柔性制造系統(tǒng)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究

□ 王煒磊 □ 張 益 □ 劉相國 □ 周一冰 □ 周子同

1.中航國際航空發(fā)展有限公司工藝中心 北京 100101

2.中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 長(zhǎng)沙 410200

1 研究背景

我國航空工業(yè)在20世紀(jì)50年代起步之后，經(jīng)歷了數(shù)十年的快速發(fā)展，在2010年以后已經(jīng)進(jìn)入新階段。雖然我國航空制造業(yè)較發(fā)展初期有了巨大進(jìn)步，但是我國航空零部件制造技術(shù)水平仍需進(jìn)一步提高，發(fā)動(dòng)機(jī)及部分飛機(jī)核心關(guān)鍵零部件的制造仍是制約航空工業(yè)發(fā)展的瓶頸。

自美國麻省理工學(xué)院研制出第一臺(tái)數(shù)控銑床后，柔性制造技術(shù)在20世紀(jì)70年代進(jìn)入生產(chǎn)實(shí)用階段。柔性制造系統(tǒng)是一種高度自動(dòng)化的復(fù)雜系統(tǒng)，柔性相對(duì)于傳統(tǒng)剛性而言，具有生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度高、設(shè)備利用率高、適用范圍廣等特點(diǎn)[1]，解決了機(jī)械制造流水線高度自動(dòng)化與小批量產(chǎn)品高度柔性化需求之間的矛盾。

隨著用戶對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求向多樣化、個(gè)性化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的剛性自動(dòng)化生產(chǎn)線已不能滿足生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品要求[2]。在這種情況下，柔性制造技術(shù)作為一種新的制造技術(shù)，在汽車、航空等機(jī)械制造行業(yè)已得到快速發(fā)展[3-5]。在我國，柔性制造系統(tǒng)在航空制造領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處于探索階段，筆者以某航空制造廠起落架扭力臂柔性生產(chǎn)線為例，分析柔性生產(chǎn)線應(yīng)用過程中的核心功能，以促進(jìn)柔性制造系統(tǒng)在航空制造領(lǐng)域中更加完善、高效的應(yīng)用。

2 航空零部件制造特點(diǎn)

航空設(shè)備存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、對(duì)零部件輕量化及可靠性要求高等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)民用機(jī)械制造業(yè)相比，航空零部件制造具有以下特點(diǎn)[6]。

（1）小批量，多品種。單架民用飛機(jī)包含數(shù)萬個(gè)不同的零部件，幾乎涵蓋包括軸類、殼體類、壁板類等在內(nèi)的所有機(jī)械特征。同時(shí)，為保證國家國防軍事實(shí)力，并在激烈的航空領(lǐng)域市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)，飛機(jī)型號(hào)更新較快，這就導(dǎo)致了同種零部件生產(chǎn)批量較小，難以適用傳統(tǒng)剛性流水線生產(chǎn)方式，制造工藝需具有高度的柔性適應(yīng)能力。

（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大。為了保證飛機(jī)零部件的承力及輕量化性能符合要求，多數(shù)航空零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。零件薄壁、復(fù)雜型面等難加工特征較多，制造難度大，對(duì)機(jī)床、夾具及刀具要求均較高。

（3）尺寸精度要求高。對(duì)飛機(jī)長(zhǎng)壽命的需求呈不斷上升趨勢(shì)，對(duì)零部件裝配精度及零部件互換性的要求也隨之提高，導(dǎo)致零件部分尺寸精度要求高、公差小，進(jìn)而對(duì)加工工藝的精度及一致性提出了更高要求。

3 航空制造傳統(tǒng)工藝技術(shù)缺點(diǎn)

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，航空制造領(lǐng)域的工藝技術(shù)已較成熟，但一些薄壁零件的加工工藝仍需提高。如在薄壁長(zhǎng)圓筒零件生產(chǎn)過程中，很多制造廠仍使用塞橡膠、灌鹽水等傳統(tǒng)方法，不僅加工效率極低，而且會(huì)導(dǎo)致零件尺寸精度不穩(wěn)定，同時(shí)增大產(chǎn)品中夾雜多余雜質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，同類零件的工藝規(guī)程規(guī)范性較差，導(dǎo)致車間的排產(chǎn)效率低，且容易出現(xiàn)設(shè)備利用不合理的情況。

在零部件加工過程中，裝夾找正、余量控制及最終尺寸檢測(cè)需要大量高技能工人參與，不僅人工成本較高，而且會(huì)導(dǎo)致機(jī)床設(shè)備停機(jī)等待時(shí)間過長(zhǎng)。零件加工質(zhì)量對(duì)一線操作者技能依賴性強(qiáng)，產(chǎn)品加工過程繼承性差，質(zhì)量不穩(wěn)定。

4 柔性制造系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

柔性制造系統(tǒng)是由數(shù)控加工設(shè)備、物料運(yùn)儲(chǔ)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)[7]，可進(jìn)行零件產(chǎn)品加工過程的自動(dòng)控制、故障自動(dòng)診斷和處理，以及制造信息的自動(dòng)采集和處理，同時(shí)可自動(dòng)控制和管理零件產(chǎn)品、刀具和工裝等的運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程[8]，適用于多品種、中小批量生產(chǎn)[9]。通過編制不同自動(dòng)化加工工藝，柔性制造系統(tǒng)可對(duì)具有相同零件特征的多種零件進(jìn)行柔性化加工。

