黄汕、高志城、桑庆宏、孙延、王添伟 /北京精密机电控制设备研究所

北京精密机电控制设备研究所燃气液压伺服事业部是专业承担各类型燃气液压、机电伺服产品的总成装调一体化生产部门，其所承担的燃气液压、机电类伺服产品具有装配结构复杂、过程调试验收数据繁多等特点，体现产品性能的生产过程主要为总成装配调试工作。在实际生产中，产品装调流程具有大量中间环节，工序间流转存在诸多相互交叉、需要信息互通的实际操作步骤，在事业部目前的工艺布局模式下，已形成制约生产效率进一步提升的瓶颈问题。此外，随着“十四五”步入开局之年，高强密度发射和交付任务数量不断增多，各项研制要求逐年提升，各类伺服产品生产测试检验需求日益增大，质量要求日益严格。

在此背景下，必须通过建设智能化生产线的方式提升伺服产品制造能力，以期改变伺服产品生产交付的短线局面。现有工艺布局模式影响生产线建设的关键性问题主要包括：一是工序间周转路径不合理，由于近年来产品种类和数量的急剧增多，依照原有生产模式划分的装配生产线已不能较好地适应当前的生产模式，经常出现同一种类单机、系统产品操作区域相隔较远，从而造成按照工艺文件要求进行的工序流转路径极为繁琐，极大地增加了人员劳动强度，降低了工作效率；二是负载设备增多导致的试验场地紧缺，以某产品为例，完成1 套产品交付的验收共包含3 ～5 台不同类型的真实负载喷管，通过历年产品研制和固投经费的划拨支持，目前各级产品均至少有1 台（或以上）的备份负载设备，当1 套负载设备处于测试工位时，其余备份设备则无序堆放至厂房空余地带，挤占了其它产品的测试试验空间；三是试验场地划分不明确，目前装配生产线80%以上的面积均用于液压产品装配，调试生产线中的单机与系统测试区域常常相互混杂，这种情况对提高操作效率、杜绝低层次质量问题的发生极为不利；四是不能适应数字化生产线建设需要，以工业4.0 为目标的新型数字化智能装调生产线应具备信息化、自动化、柔性化等功能特点，而现有的生产布局模式依赖人工手动作业，无法支撑未来生产流程自动化、产线信息互联、数据规划及自适应利用等先进技术的推广和应用，不能适应智能生产线的建设和发展方向，进而制约产能的提升。

一、工作与实践

1.设计意义

对于生产车间而言，生产布局的优劣性直接影响生产效率的提升。特别是在航天产业整体面向数字化转型的形势下，合理规划生产工艺布局是建设数字化智能生产线的重要先决条件，其具体意义主要是：

（1）人。提高工作热情，合理安排生产计划，降低不必要的动作和走动。

（2）料。实时动态掌握原材料、半成品、成品相关信息，并减少运输距离和搬运次数。

（3）管。以生产组织管理网络化的方式实现多品种柔性均衡生产目标。

（4）率。提升信息反馈速度，提高人员劳动效率和设备及空间环境的利用率。

（5）数。切合数字化生产线建设方向，强化信息交互和利用。

2.优化原则

结合燃气液压伺服事业部生产车间现状及承制产品特点，拟定工艺布局优化原则如下：

（1）并行生产。适应多种产品并举的生产形势，根据“十四五”期间预期的生产纲领目标，进行多品种大批量生产线布局设计。

（2）效率至上。工作场地内的组成尽量合理划区、协调配置，优化工序流转路径，提高生产效率，以模块化思路布局产品各个装调生产区域，通过智能化设备提高自动化生产比重。

（3）节约为本。充分挖掘现有场地能力，对新增的大量用于性能调试的负载试验台进行有效规划和布置，如将原有单一工位负载台优化为可同时实行多台产品测试的多工位负载设备。

（4）柔性灵活。结合装配工作台多功能化及测试设备集成化改造需求，灵活调配各产品生产，减少大量半成品占用工作台/设备的状况，装调模式趋于灵活和柔性。

（5）智能集成。将总结出的优秀生产经验与智能化设备和信息平台高度融合，形成产品—设备—信息三者间的相互集成，使制造过程从单一流向的简单粗放式向高度集成化、数字化的信息反馈式生产模式转变。

3.创新内涵

优化工艺布局以精益生产、提升产能为目标，力求在生产过程中达到最有效、最经济的衔接。同时，配合研究所数字伺服制造产业建设目标，建立以多品种、大批量、信息化、自动化、柔性化为特色的航天伺服装调一体化智能生产线，全面实现物流和信息的高效、实时、快捷传递，确保生产活动有序顺畅进行。

