0 引言
为适应未来航空产品型号研制对钣金制造能力的需求，达到提高精度、缩短周期和管理高效、减少手工作业的目的，制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是近几年无论是国内还是国际都迅猛发展的、面向车间层的生产管理技术和实时信息系统。传统意义上的MES主要应用于以高端数控机床为加工中心的机械加工车间，对以薄壁成形为制造主体的钣金车间却鲜有涉足。为此，洪都集团开展了航空产品钣金件数字化制造集成技术的研究工作，在钣金车间推进实施北航MES（制造经理）系统，并基于某型号飞机部分典型零件进行了应用验证。
1 钣金车间概述
1.1 钣金车间业务特点
钣金车间不同于采用数控机床为生产单元的现代机械加工中心，设备多、零件种类多、加工周期短是钣金车间的特点，随着现代飞机技战术指标的不断提高，飞机结构不断改进，新型材料也得到较多的应用，制造工艺技术取得了长足的进步。但由板材组成的薄壳铆接结构仍然是飞机的结构主体，钣金零件构成飞机机体的框架和气动外形。据统计，钣金零件约占飞机零件数量的50%，工艺装备数量约占65%，制造工作量约占20%，迄今没有一种工艺方法能取而代之。钣金车间承担了多个机型和科研的生产任务，生产零件品种繁多，全年零件投产图号数达几万项，生产批量小，产品结构复杂，大部分加工任务需要依靠手工辅助机械完成。
1.2 钣金车间的管理模式
品种多，批量小，交货期短，质量要求高已经成为现代钣金产品发展趋势。在这种形势下，钣金车间采取扁平化管理的模式，它有效地解决了等级式管理的“层次重叠、冗员多、组织机构运转效率低下”等弊端，加快了信息流的速率，提高了决策效率。扁平化管理模式精炼了管理层次，但是由决策者直接面对职能部门和基层生产单位的“一对多” 的组织构架，这只是物理意义上的扁平化管理。由于缺乏有效的信息共享和协作机制，使得扁平化管理流于形式。
2 钣金车间生产管理所存在的问题
为适应未来航空产品型号研制对钣金制造能力的需求，达到提高精度、效率和质量、减少手工作业的目的，以适应外部环境的快速变化。生产管理的精益化，目的就是消除生产中一切不增值的活动，通过持续改进，不断提高质量，降低成本，提高产品履约率，实现“完美”钣金制造的最终目标。
当前钣金车间生产管理还存在一些问题，主要体现在如下几个方面。
2.1 缺乏完善的现场信息共享机制
基本上还处于原始的手工记账状态，生产信息无法实现对称访问，无法进行自动统计与分析。主要包括如下几方面的数据：
1）车间生产进度信息
任务加工进度信息主要依靠来自于工段的个人加工记录台账；零件制造指令（FO）一旦下达后，调度员就只能通过翻阅台账或者询问相关人员等手段才能知道进度。这种情况下在制品统计就非常耗时和浪费人力，而且统计结果很快失去时效。
2）车间指令交接信息。
车间指令交接信息来自于成品交接单，主管领导如果需要了解制造部指令完成情况，就只能查询计划员的指令交接台账。
3）车间库存信息
车间立体库系统没有联入局域网，其它库房基本没有使用计算机，除库管外其他人员不知道库存信息。
2.2 缺乏完整的生产计划控制体系
当前分厂生产计划体系所涉人员主要包括制造部计划员，分厂计划员，分厂车间调度员，工段长以及工人，他们各自承担的角色如下：
1）制造部计划员只基于装配需求下达生产指令
生产处计划员按型号进行管理，型号计划员每月都只是根据装配节点不停的“催活”。由于没有考虑实际车间生产能力，所以其下达的“月生产计划”往往无可执行性。而且分厂临时任务不断，由于实际生产过程中不停地插入临时任务，不停地有各种质量情况出现，月计划会逐渐“跟不上变化”，从而使生产指令无法考核。
2）车间计划员变为“文书”
由于计划员既不能建议制造部的生产指令，又无法控制现场生产，这样计划员就只能“沦落”为一个文书角色，只是负责“中转”制造部处指令，最后完成一些指令统计报表。
3）车间调度员无法控制现场生产节奏
而调度员都只主管其中部分型号，无法根据车间生产能力综合考量，只是按照各自管理型号的紧迫程度不停“催活”。
4）工段派工不完全根据生产能力
当前，生产室将所有接收到的任务全部下发到工段，使得工段有机会在不对分厂任务作整体考虑的条件下选择任务执行。由于分厂上层并没有统一的生产计划，最后完全由工段长控制生产。而工段长更多的考虑如何工段利益，尽量使批量最大化，如何使工段生产工时总和最大化，如何使工段车间工时分配公平。
总之，在这种粗放的生产管理模式下，分厂根本就无法组织均衡生产。
2.3 无法进行能力计划
由于分厂生产品种多，批量少，无法实现能力计划，甚至大多数情况下都是“有调度无计划”，所以无法优化投产批量和批数，无法优化排产，提高资源利用率，最终达到降低生产成本的目的。而且一旦现场情况出现变化，如质量情况，设备情况，工具情况，计划不能随需而变，导致计划跟不上变化。车间也就无法回答最迟可以在什么时间开始和结束。
2.4 无法实现流程控制
