面向离散型产品的标准工时全生命周期智能管理研究与探索

崔之超，寇宇路，涂小风，李君，同飞龙

（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安 710000)

0 引言

随着离散型产品向信息化、智能化、精益化发展,产品的性能和复杂度不断提高,给产品生产和维护带来新的挑战[1]。比如生产制造环节中,产品精密化导致装配工序更加复杂,需要设计更加精确的标准工时;产品的快速迭代需要标准工时能够快速更新;信息化产品在测试调试中需要考虑软硬件系统的协同,也需要合理设计标准工时。在维护保障环节,精密产品的维修维护对操作技能要求更高,同样需要精确的标准工时指导。另外,信息化产品软硬件故障的定位和处理也要考虑到系统的综合效应[2]。

因此,研究面向离散型产品全生命周期的智能化标准工时方法就显得非常必要。这需要利用信息化技术如数字孪生、虚拟仿真、5G等进行标准工时的智能化设计;构建支持产品快速迭代的标准工时更新机制;开发辅助维修的智能化标准工时系统等。智能化标准工时方法能够提高离散型产品生产制造和维护保障的质量和效率,对推动离散型产品向信息化、智能化、精益化发展具有重要支撑作用。对于提升离散型产品的生产制造和维护保障水平具有重大意义。

针对面向离散型产品全生命周期的研究,利用各种前瞻技术,建立智能化的标准工时管理体系和方法,可以实现对产品从研制设计到报废全过程的标准工时进行科学化管理,使标准工时参数快速响应产品的迭代升级,大大提升标准工时设计质量。同时,实时的标准工时监控和动态优化可以及时反馈生产制造与维护过程信息,指导连续改进。通过离散型产品的生产制造与保障提供精益化的标准工时支持,具有重要理论价值和实践意义。

1 离散型产品&标准工时生命周期阶段分析

1.1 离散型产品生命周期阶段分析

离散型产品生命周期管理是企业的关键之一。一般而言,离散型产品从研发到报废的整个生命周期可分为研制设计、生产制造、使用维护、改造升级和报废处理5个阶段[3]，见图1。

图1 离散型产品生命周期管理阶段

1.1.1 研制设计阶段

该阶段重点是对产品设计方案进行优化,充分利用虚拟仿真技术和数字化工具对产品设计进行多方面分析,选择更加理想的方案。这需要充分利用数字化技术来提升设计效率。根据使用需求进行方案设计,通过数字化手段进行虚拟仿真,评估设计方案的可行性。这是离散型产品生命周期的首要阶段,直接关联产品的性能指标和质量水平。充分考虑使用环境和任务需求,运用虚拟仿真等前沿技术进行设计方案优化,对后续生命周期质量具有关键影响。

1.1.2 生产制造阶段

该阶段是确保产品质量的重要一环。通过工艺流程认证和标准工时规范来控制产品质量。同时，根据设计结果,进行产品的加工制造和装配。这一阶段要严格控制工艺流程,确保产品质量符合设计要求。同时需要实时监控生产过程,跟踪标准工时执行情况,发现问题及早优化。充分应用信息化、数字化等手段进行智能化生产。

1.1.3 使用维护阶段

产品投入使用后,对产品状态进行监控与分析,进行预防性维护来延长产品使用寿命。根据使用情况和环境,对产品进行定期维护与保养。这一阶段要监控产品的使用状态,做好预防性维护保养工作,确保产品处于最佳状态。及时总结使用维护数据,反馈产品改进信息。

1.1.4 改造升级阶段

随着任务环境变化,对产品性能进行改造升级。这需要根据新任务需求及时优化和迭代产品,延长其使用寿命。

1.1.5 报废处理阶段

需要采取合适的方法进行处理以实现资源最大化的利用。当产品达到预定使用寿命后,按规程进行报废处理。合理处置报废产品,最大限度回收再利用。

1.2 标准工时在不同阶段的作用

标准工时贯穿离散型产品的整个生命周期,在不同阶段发挥着不同作用。

1.2.1 设计阶段

标准工时可以验证不同设计方案的生产制造时间,评估产品设计的合理性。在设计阶段,可以利用标准工时数据,建立产品数字化样机,进行装配过程的虚拟仿真,评估不同设计方案的装配效率和生产周期。比较不同方案的标准工时情景模拟结果,选择生产时间最优的设计方案。标准工时的设计验证,可以避免不合理的设计带来后续的生产装配问题。

1.2.2 制造阶段

标准工时可以指导生产活动的时间安排,评估生产进度。在生产制造阶段,标准工时是测量生产过程效率的重要依据。将标准工时分解到各个工序,生成生产计划,指导生产活动的时间控制。同时,通过与实际生产消耗时间的对比,可以发现生产中存在的问题,调整优化生产流程,实现精益生产。

1.2.3 使用维护阶段

标准工时可以用于维修保养的时间预测和成本核算。在使用维护阶段,标准工时可以准确预测产品的维修保养时间,提前做好人员和资源的准备。同时精确的标准工时可以进行维修成本的核算,为后期维修保障提供数据支持。

1.2.4 改造和报废阶段

标准工时提供历史数据支持,预测产品改造和报废所需时间。在产品改造和报废阶段,可以利用过去的标准工时数据,评估改造所需要增加的工时或报废的拆解时间,做好计划安排。

1.3 生命周期标准工时管理体系框架

基于上述分析,构建如图2 所示离散型产品生命周期标准工时管理方案。该方案通过全生命周期数据集成和应用实现标准工时的协同管理,提供智能决策支持。

图2 生命周期标准工时管理方案

2 设计阶段的标准工时智能模拟

2.1 数字孪生技术介绍

数字孪生技术已经成为产品研发和生产制造领域的一股浪潮。数字孪生通过在虚拟空间中构建产品的数学模型和数字描述,可强效地辅助离散型产品的设计和生产[4]。

2.1.1 建模仿真

数字孪生模型涉及完整复杂的物理场和物理效应的联合仿真。建立一个精确的数字孪生模型需要考虑产品的各个方面,包括结构、机械、热力学、电磁、流体力学等多种物理效应。这需要采用多物理场联合仿真技术。

