联试联调

在生产线进行部件装配、总装以及装配完成后，能对装配过程和装配完成后的联试联调进行信息化管理，对装配过程中相关信息进行采集和记录，联试联调过程中进行相关数据采集、问题记录汇总分析，最终提炼转化形成总装线知识库。

1)数据采集：通过部署设备采集系统，从PLC、智能仪表等读取设备状态(运、停、故障、功率能耗等)数据，通过集成接口实时传输至MES系统，以供查询。数据采集涉及到硬件设备，需要对应的硬件厂商提供技术支持，开放相应的接口或者权限。

2)车辆档案：对每辆车建立完整的档案记录(见图3)。真实记录车间的生产过程，通过直观的方式重现车间的生产过程。车辆档案的范围仅涵盖总装车间作业的装配过程，从总装上线开始到总装下线为止范围内的工位过点时间、关重件绑定、质检等信息。

图3 底盘生产档案

4.3.4 总装装配过程仿真

通过“产品数字化装配与工艺仿真系统”软件来进行装配过程仿真，从而实现基于三维模型的3个产品的生产线作业全过程仿真(其中产品的部分三维模型利用发包方已有模型)；按工序、工步设置完成3个产品电子式作业指导书编制；实现当前工位装配过程仿真演示。

1)装配过程仿真及发布：从工艺系统导出装配仿真动画，上传到总装MES系统。

2)车间大屏动态展示：系统在总装主线和部装工位，识别出车辆或者部装件信息后，在对应的工位大屏上自动播放仿真动画等。

5 结语

本文以现有总装工房条件为前提，设计了一种可实施的脉动式柔性总装生产线，该生产线主要由1条总装线、1条部装线、1套信息化控制系统及相关辅助设施组成，完成了产品的部装、总装以及过程控制，实现了装配作业标准化、物流运输自动化、生产过程管理信息化。生产线在保证3种典型产品的正常生产前提条件下，通过预留工位与地板链使产品线具有一定的扩展性，增加了生产线的经济效益性。同时以MES系统为核心，通过面板显示等系统，使生产线具备智慧性。以“产品数字化装配与工艺仿真系统”进行装配过程仿真，使3个产品的生产线作业全过程仿真；为脉动式柔性生产线在载运车的应用方面提供全新的思路与发展方向。