某轻型飞机总装生产线规划与仿真

学术论文

RESEARCH

[摘要] 随着数字化技术在工厂生产中的应用，生产系统的规划与仿真变得日益重要。本文给出了某轻型飞机总装生产线规划、仿真的详细过程及结果，为生产线的设计提供大量仿真数据，最终为项目的顺利进行提供了有利的保障。

关键词： 生产线 规划与仿真 QUEST 轻型飞机

[ABSTRACT] With the application of digital tech-nology in the plant production, the planning and simula-tion of production systems has become increasingly im-portant. The detailed process and result of a light aircraft assembly line planning, simulation are given. A large number of simulation data are provided for the production line design, finally a favorite environment protection is provided for the smooth progress of the project.

Keywords: Production line Planning and simula-tion QUEST Light aircraft

生产线规划与仿真使生产系统在投入运行前就了解其是否满足生产需求，为生产过程优化提供支持。随着数字化工厂、虚拟企业等概念的提出，生产线的规划与仿真变得日益重要，合理的规划不仅可减少运营成本和维护费用，提高设备利用率和生产效率，而且对生产的快速重组和提高企业的快速响应均具有十分重要的意义。另一方面，通过CESSNA L162机型，沈飞公司以整机制造商的身份进入通航领域，首次打破了中国一直作为国外民机零部件制造商的局面。如何把握机遇、提高沈飞公司通用飞机的设计制造水平、采用更多先进制造技术、尽快与国际先进水平接轨是沈飞公司乃至中国航空企业发展通航产业的关键，具有重大战略意义。

1 生产线生产节拍的确定

生产线上生产2件产品之间的间隔时间或产品在各工作站间每移动1次所需的间隔时间称为生产线的节拍时间，它是流水线生产组织的重要依据[1]。生产线的投入节拍与出产节拍相等，当生产线的工位数未确定时，先根据年产量及工作制度按下式计算生产节拍τ。

τ

=

s·γ·g·α·d·12

V·β, （1）式中，s为1个工作班的理论工作时间（s）；γ为时间利用率；g为每日工作班数；α为工人劳动出勤率；d为每月计划工作日（天）；V为企业年度计划生产产量（架）；β为生产线生产能力储备系数。

根据生产线实际需求状况，选定s=8×3600, γ=0.9, g=1, α=0.95, d=18, V=750, β=1.3。计算出产节拍为τ=5455s/架=1.512h/架。

2 生产线工位数量确定及划分

根据此型飞机产品构成和总装配流程，生产线除辅助工位外，工序主要包括安装发动机、起落架、左右机翼和左右支撑杆、垂尾和平尾等，根据产能要求和生产节拍，初步确定工位数为7个，具体见表1所示。根据工位的划分，总装生产线工作流程如图1所示。

工位7是总装生产线中的重要工位，可以看作是整

某轻型飞机总装生产线规划与仿真

Light Aircraft Assembly Line Planning and Simulation

中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司 郭 佳 吴永林 张勤满

沈阳航空航天大学航空宇航工程学院 刘 春

表1 工位划分表

工位1工位2工位3

工位7工位6工位5工位4

涂装

图1 总装生产线工作流程

Fig.1 Assembly line work flow

个生产系统的子流水线，应符合整个生产线的节拍。由于喷漆对现场环境有污染，一般需要与主生产线隔离，采用单独的封闭工作环境。整机涂装工位包括机体表面除污处理、面漆喷涂、面漆烘烤、机体美化等。针对涂装流水线情况，对每个工序的站位、人员数量进行了估算，详见表2，涂装工位工作流程如图2所示。

一般来说，面漆烘干需要较长的时间，因此需要在烘烤工位设立多个站位以满足生产线出产节拍要求，必要时生产线的喷涂环节可实行24h 工作制以减少烘烤工位的站位数，最终将减少工作区面积。

3 工位时间估算

为了使用仿真软件对上述流水线效率及设计指标进行仿真、验证，根据标准工时对上述各工位的时间进行了估算，见表3。标准工时的制定是参照国际标准管理局有关对人体研究而得出的人类平均劳动强度值，并

结合本公司的实际情况（即以公司的1个中等熟练程度的操作工人的操作时间为基础）而制定的标准。

4 总装生产线仿真

DELMIA QUEST 作为数字化工厂及离散事件仿真软件，是工厂生产系统集成、工艺流程设计和可视化的解决方案，是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字工厂环境[2]。使用QUEST 仿真可在实际设施投资之前改善设计，减少风险与成本，使数字工厂效益最大化。

生产线仿真的输入为生产线模型，包括产品、资源和生产工艺信息。仿真包括生产线物流仿真、工时分配仿真和线平衡等。在生产线的规划仿真中，瓶颈问题是不可避免的，因此需要调整生产线平衡并保证生产线的物流顺畅。局部的不协调或设备位置规划不合理可能