2.1.2 虚实交互

数字孪生模型与实体产品通过传感器等设备进行连接,构建起虚实交互。产品在设计和生产过程中生产的数据会实时导入模型,反过来数字孪生模型也可分析优化产品。此外,数字孪生能根据大数据分析中提取的规律进行自我更新。

2.1.3 大数据分析

数字孪生技术通过AI 等手段能自动发现产品设计中可能存在的缺陷,并提供虚拟设计方案以供参考。在生产制造过程中,数字孪生也可监测和预测设备的状态与可靠性。

2.2 基于数字孪生的标准工时建模方法

利用数字孪生技术可以实现对设计方案的标准工时进行预估。其基本思路如图3。

图3 基于数字孪生的标准工时建模方法

图4 面向增强维修的标准工时优化方法

2.2.1 构建数字化离散型产品设计模型

需要建立产品的数字化设计模型。这包括产品的3D数字模型以及各部件的形状、结构等参数。

2.2.2 设置装配过程的工艺规则

包括了各部件间的装配类型和顺序、需要的工具和设备等。

2.2.3 计算装配路径并确定装配顺序

依据设计模型和工艺规则,可计算出产品的整体装配路径和装配顺序。运行模拟程序,确定部件间的具体装配方式和路径。

2.2.4 建立标准工时计算模型

基于装配路径和方式,建立标准工时计算模型。这个模型需要考虑人员的动作、姿势以及操作速度等因素。

2.2.5 运行装配仿真,获得装配标准工时

运行设计好的装配仿真模拟产品的具体装配过程。系统可以通过人工智能检测装配时存在的潜在问题。

2.3 设计方案标准工时智能模拟实例

某型号电子产品设计数字孪生模型包含300余个零部件。设置装配工艺规则数据库后,进行智能装配路径规划,得到最优装配序列。以模块装配为例,整个装配过程时间约27min,较专家经验值32min更优。测试其他关键部件,仿真精度在±5%之内。

相比传统经验依赖的标准工时设定方法,该数字孪生模拟技术提高了设计阶段标准工时的科学性和准确性,为设计评估提供了有力支持。

3 制造阶段的标准工时实时监控

3.1 5G和移动测量技术概述

5G 是新一代移动通信技术，面向离散型产品,具有高速率、大连接、低时延等特点[5]。移动测量集成了传感器、定位等技术,实现对物体运动的实时测量,是工业互联网的重要组成部分。将5G和移动测量技术应用于制造过程,可以实现对标准工时的实时监控。

3.2 基于5G的制造过程标准工时监控系统

该系统包含数据采集终端、通信网络和数据处理平台三部分。数据采集终端整合MEMS传感器、UWB等,采集人员和设备的状态数据。5G网络承载移动测量数据,确保毫秒级延时。数据处理平台利用AI算法分析各工序时间数据,与标准工时模型对比,实现制造过程的标准工时监控。

3.3 实时监控数据应用实例

某型号电子产品生产线进行改造后,首次生产时安装了该实时监控系统。结果发现,后盖板装配实际时间比原标准工时数据超出20%以上,定位为后盖板对正过程中存在问题。现场技术人员验证后,调整装配工艺,问题得到解决,装配时间降至标准值范围内。该案例验证了实时监控对制造过程标准工时的控制效果。

4 使用维护阶段的标准工时优化

4.1 增强维修技术简介

增强维修技术通过在维修人员佩戴的AR设备上相关信息,实现对维修过程的信息化增强,具有作业指导、状态监测、数据记录等功能[6]。增强维修技术的应用可以提高维护保障的质量和效率。

4.2 面向增强维修的标准工时动态调整方法

该方法包含双闭环机制:内环是维修过程数据的实时采集、分析和反馈;外环则利用长期数据积累进行标准工时模型调整和优化。内环可以实现维修标准工时的动态调整,外环则持续改进标准工时数据库。

4.3 标准工时优化应用案例

某型电子产品进行定期维护时,DL算法分析历史数据,预测维护标准工时应调整为45min。过程数据反馈实际总时间为43min。将数据存入平台后,该电子产品维护标准工时自动更新为新的经验值。该案例显示该方法可以持续优化产品的标准维修时间。

5 全生命周期标准工时数据管理与应用

5.1 标准工时数据积累与反馈方法

在面向生命周期的标准工时管理框架中,实现全生命周期标准工时数据的有效积累与反馈应用是关键[7]。各生命周期阶段的标准工时数据均集中存储在标准工时知识库,与设备模型和BOM 相连接,形成产品信息闭环[8]。同时,构建学习机制,实现标准工时不断优化。

5.2 数据应用实例

某电子产品在设计阶段的数字孪生标准工时数据与生产过程监测数据存在偏差。经反馈优化后,新设计方案的标准工时模拟结果提高了准确度。该产品的维护保障时长也降低了8%。这表明生命周期数据管理可以推动标准工时的持续改进。

6 总结

文章针对离散型产品生命周期的特点,设计了一整套面向全生命周期的标准工时智能化管理方法。设计阶段采用数字孪生技术实现标准工时智能模拟;制造阶段设计基于5G的标准工时实时监控系统;使用维护阶段提出面向增强维修的标准工时动态优化方法;构建全生命周期标准工时数据积累与反馈应用机制。研究表明该方法可以有效提高离散型产品标准工时管理的智能化水平。