创新点1。结合信息化、自动化等未来智能车间数字化发展方向，提出适应新一代航天伺服产品的多品种、集成化的生产车间布局，实现原料—工位—库房点对点直通模式下的数字化装调流水生产线，极大简化了物流路径。

创新点2。改变以往通过某项设备的智能化改造实现单一工序效率提升的思路，创新性地提出以全局思维统筹优化整条生产线工序流程，以生产工艺的信息化、数字化转型为依托，结合智能化设备、云端多维信息平台的应用效果，带动工艺布局模式优化，并通过产线反馈信息促进布局模式的迭代调整，实现信息利用带动的生产效率PDCA 循环改进提升。

创新点3。工艺布局融合装调模块化、制造柔性化、管理信息化的设计理念，伺服产品装调制造模式初步从承接计划的推动式生产迈向生产资源更加均衡的拉动式生产，促进柔性生产模式在航天伺服制造中的应用。

4.规划实践

事业部共有总成伺服装配生产线、燃气液压伺服总成调试生产线和机电伺服总成调试生产线3 条生产线，分处3 个不同的研发区域。在布局规划设计过程中，通过工控网络的建设实现数据信息在不同生产区域的实时互通，通过现场硬件设施的调整实现单一区域的操作效率提升。

（1）总成伺服装配生产线

生产功能单元划分。总成伺服装配生产线承担事业部全部伺服单机产品装配和伺服系统产品的总成清理交付工作。根据对装配工艺流程进行再次梳理，按照集成化设计思路将标准化操作程度较高、自动化设备在实际应用中占比较高的工序集中归类，并合理规划人员、设备动线路经，设置如表1 所示的装配单元模块。

表1 总成伺服装配生产线单元模块

布局规划与动线设计。装配生产区域设有北、东、西各1 组进出通道，按照路径最短原则，在车间内设置T 型主通道区域与进出口连接。

由于北侧门口与大楼货运电梯距离较近，将北侧靠墙区域与东侧靠墙区域联通，建立封闭式仓储存放区域，便于原材料进入和成品出库。

南侧区域临窗，通风及采光条件较好，将对洁净度和防静电要求较高的电子装联区域设置于此。

大厅中部为主装配区域，以多功能操作台为单个装配单元。其中任一操作台均配备完善的操作工具和相应的信息化辅助设备，可独立完成全流程装配工序，体现集成化布局思路。通过操作台与AGV 小车的无缝接驳，最终实现物流系统在装配车间的全自动化运行，提升转运效率。

以液压产品装配过程为例，某产品装配物流路径如图1 所示，布局规划如图2 所示。

图1 某液压产品装配物流路径

图2 总成伺服装配生产线布局规划

信息化手段与自动化设备的引入。为实现信息化手段在装配过程中的应用，大幅提升装配操作效率和质量一致性目标，在进行布局设计过程中，除考虑产品/设备因素外，还统筹规划了工控网络的铺设与应用。

通过工控网络的建设，装配仓储物流单元集成了自动化仓储管理系统（WMS）、调度控制系统（WCS），全部物料/成品/半成品以条码形式将信息保存于系统中，通过对仓储物流主机设备、物流电控系统、物流计算机系统的数据库服务器、应用服务器、管理软件等统一配置，实现对仓储的数字化管理和AGV 的自动化物流输送。

装配区域全部多功能工作台均集成配置双网操作终端，既可在工控网实现生产计划任务的接受、反馈和提交，过程数据的处理及上传，也可在涉密系统内查阅设计图样，确认产品状态。

依据产品组成特点定制的标准件自动穿垫、轴承自动压装设备极大地降低了操作人员手动重复劳动强度，提升了自动化操作在装配工序中的比重。

（2）燃气液压伺服总成调试生产线

生产功能单元划分。燃气液压伺服总成调试生产线承担事业部全部燃气液压伺服产品的总成调试工作，包括液压伺服单机产品（作动器、液压源、涡轮泵）的氦吹/点火试验和液压伺服系统产品的总成调试验收。

伺服产品调试流程相对固定，无并行处理工序，因此在进行功能单元划分时，主要考虑产品结构特点，并根据场地实际情况和验收调试工序要求划分不同的单元模块，设置情况如表2 所示。

