基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)的自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

李國(guó)叢 武素星 單振剛 姚建華 王 佳 王慧玲 葉啟付 何 偉

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基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)的自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

李國(guó)叢 武素星 單振剛 姚建華 王 佳 王慧玲 葉啟付 何 偉

（航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司，北京100076）

利用六軸機(jī)器人、AGV機(jī)器人、桁架機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)計(jì)了一條自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)零件上下料、機(jī)械加工、清洗、檢測(cè)和數(shù)據(jù)補(bǔ)償，零件入庫(kù)等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，從而達(dá)到“多品種、小批量”航天產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，提升機(jī)床設(shè)備的利用率，提高企業(yè)制造經(jīng)濟(jì)效益，為實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)品殼體類零件的自動(dòng)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

零點(diǎn)定位；自動(dòng)化生產(chǎn)線；殼體零件

1 引言

隨著航天型號(hào)的不斷增加，航天產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期越來(lái)越短，而航天產(chǎn)品為典型的“多品種、小批量”生產(chǎn)，該生產(chǎn)模式下機(jī)床設(shè)備利用率低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅為20%～30%，單純依靠增加設(shè)備已無(wú)法滿足型號(hào)任務(wù)需求，且會(huì)增加單位固有投資成本。提升機(jī)床設(shè)備利用率的關(guān)鍵在于減少設(shè)備的停機(jī)、等待時(shí)間[1]，多品種、小批量航天結(jié)構(gòu)件的加工耗時(shí)主要為零件的裝夾準(zhǔn)備時(shí)間。

零點(diǎn)定位技術(shù)是一種減少機(jī)床停工時(shí)間設(shè)計(jì)的夾具系統(tǒng)，基于精益制造思想將大部分裝夾時(shí)間外移到機(jī)床外進(jìn)行，使得加工和裝夾可以同時(shí)進(jìn)行，多應(yīng)用于批量產(chǎn)品的生產(chǎn)制造[2]。自動(dòng)化生產(chǎn)線即在無(wú)人操作下的生產(chǎn)設(shè)備自我生產(chǎn)過(guò)程，其在運(yùn)行過(guò)程中按照正常的生產(chǎn)指令控制生產(chǎn)，從而完成生產(chǎn)、加工、檢驗(yàn)等一系列流程，自動(dòng)化生產(chǎn)使企業(yè)節(jié)省大量人力和物力，加快了企業(yè)經(jīng)營(yíng)的工作效率[3]，而自動(dòng)化生產(chǎn)線多用于汽車行業(yè)等大規(guī)模、批量生產(chǎn)領(lǐng)域，由于航天產(chǎn)品的特點(diǎn)，機(jī)械加工未采用自動(dòng)化生產(chǎn)。

本文基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)，利用六軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料、送檢，在線集成三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，將四臺(tái)數(shù)控設(shè)備組成為殼體類零件自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)“多品種、小批量”航天產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，提升機(jī)床設(shè)備的利用率，同時(shí)提高企業(yè)機(jī)械制造經(jīng)濟(jì)效益。

2 航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)特點(diǎn)和難點(diǎn)

航天產(chǎn)品“多品種、小批量”的特點(diǎn)，決定了產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)機(jī)加車間采用集群式布局方式，各類設(shè)備屬于混放狀態(tài)，隨著生產(chǎn)任務(wù)的不斷增多，主要表現(xiàn)出以下特點(diǎn)和問(wèn)題。

a. 物流路徑長(zhǎng)，工藝路線交叉頻繁，物流效率低，物料跟蹤困難；

b. 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較為混亂，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程度低，生產(chǎn)過(guò)程控制難度大；

c. 零件加工過(guò)程換線頻繁，生產(chǎn)等待時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)加工效率低；

d. 設(shè)備利用率不均衡，平均數(shù)控設(shè)備利用率僅為20%；

e. 生產(chǎn)加工過(guò)程依靠人工完成，沒(méi)有自動(dòng)化生產(chǎn)模式的引進(jìn)；

f. 型號(hào)任務(wù)的增多，導(dǎo)致產(chǎn)品交付壓力越來(lái)越大，亟需提升加工效率，提高產(chǎn)能。

3 零點(diǎn)定位系統(tǒng)

