0 引言
為適應未來航空產品型號研制對鈑金制造能力的需求，達到提高精度、縮短周期和管理高效、減少手工作業的目的，制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）是近幾年無論是國內還是國際都迅猛發展的、面向車間層的生產管理技術和實時信息系統。傳統意義上的MES主要應用于以高端數控機床為加工中心的機械加工車間，對以薄壁成形為制造主體的鈑金車間卻鮮有涉足。為此，洪都集團開展了航空產品鈑金件數字化制造集成技術的研究工作，在鈑金車間推進實施北航MES（制造經理）系統，并基于某型號飛機部分典型零件進行了應用驗證。
1 鈑金車間概述
1.1 鈑金車間業務特點
鈑金車間不同于采用數控機床為生產單元的現代機械加工中心，設備多、零件種類多、加工周期短是鈑金車間的特點，隨著現代飛機技戰術指標的不斷提高，飛機結構不斷改進，新型材料也得到較多的應用，制造工藝技術取得了長足的進步。但由板材組成的薄殼鉚接結構仍然是飛機的結構主體，鈑金零件構成飛機機體的框架和氣動外形。據統計，鈑金零件約占飛機零件數量的50%，工藝裝備數量約占65%，制造工作量約占20%，迄今沒有一種工藝方法能取而代之。鈑金車間承擔了多個機型和科研的生產任務，生產零件品種繁多，全年零件投產圖號數達幾萬項，生產批量小，產品結構復雜，大部分加工任務需要依靠手工輔助機械完成。
1.2 鈑金車間的管理模式
品種多，批量小，交貨期短，質量要求高已經成為現代鈑金產品發展趨勢。在這種形勢下，鈑金車間采取扁平化管理的模式，它有效地解決了等級式管理的“層次重疊、冗員多、組織機構運轉效率低下”等弊端，加快了信息流的速率，提高了決策效率。扁平化管理模式精煉了管理層次，但是由決策者直接面對職能部門和基層生產單位的“一對多” 的組織構架，這只是物理意義上的扁平化管理。由于缺乏有效的信息共享和協作機制，使得扁平化管理流于形式。
2 鈑金車間生產管理所存在的問題
為適應未來航空產品型號研制對鈑金制造能力的需求，達到提高精度、效率和質量、減少手工作業的目的，以適應外部環境的快速變化。生產管理的精益化，目的就是消除生產中一切不增值的活動，通過持續改進，不斷提高質量，降低成本，提高產品履約率，實現“完美”鈑金制造的最終目標。
當前鈑金車間生產管理還存在一些問題，主要體現在如下幾個方面。
2.1 缺乏完善的現場信息共享機制
基本上還處于原始的手工記賬狀態，生產信息無法實現對稱訪問，無法進行自動統計與分析。主要包括如下幾方面的數據：
1）車間生產進度信息
任務加工進度信息主要依靠來自于工段的個人加工記錄臺賬；零件制造指令（FO）一旦下達后，調度員就只能通過翻閱臺賬或者詢問相關人員等手段才能知道進度。這種情況下在制品統計就非常耗時和浪費人力，而且統計結果很快失去時效。
2）車間指令交接信息。
車間指令交接信息來自于成品交接單，主管領導如果需要了解制造部指令完成情況，就只能查詢計劃員的指令交接臺賬。
3）車間庫存信息
車間立體庫系統沒有聯入局域網，其它庫房基本沒有使用計算機，除庫管外其他人員不知道庫存信息。
2.2 缺乏完整的生產計劃控制體系
當前分廠生產計劃體系所涉人員主要包括制造部計劃員，分廠計劃員，分廠車間調度員，工段長以及工人，他們各自承擔的角色如下：
1）制造部計劃員只基于裝配需求下達生產指令
生產處計劃員按型號進行管理，型號計劃員每月都只是根據裝配節點不停的“催活”。由于沒有考慮實際車間生產能力，所以其下達的“月生產計劃”往往無可執行性。而且分廠臨時任務不斷，由于實際生產過程中不停地插入臨時任務，不停地有各種質量情況出現，月計劃會逐漸“跟不上變化”，從而使生產指令無法考核。
2）車間計劃員變為“文書”
由于計劃員既不能建議制造部的生產指令，又無法控制現場生產，這樣計劃員就只能“淪落”為一個文書角色，只是負責“中轉”制造部處指令，最后完成一些指令統計報表。
3）車間調度員無法控制現場生產節奏
而調度員都只主管其中部分型號，無法根據車間生產能力綜合考量，只是按照各自管理型號的緊迫程度不停“催活”。
4）工段派工不完全根據生產能力
當前，生產室將所有接收到的任務全部下發到工段，使得工段有機會在不對分廠任務作整體考慮的條件下選擇任務執行。由于分廠上層并沒有統一的生產計劃，最后完全由工段長控制生產。而工段長更多的考慮如何工段利益，盡量使批量最大化，如何使工段生產工時總和最大化，如何使工段車間工時分配公平。
總之，在這種粗放的生產管理模式下，分廠根本就無法組織均衡生產。
2.3 無法進行能力計劃
由于分廠生產品種多，批量少，無法實現能力計劃，甚至大多數情況下都是“有調度無計劃”，所以無法優化投產批量和批數，無法優化排產，提高資源利用率，最終達到降低生產成本的目的。而且一旦現場情況出現變化，如質量情況，設備情況，工具情況，計劃不能隨需而變，導致計劃跟不上變化。車間也就無法回答最遲可以在什么時間開始和結束。
2.4 無法實現流程控制