表2 燃气液压伺服总成调试生产线单元模块

布局规划与动线设计。燃气液压伺服调试生产区域主要分为3 个部分，自西向东为防爆试验大厅、中部试验大厅和东部试验大厅。

调试生产线主要使用各类真实/模拟负载设备完成对产品在实际飞行工况条件下的性能考核。为保证测试准确性，上述负载设备需通过调试大厅南北两侧敷设的地轨与平整地面可靠固定。因此，人员及物流动线居于南北试验区域的东西向中间主通道，中间部位与车间南侧大门相连接，呈T 字形走向。

车间南侧出入口设置调试立体式升降库，存放待测产品的同时便于产品的出入。配套实施的AGV 物流系统覆盖全部试验工位，省去人工搬运产品对人力/时间的损耗，加快产品验收速度。

中部试验大厅和东部试验大厅北侧区域贯通相连，设有动力电缆沟和测试电缆沟，可将产品测试用电缆集中于地下敷设，实现产品调试过程中的有序整洁，同时降低低层次质量问题发生的概率。基于燃气液压伺服类产品在批产阶段对交付数量和质量性能考核较为严格，而该区域的现场环境有利于集中布置各类试验负载、测试设备等，提升产品验收效率效果明显，因此设置为批产示范区域。

防爆试验大厅具有较高的防爆试验等级，因此将具有一定危险性的超高速燃气涡轮泵氦吹试验和伺服燃气源点火试验集中布局于此。同步实施的可回收式中央氦吹控制系统的能力改进及氦吹工位的增建工作，极大提升了该区域的产品验收能力。

测控区域全部位于各自试验区域对应的南侧测控间内，集成一体化的综合测试台和覆盖全试验大厅的视频监控系统全方位提高了测试人员对伺服产品外观、质量性能的全过程把控。布局规划如图3 所示。

图3 燃气液压伺服总成调试生产线布局规划

信息化手段与自动化设备的引入。伺服产品性能调试验收是验证产品质量性能的唯一判别标准。以某液压伺服系统产品为例，其在总成调试生产阶段产生多达200 ～5000 多个实际验收数据。为在确保产品交付质量的基础上有效提升验收交付效率，上述庞大的数据必须依靠信息化数据处理平台进行智能化、自动化分析和处理，完成数据的自动判读、过程记录的填写和报告的输出。因此基于上述要求，实现产品数据实时采集处理的工控网络铺设是建立数字化生产线的必要组成条件。

布局规划中，考虑北侧试验区域较为集中，可充分利用空间/地面/地下结构设置集成化的新型测试设备，引入了能源集成/远程控制系统。测试人员可在测控间内远程实现任一能源设备对任一测试工位（产品）的能源供给，改变以往频繁来往试验区域和测试间的现状，大量节省测试时间，如图4 所示。

图4 能源远程/集成控制示意图

除伺服系统级产品验收必须使用真实负载台外，为有效节约场地，实现集成化测试目标，在伺服作动器/伺服液压源等单机级测试中设置多功能测试负载车，将以往需要在不同场地应用不同设备的测试项目全部集成一体，达成高效验收目标。

（3）机电伺服调试生产线

生产功能单元划分。机电伺服总成调试生产线承担事业部全部机电伺服产品的总成调试工作。由于机电伺服产品结构比燃气液压伺服产品相对简单，且调试验收流程更为简化（无氦吹测试），因此主要依据场地实际情况进行功能单元模块的划分，设置情况见表3。

表3 机电伺服总成调试生产线单元模块

布局规划与动线设计。机电伺服总成调试生产线为一个整体区域，固定测试负载设备的地轨位于大厅中间区域，因此四周环形面积即为人员/AGV 物流动线，并通过西侧通道实现进出功能。设备的集成化布置有利于合理利用空间，将设备所需供电/测试电缆通过预设的测试电缆沟暗铺至设备前端，简化现场测试环境。

将车间东侧区域延墙体设置调试仓储物流单元。充分利用场地环境和空间特点，全部产品依次呈长条形均布于东墙货架，通过举升式AGV 叉车实现货品的入库/出库。

西侧2 个大型测控间可对测试区域内的全部伺服产品、测控设备实施远程/集成控制，效果等同液压调试车间。布局规划如图5 所示。

图5 机电伺服总成调试生产线布局规划

信息化手段与自动化设备的引入。与液压调试车间相同，实现高效、准确、一致的调试验收需要依靠信息化处理平台对数据的多维度分析和处理。基于机电产品结构特点，本次布局优化时同样充分考虑多类型产品验收对场地环境和测试节拍的要求，改变以往以单工位负载台为主的模式，新增部分双工位、四工位负载台。此种方式极大地节约了生产面积，合理利用空间环境降低操作人员劳动时间及强度，有效提高了单位时间调试验收效率。