零點(diǎn)定位系統(tǒng)由一套零件裝夾托盤，護(hù)板、工作臺(tái)卡盤、托盤與卡盤之間連接的拉釘組成。通用零點(diǎn)定位卡盤有4個(gè)或多個(gè)高精度定位塊，各定位塊之間的位置公差保證在±0.001mm以內(nèi)，托盤與卡盤的重復(fù)定位精度可達(dá)±0.001mm，托盤與卡盤之間通過(guò)拉釘可達(dá)到10000N的鎖緊力，零點(diǎn)定位系統(tǒng)如圖1所示。零點(diǎn)定位系統(tǒng)中的卡盤固定在機(jī)床工作臺(tái)上，其位置坐標(biāo)值固定，加工的零件可在機(jī)床外的托盤上進(jìn)行裝夾、找正，并記錄工件坐標(biāo)值，當(dāng)托盤固定在工作臺(tái)卡盤上之后，工件的坐標(biāo)位置可直接確定，利用已有程序和刀具，可開(kāi)始加工，顯著減少了傳統(tǒng)加工過(guò)程中使用機(jī)床進(jìn)行重復(fù)找正的時(shí)間，大大提升了機(jī)床設(shè)備的開(kāi)機(jī)率，同時(shí)避免了因裝夾導(dǎo)致的零件加工誤差，提高了零件的加工精度。

圖1 零點(diǎn)定位系統(tǒng)

4 自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

結(jié)合航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)特點(diǎn)及加工過(guò)程中凸顯的問(wèn)題，基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線。自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線由生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)、交換流轉(zhuǎn)區(qū)、搬運(yùn)區(qū)、加工區(qū)、總控區(qū)等組成，自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線布局如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線布局圖

4.1 生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)

圖3 托盤載板圖

生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)主要由工作臺(tái)、機(jī)外對(duì)刀儀、高度儀、計(jì)算機(jī)、貨架等組成，該區(qū)域負(fù)責(zé)完成零件的初步裝夾、找正，刀具的準(zhǔn)備，被加工零件的信息錄入，機(jī)外編程、加工仿真等工作。編制完成并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)仿真的數(shù)控加工程序，上傳至終端服務(wù)器，以備自動(dòng)加工過(guò)程中機(jī)床調(diào)用；在托盤上裝夾好的零件，放置在托盤載板上，托盤載板如圖3所示；生產(chǎn)準(zhǔn)備人員在載板上放置托盤時(shí)，將托盤上的零件、零件加工所需的程序、托盤在載板上的位置信息與托盤上的RFID芯片綁定。

4.2 交換流轉(zhuǎn)區(qū)

圖4 載板安放架

交換流轉(zhuǎn)區(qū)主要由載板安放架組成，載板安放架如圖4所示。交換流轉(zhuǎn)區(qū)還包括刀具儲(chǔ)存柜、專用叉車、載板交換小推車等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)所需物料的準(zhǔn)確、安全送達(dá)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)物料、物流的規(guī)范化管理。

4.3 機(jī)器人搬運(yùn)區(qū)

機(jī)器人搬運(yùn)區(qū)主要包括機(jī)器人運(yùn)行導(dǎo)軌和一臺(tái)六軸機(jī)器人。六軸搬運(yùn)機(jī)器人主要完成將系統(tǒng)指定的零件從載板上取出，并放置在后臺(tái)系統(tǒng)指定的數(shù)控機(jī)床上；將零件從機(jī)床上取出，在清洗機(jī)內(nèi)進(jìn)行清洗；將清洗后的零件放在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上進(jìn)行測(cè)量；檢測(cè)后的零件運(yùn)送至載板架上，準(zhǔn)備下線。搬運(yùn)機(jī)器具有碰撞緊急停止功能，安全系數(shù)高，安全隱患小。