由于当前都是手工操作，只能依靠人的自觉和自率，所以有些合理流程无法控制，如：不能将正确的物料用在正确的工单上，从而导致质量问题和生产问题，计划员可能直接将有质量问题的在制品送往下一道工序进行处理，而不是找有关部门讨论，导致在下一步的生产准备不充分的情况下，就派工给工人。
因此，必须在分析上述问题的基础上，梳理、优化钣金零件生产过程流程，构建适合钣金车间生产特点的制造执行系统。
3 钣金车间MES应用架构
3.1 钣金件生产过程业务模型
技术人员在钣金车间做了大量现场调研的基础上，在北航MES研发团队的指导下，从信息化的视角，建立了钣金制造过程管理业务模型，以数据流为导向，以数字量传递为主线，对业务流程模型进行了仿真与优化，构建了多个钣金制造过程管理数字化流程模型，包括：产品及制造指令处理流程模型，计划管理流程模型，生产准备流程模型，派工管理及质量处理流程模型等。计划管理流程模型如图1所示。
图1 计划管理流程模型
3.2 钣金车间MES系统软件总体架构
在进行多方调研的基础上，洪都公司最终选择了北航制造经理系统作为钣金车间MES应用平台，制造经理采用J2EE分布式的多层体系结构，支持多平台（Windows、UNIX、Linux）和多种终端（PC，PDA…）形式的访问模式。应用MVC开发模式，将企业的业务逻辑和软件实现有效的分离。采用基于角色的访问体系，实施有效的权限与安全管理控制。应用组建化、可定制的开发模式，提供软件的页面配置、功能配置和角色配置功能，同时应用支持敏捷开发的报表和页面开发工具，快速响应企业的业务逻辑变化和新的功能需求。
制造经理采用成熟的应用软件MS Project进行有限能力计划，利用业界高度认同的ILOG提供的稳定可靠的算法进行计划优化。采用JGantt组件实现Gantt图显示和任务计划调度的可视化操作，极大地提高了软件的可视化和使用的便捷性。软件整体结构如图2所示。
图2 钣金MES软件总体架构
3.3 钣金MES与其他应用系统的集成
在现代制造技术发展进程中，建立从设计—工艺—制造的基于全数字化的数字量产品数据流是至关重要的，因此钣金车间MES系统必须与公司现有的信息化应用系统进行对接，完成无缝集成，才能发挥MES系统的优势作用，MES系统与公司其他应用系统的集成见图3。
图3 钣金MES与其他应用系统集成示意
为了产品设计技术数据到产品制造数据的同步转换，减少MES系统使用人员对FO/AO指令数据的重复维护、满足产品单一数据源需求，实现产品PBOM和MBOM数据从洪都公司自行开发应用的中航CAPP系统到北航MES系统的全数字量传递，洪都公司完成了二者的数据集成工作，系统集成场景见图4。
图4 中航CAPP与北航制造经理（MM）集成场景
4 应用效果
得益于国家新初级教练机—L7项目的开展，洪都公司选择L7飞机部分部件，基于北航MES系统，在钣金车间生产管理过程中，进行了典型应用验证。钣金MES 的优势主要体现在以下方面：
1）信息共享和对称访问
在实施MES之前，信息都存放于各职能人员的纸张或文档中：计划员掌握投料信息，工长掌握进度信息，统计员掌握工时信息，调度员掌握所管型号的信息，使得信息无法共享，从而导致很多问题被人为掩盖起来。通过实施MES系统，所有信息都能透明访问，充分暴露车间所有问题。而且由于信息高度共享，可以避免很多重复录入工作，提高了工作效率，工作情况查询见图5。
图5 钣金车间工作情况查询统计
2）管理模式改变
通过实施MES系统，车间信息采集更加容易，信息呈现更加方便，车间可以实现扁平化的管理模式。并且由于实现了能力计划，整个车间生产都不再处于无序状态，各职能部门都围绕着生产计划展开自己的工作，从而使权责更加明确，车间管理更加规范。
3）过程管理与优化
由于钣金分厂属于非常典型的多品种小批量生产工厂，加工零件比较复杂，生产任务繁重，工时无法准确定额，依靠人的经验很难做出一份合理的计划，所以迫切需要计算机辅助进行过程管理，以提高设备利用率，减少任务拖期率，从而达到提高车间经营能力的最终目标，生产计划管理见图6。
图6 钣金车间生产计划管理
4）产品可溯性加强
MES支持物料单件标识和批标识，严格记录物料的加工信息和检验信息，严格记录任务的批次演绎关系，严格记录组件和零件、零件和原材料的追溯关系，支持物料谱系关系的得正反查，对非构化文档进行归档管理，从而最终协助企业生成产品电子履历。
5 结语
洪都集团通过钣金MES系统的实施，有效实现了从设计—工艺—制造的企业信息闭环，显著地提高了钣金车间生产过程现代化管理水平，极大地方便了广大工程技术人员对制造作业信息的操作与获取，为企业产品在钣金MES系统中的全面应用打下坚实的基础。
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本文标题：飞机钣金车间制造执行系统应用研究
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