二、实践效果

自生产线工艺布局优化改进以来，显著发挥了智能生产线对装调生产过程的促进作用。各生产设备按照合理原则进行布局，最大化利用空间优势；优化了装调工序周转路径，降低了工序间周转时间；各功能区域职能明确，集成化布置的自动化设备和数据处理平台极大地降低了操作者劳动强度；各项生产计划直接下达至责任人，全过程实现在线数字信息闭环管理。

经过对布局优化后的实际生产数据进行统计，重点针对产能提升（月平均实做工时统计）和工作效率提升（小时效率统计）这2 个指标进行分析，比较说明工艺布局优化对装调生产线的促进作用。

1.产能提升（月平均实做工时统计）

统计数据为2020 年12 月至2021 年9 月事业部车间总工时，图6 为每月实做工时走势图。

图6 每月实做工时走势图

经过优化后初期的磨合阶段，伴随信息化手段的引入，后5 个月平均工时为10557 小时，相较前5 个月平均8089 小时，实做工时增长率为30.5%，产能提升极为明显。

2.工作效率提升（小时效率统计）

小时效率是单位时间内完成的实做工时小时数，折合为一天8 小时，该指标反应车间员工单位时间内的实际工作效率（见表4）。

表4 小时效率统计表

各生产线在经过磨合期后，单位时间内的实际工作效率均有显著提升。特别是在装配生产线，结合信息化、自动化的集成化工艺布局优化模式对生产效率的提升起到了关键性的作用，成果明显。同样，液压/机电调试生产线的模块化单元配置模式也明确了不同区域的试验功能，有利于各类设备的集成化布局，对生产线效率提升起到促进作用。

三、后续思路

该成果来源于燃气液压伺服事业部为解决生产瓶颈问题，提升批产产能而建设的装调智能生产线及数据管控平台，对建设过程的经验和建成投产后的效果进行总结提炼。在认真分析事业部装调生产车间现状的情况下，充分学习借鉴其它先进数字化生产线建设经验，并依据承制产品的实际特点和设备智能化、数据信息化的改造方向提出了具有航天伺服产品特色的新一代生产车间工艺布局模式。创新点主要是结合未来数字化发展方向，提出了适应新一代航天伺服产品的多品种、集成化的生产车间工艺布局模式；以全局思维统筹优化整条生产线布局，并实现了通过信息反馈的迭代优化，使生产制造模式初步从推动式生产迈向拉动式生产，促进了柔性生产模式在航天伺服制造中的应用。

优化后的工艺布局对生产效率的提升起到明显的促进作用。在生产人员未增加的前提下，月平均工时提升30.5%，装配、液压及机电调试线工作效率分别提升32.9%、22.18%、6.14%，生产线信息化率达到100%，调试自动化率达到90%以上。尤为突出的是，融合了信息化、自动化思想的新型伺服装调工艺布局将为后续生产线效能的持续提升打下深厚的技术保障基础。

在后续科研生产实践中，将继续考虑未来生产场地变化情况，以及利用信息化手段科学排产等生产模式的改变对工艺布局的影响，不断加深布局模式的优化和调整，促进生产线效率的进一步提升，坚持并行、效率、节约、柔性、智能等原则，以科研生产效率最大化为目标，不断调整生产模式。

一是未来生产场地变化引起的模式调整。依据总体规划方案，研究所已启动筹划新建伺服产品生产厂房的相关工作。因此，在后续规划中应提早设计后续生产布局方案，在考虑现有不同生产阶段产品的情况下，充分预估后续新产品的技术发展路径，全面盘活新旧厂区的全部科研生产资源，使其既能保证各区域相对独立、简便的生产模式，降低工序周转需求，又能在需要时灵活调整生产布局，整合各类生产资源形成区域间的联动机制，以此确保按时、高效、保质完成各项科研生产任务。

二是利用信息化手段科学排产。当前伺服产品在生产中面临多任务交付节点的交织，各种生产资源和人力资源的矛盾冲突，任务生产节拍的设定，都极大影响整个生产线的管理与运行。通过研究基于模型的自主决策算法，构建各种排产信息的数据模型，实现网络化采集和管理，具备智能排产和各种特殊情况处理的自主决策能力，可以充分利用现有资源，最大程度发挥生产能力，体现科学管理创造效益的理念，进而达到制作有效的可执行的生产排程、排除计划调度的人员风险、加快生产排产速度、提供企业生产决策支持的效果。依据信息化排产手段，还可进一步优化生产工序间周转流程，进而促进生产布局模式的再次深化调整。