4.4 零件加工區(qū)

六軸搬運(yùn)機(jī)器人在載板區(qū)抓取零件，根據(jù)后臺(tái)系統(tǒng)算法，將零件放置在空閑等待加工的數(shù)控機(jī)床上或按要求放置在指定的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工；由于托盤上待加工零件通過(guò)RFID已與數(shù)控程序關(guān)聯(lián)，因此在機(jī)器人將零件放置在機(jī)床內(nèi)的卡盤上時(shí)，卡盤外形如圖5所示，相應(yīng)的數(shù)控程序已由終端服務(wù)器傳送至機(jī)床，零件安裝完成后即可立即開(kāi)始加工。

圖5 卡盤外觀圖

4.5 零件的清洗和檢驗(yàn)

每道工序完成后，零件均由六軸機(jī)器人從機(jī)床上取出，并放置在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的卡盤上，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x依據(jù)編制好的程序?qū)庸すぜM(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)探頭檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)值不同時(shí)，數(shù)據(jù)中心處理器會(huì)自動(dòng)計(jì)算刀補(bǔ)量，待所有尺寸檢測(cè)完成后，機(jī)器人取下工件運(yùn)送至機(jī)床，機(jī)床按數(shù)據(jù)中心計(jì)算的刀補(bǔ)量進(jìn)行二次加工，直至零件尺寸全部滿足設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)合格的零件放回到原來(lái)載板位置，準(zhǔn)備下線。

由于零件機(jī)加過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量金屬屑和少量毛刺，如果零件清洗不干凈，金屬屑和毛刺的存在影響三坐標(biāo)的測(cè)量，產(chǎn)生較大的偏差，因此在零件檢測(cè)前需要徹底清洗，采用超聲波設(shè)備清洗，清洗完成后吹干處理。

5 自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)及自動(dòng)化功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的同時(shí)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化生產(chǎn)線的信息化系統(tǒng)，自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線信息化系統(tǒng)主要包括制造執(zhí)行系統(tǒng)和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。制造執(zhí)行系統(tǒng)由生產(chǎn)計(jì)劃管理、制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)作業(yè)管理、質(zhì)量作業(yè)管理、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理、物資管理、電子數(shù)據(jù)包管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理等功能模塊組成，借助于信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程信息的全面共享，提升產(chǎn)品生產(chǎn)的整體運(yùn)作效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程控制和過(guò)程優(yōu)化。生產(chǎn)單元控制系統(tǒng)由物料位置識(shí)系統(tǒng)（RFID系統(tǒng)）、物料周轉(zhuǎn)區(qū)、若干五軸機(jī)床或三軸機(jī)床、清洗單元、機(jī)械臂、三坐標(biāo)檢測(cè)儀、安全隔離門、安全視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)等組成，生產(chǎn)單元控制系統(tǒng)是生產(chǎn)單元的控制中樞，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集各設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并報(bào)告至制造執(zhí)行系統(tǒng)。

6 殼體零件自動(dòng)化生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線主要生產(chǎn)的殼體類零件為五面或三面加工，因此針對(duì)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專門的加工工藝。結(jié)合殼體類零件的加工特點(diǎn)，在零點(diǎn)定位托盤上安裝精密虎鉗，需要五面加工的殼體零件，第一次裝夾時(shí)可完成正面的加工，之后由機(jī)器人轉(zhuǎn)換到五軸數(shù)控機(jī)床或者帶有立臥轉(zhuǎn)化的托盤，實(shí)現(xiàn)另外零件兩個(gè)側(cè)面的加工，三個(gè)面加工完成后，零件出線，并在生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)將零件旋轉(zhuǎn)90°后裝夾，然后重新進(jìn)線，第二次裝夾可完成剩余兩個(gè)側(cè)面的加工，其裝夾方式如圖6所示。需要三面加工的殼體類零件可實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成所有面的加工。