由于當前都是手工操作，只能依靠人的自覺和自率，所以有些合理流程無法控制，如：不能將正確的物料用在正確的工單上，從而導致質量問題和生產問題，計劃員可能直接將有質量問題的在制品送往下一道工序進行處理，而不是找有關部門討論，導致在下一步的生產準備不充分的情況下，就派工給工人。
因此，必須在分析上述問題的基礎上，梳理、優化鈑金零件生產過程流程，構建適合鈑金車間生產特點的制造執行系統。
3 鈑金車間MES應用架構
3.1 鈑金件生產過程業務模型
技術人員在鈑金車間做了大量現場調研的基礎上，在北航MES研發團隊的指導下，從信息化的視角，建立了鈑金制造過程管理業務模型，以數據流為導向，以數字量傳遞為主線，對業務流程模型進行了仿真與優化，構建了多個鈑金制造過程管理數字化流程模型，包括：產品及制造指令處理流程模型，計劃管理流程模型，生產準備流程模型，派工管理及質量處理流程模型等。計劃管理流程模型如圖1所示。
圖1 計劃管理流程模型
3.2 鈑金車間MES系統軟件總體架構
在進行多方調研的基礎上，洪都公司最終選擇了北航制造經理系統作為鈑金車間MES應用平臺，制造經理采用J2EE分布式的多層體系結構，支持多平臺（Windows、UNIX、Linux）和多種終端（PC，PDA…）形式的訪問模式。應用MVC開發模式，將企業的業務邏輯和軟件實現有效的分離。采用基于角色的訪問體系，實施有效的權限與安全管理控制。應用組建化、可定制的開發模式，提供軟件的頁面配置、功能配置和角色配置功能，同時應用支持敏捷開發的報表和頁面開發工具，快速響應企業的業務邏輯變化和新的功能需求。
制造經理采用成熟的應用軟件MS Project進行有限能力計劃，利用業界高度認同的ILOG提供的穩定可靠的算法進行計劃優化。采用JGantt組件實現Gantt圖顯示和任務計劃調度的可視化操作，極大地提高了軟件的可視化和使用的便捷性。軟件整體結構如圖2所示。
圖2 鈑金MES軟件總體架構
3.3 鈑金MES與其他應用系統的集成
在現代制造技術發展進程中，建立從設計—工藝—制造的基于全數字化的數字量產品數據流是至關重要的，因此鈑金車間MES系統必須與公司現有的信息化應用系統進行對接，完成無縫集成，才能發揮MES系統的優勢作用，MES系統與公司其他應用系統的集成見圖3。
圖3 鈑金MES與其他應用系統集成示意
為了產品設計技術數據到產品制造數據的同步轉換，減少MES系統使用人員對FO/AO指令數據的重復維護、滿足產品單一數據源需求，實現產品PBOM和MBOM數據從洪都公司自行開發應用的中航CAPP系統到北航MES系統的全數字量傳遞，洪都公司完成了二者的數據集成工作，系統集成場景見圖4。
圖4 中航CAPP與北航制造經理（MM）集成場景
4 應用效果
得益于國家新初級教練機—L7項目的開展，洪都公司選擇L7飛機部分部件，基于北航MES系統，在鈑金車間生產管理過程中，進行了典型應用驗證。鈑金MES 的優勢主要體現在以下方面：
1）信息共享和對稱訪問
在實施MES之前，信息都存放于各職能人員的紙張或文檔中：計劃員掌握投料信息，工長掌握進度信息，統計員掌握工時信息，調度員掌握所管型號的信息，使得信息無法共享，從而導致很多問題被人為掩蓋起來。通過實施MES系統，所有信息都能透明訪問，充分暴露車間所有問題。而且由于信息高度共享，可以避免很多重復錄入工作，提高了工作效率，工作情況查詢見圖5。
圖5 鈑金車間工作情況查詢統計
2）管理模式改變
通過實施MES系統，車間信息采集更加容易，信息呈現更加方便，車間可以實現扁平化的管理模式。并且由于實現了能力計劃，整個車間生產都不再處于無序狀態，各職能部門都圍繞著生產計劃展開自己的工作，從而使權責更加明確，車間管理更加規范。
3）過程管理與優化
由于鈑金分廠屬于非常典型的多品種小批量生產工廠，加工零件比較復雜，生產任務繁重，工時無法準確定額，依靠人的經驗很難做出一份合理的計劃，所以迫切需要計算機輔助進行過程管理，以提高設備利用率，減少任務拖期率，從而達到提高車間經營能力的最終目標，生產計劃管理見圖6。
圖6 鈑金車間生產計劃管理
4）產品可溯性加強
MES支持物料單件標識和批標識，嚴格記錄物料的加工信息和檢驗信息，嚴格記錄任務的批次演繹關系，嚴格記錄組件和零件、零件和原材料的追溯關系，支持物料譜系關系的得正反查，對非構化文檔進行歸檔管理，從而最終協助企業生成產品電子履歷。
5 結語
洪都集團通過鈑金MES系統的實施，有效實現了從設計—工藝—制造的企業信息閉環，顯著地提高了鈑金車間生產過程現代化管理水平，極大地方便了廣大工程技術人員對制造作業信息的操作與獲取，為企業產品在鈑金MES系統中的全面應用打下堅實的基礎。
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本文標題：飛機鈑金車間制造執行系統應用研究
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