表3 各工位时间估算统计表

表2 涂装站位划分表

图2 涂装工位工作流程

Fig.2 Coating station work flow

工位1

工位2

工位3

工位

4

表4　各工位的统计信息

（下转第143页）

和隐身气动外形设计（K9），如图3所示。

4　结论

ProA_K是具有良好接口和面向对象特性的飞机设计过程ProA模型与飞机设计过程知识相结合的集成模型框架，该模型为飞机的设计过程知识重用提供了一种可能的实现途径。ProA_K模型具有可回溯性和封装性的特性等支持设计过程重用的优良特性，包括使设计过程知识的遗传性和变异性得到体现，以及对过程知识重组和修改的支持等。本研究在飞机设计过程知识重用领域进行了初步探索，尚有许多相关问题需要进一步研究，如设计过程ProA_K模型中所集成的各种飞机设计过程知识的属性和操作等，将随着后续研究的进行逐步深化。

参 考 文 献

[1] Sivaloganathan S, Shahin T M M. Design reuse: an overview. Journal Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 1999, 213(7): 641-654.

[2] Andrews P, Shahin T M M, Sivaloganathan, S. Design reuse of detailed designs in a CAD environment: four case studies. In Proceedings of International Conference on Computer-Aided Engineering, London: Brunel University, September 1998.

[3] 周峰. 产品设计过程的建模、仿真及优化研究[D]. 大连：大连理工大学, 2008.

[4] Han Y H, Lee K. A case-based framework for reuse of previous design concepts in conceptual synthesis of mechanisms. Computers in Industry, 2006, (57):305-318.

[5] Shahin T M M, Sivaloganathan S, Gilliver R. Automation of feature-based modelling and finite element analysis for optimal design. In Proceedings of ICED97, Tempere, Finland, August 1997.

[6] Finger S. Design reuse and design Research. Keynote Address. In Proceedings of Engineering Design Conference '98 on Design Reuse, London: Brunel University, June 1998.

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[8] Duffy A H B, Smith J S , Duffy S M. Design reuse research: a computational perspective. Keynote Address. In Proceedings of Engineering Design Conference '98 on Design Reuse, London: Brunel University,1998.

[9] Ahmed S. Encouraging reuse of design knowledge: a method to index knowledge. Design Studies, 2005,26(6): 565-592.

[10] Marca D, McGowan C. Structured analysis and design technique. NewYork: McGraw-Hill, 1987.

[11] 陈禹六. IDEF建模分析和设计方法. 北京：清华大学出版社, 2006.

[12] 倪福, 徐福缘, 沈运红. 基于IDEF0方法的企业信息化建设复杂系统. 系统工程, 2005,23(3):69-74.

（责编　小城）

导致生产线上有大量的积压品阻塞物流，使得后续生产不能持续运行，并且使得资源的利用率及忙闲程度等指标不合理。生产线仿真输出的结果为生产线动态物流效果和在此过程中定位的瓶颈信息[3]。

根据划分的工位及各工位的工时通过仿真模型计算，总装生产线的月产量为87架完全符合年产量在750~1000架次的要求。其各工位的统计信息见表4。

仿真优化是在已构建的仿真模型基础上，根据仿真结果分析现有生产过程的各种性能指标，发现存在的问题，对仿真模型的资源及物流设置进行参数优化和结构调整，以达到优化生产过程、提高生产效率的目的。

在动态仿真过程中发现第三工位和第九工位前堆积了大量的待加工件，可通过提升这2个工位的处理能力来进一步加大整条生产线的产能。

通过应用QUEST软件，可以为总装生产线的设计提供大量参考性的仿真数据。通过生产线的虚拟仿真，不但可以节约大量的物质资源，减少了实物生产线调整中的资金浪费，而且为实际生产线的改造扩建和调整提供了有实际参考价值的仿真数据，最终为使该项目的顺利进行提供了有利的保障。

5 结论

通过对轻型飞机总装生产线规划与仿真，为建立和完善企业数字化制造体系，提高企业的核心竞争力打下了坚实的基础，使企业在技术和经济方面都取得了巨大效益。数字化生产线规划与仿真技术的优势总结如下。

（1）降低产品研制风险、缩短研制周期、减少开发成本；

（2）通过对生产线布局和物流仿真及资源的规划和评估，可以验证方案的可行性和合理性，提高了生产计划的准确度；

（3）实时分析产量、资源消耗及瓶颈所在；

（4）三维可视化动态仿真；

（5）可以提高企业的市场竞争力和产品的技术创新力。

参 考 文 献

[1] 杨召凯,刘德忠,李志强.发动机生产线装配问题研究.机械设计与制造, 2008,1:215-217.

[2] DELMIA Digital Manufacturing & Production. http://www.3ds. com/products/delmia,2009.

[3] 张浩,樊留群,马玉敏.数字化工厂技术与应用.北京:机械工业出版社，2006.

（责编 良辰）（上接第139页）