圖6 五面加工零件加工工藝設(shè)計(jì)

7 自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線加工效率分析

以圖6中的五面加工零件為例，分析了傳統(tǒng)加工模式與基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)模式下的加工用時(shí)，具體加工用時(shí)見(jiàn)表1。

通過(guò)分析表1中的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)加工方式生產(chǎn)單件產(chǎn)品用時(shí)為12.3h，而基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)的自動(dòng)化生產(chǎn)耗時(shí)為5.8h，生產(chǎn)效率提升2.1倍；除去生產(chǎn)準(zhǔn)備用時(shí)，自動(dòng)化生產(chǎn)方式的機(jī)床實(shí)際利用率約為傳統(tǒng)手動(dòng)生產(chǎn)方式機(jī)床利用率的4.8倍，兩種生產(chǎn)方式用時(shí)及機(jī)床利用率對(duì)比如圖7和圖8所示。

表1 不同生產(chǎn)方式加工用時(shí) h

生產(chǎn)準(zhǔn)備主視圖俯視圖左視圖右視圖仰視圖檢驗(yàn) 傳統(tǒng)加工用時(shí)23.51.5110.82.5 自動(dòng)加工用時(shí)3.50.80.40.30.30.250.25

圖7 單件生產(chǎn)加工用時(shí)

圖8 機(jī)床利用率對(duì)比

8 結(jié)束語(yǔ)

基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)，利用六軸機(jī)器人、AGV機(jī)器人、桁架機(jī)器人，設(shè)計(jì)了自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線，將四臺(tái)數(shù)控機(jī)床串聯(lián)為一條殼體零件生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)上下料、自動(dòng)加工、自動(dòng)清洗、自動(dòng)檢測(cè)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)，零件自動(dòng)入庫(kù)等環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)“多品種、小批量”航天產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，機(jī)床設(shè)備利用率提升近5倍，提高了企業(yè)機(jī)械制造經(jīng)濟(jì)效益?；诹泓c(diǎn)定位系統(tǒng)的自動(dòng)化殼體生產(chǎn)線設(shè)計(jì)為航天零件的自動(dòng)化生產(chǎn)提供了一定的借鑒意義，有利于推動(dòng)航天企業(yè)從傳統(tǒng)加工向自動(dòng)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變升級(jí)。

1 陳思濤，溫良. 基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)縮短數(shù)控機(jī)床停機(jī)時(shí)間[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2015(11)：40～42，57

2 唐林，周良明，劉衛(wèi)武，等. 基于零點(diǎn)定位技術(shù)的中小航空結(jié)構(gòu)件快速換裝技術(shù)研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2015，11(37)：19～21

3 蔣雪琴. 自動(dòng)化生產(chǎn)線上計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用探析[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2016(7)：42～43

Design of Automatic Shell Product Line Based on Zero Point Positioning System

Li Guocong Wu Suxing Shan Zhengang Yao Jianhua Wang Jia Wang Huiling Ye Qifu He Wei

(Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co., Ltd, Beijing 100076)

Based on zero point positioning system，the automatic shell product line was designed by using automatic equipment, such as 6-axis robot, AGV robot and truss robot. The product line can realize automatic process of feeding parts, mechanical processing, cleaning, testing, data compensation and parts storage, and finally achieved the automatic manufacture of multi varieties and small batch of aerospace products. The automatic product line increases the using ratio of the machine tools and improves the economy benefit of the corporation. It lays the foundation for automatic manufacture of aerospace shell products.

zero point positioning；automatic product line；shell part

2017-05-23

李國(guó)叢（1985），碩士，材料工程專業(yè)；研究方向：生產(chǎn)線設(shè)計(jì)。