對(duì)于航空零部件制造而言，柔性制造系統(tǒng)所具有的多種優(yōu)勢(shì)可解決航空零部件制造過程中生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問題[10]。

（1）產(chǎn)品柔性強(qiáng)。柔性制造系統(tǒng)具有較高的產(chǎn)品柔性，在針對(duì)不同零件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)及自動(dòng)化工藝集成后，柔性制造系統(tǒng)可在不進(jìn)行機(jī)床設(shè)備調(diào)整的情況下進(jìn)行產(chǎn)品換型。同時(shí)，不同零件可隨時(shí)混合排產(chǎn)，極大地提高了生產(chǎn)效率。

（2）生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短。柔性制造系統(tǒng)中零件生產(chǎn)過程由生產(chǎn)管理系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行排產(chǎn)，根據(jù)自動(dòng)化加工工藝在柔性制造系統(tǒng)中不同設(shè)備上進(jìn)行零件不同工序的加工，減少了人工排產(chǎn)過程，使設(shè)備利用合理化。同時(shí)，柔性制造系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料、零件自動(dòng)裝夾找正及自動(dòng)對(duì)刀等功能，大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量高。柔性制造系統(tǒng)中的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)零件進(jìn)行加工前測(cè)試找正、加工工序中余量檢測(cè)，以及加工完成后的尺寸最終檢測(cè)，同時(shí)可對(duì)零件尺寸偏差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償加工，形成完整的加工閉環(huán)[11]。通過高精度零點(diǎn)定位系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)不僅保證了裝夾精度符合產(chǎn)品要求，而且避免了人工裝夾過程中的不穩(wěn)定性，最終可保證零件尺寸高度一致性。柔性制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)過程信息，如切削參數(shù)、刀具信息、設(shè)備運(yùn)行情況等均會(huì)被自動(dòng)采集，并存儲(chǔ)于生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，具有可追溯性，便于進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量問題分析和工藝優(yōu)化改進(jìn)等工作，同樣可保證零件質(zhì)量。

（4）上線產(chǎn)品自動(dòng)化工藝規(guī)范。上線產(chǎn)品的工藝規(guī)范均需進(jìn)行自動(dòng)化改進(jìn)，改進(jìn)后的產(chǎn)品工藝具有很好的規(guī)范性及一致性，便于工藝維護(hù)及車間生產(chǎn)管理。

（5）自動(dòng)化程度高，對(duì)操作者依賴性弱。柔性制造系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，具有一鍵操作即可完成特定工序加工的能力，維持生產(chǎn)過程的運(yùn)轉(zhuǎn)只需較少操作者。同時(shí)，生產(chǎn)過程對(duì)操作者技術(shù)水平依賴性較弱，操作者經(jīng)過短期培訓(xùn)即可上崗操作，產(chǎn)品制造過程繼承性較好。

5 柔性制造系統(tǒng)在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

柔性制造系統(tǒng)具有生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短、產(chǎn)品質(zhì)量高、上線產(chǎn)品自動(dòng)化工藝規(guī)范、對(duì)操作者依賴性弱等優(yōu)勢(shì)，可有效解決國內(nèi)航空制造中零件批量小、產(chǎn)品質(zhì)量要求高、加工效率低、機(jī)床利用率低等問題，在部分國內(nèi)航空制造廠家得到了應(yīng)用。

但是，多數(shù)航空制造廠家將機(jī)床等自動(dòng)化硬件設(shè)備的配置作為柔性制造系統(tǒng)應(yīng)用的核心，未圍繞零件自身的自動(dòng)化裝夾、檢測(cè)及加工工藝進(jìn)行柔性生產(chǎn)線的規(guī)劃及功能開發(fā)，導(dǎo)致大量由先進(jìn)設(shè)備搭建的柔性生產(chǎn)線未得到高效利用。

6 起落架扭力臂柔性生產(chǎn)線現(xiàn)狀

某航空制造廠承接兩種起落架扭力臂零件的生產(chǎn)任務(wù)，但在實(shí)際執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)，廠內(nèi)實(shí)際工藝水平較落后，設(shè)備有效運(yùn)轉(zhuǎn)工時(shí)短于產(chǎn)品所需加工生產(chǎn)工時(shí)，無法滿足生產(chǎn)需求，工廠在起落架扭力臂零件的生產(chǎn)供應(yīng)方面持續(xù)處于虧損狀態(tài)。

起落架扭力臂零件如圖1所示。針對(duì)起落架扭力臂零件加工效率低的問題，根據(jù)零件加工工藝，引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，建立了完善的柔性生產(chǎn)線。柔性生產(chǎn)線包含兩臺(tái)斗山HM8000型機(jī)床、四臺(tái)永進(jìn)TV158B型機(jī)床，以及由機(jī)器人、軌道、自動(dòng)化控制箱、安全護(hù)欄、機(jī)械手、物料庫和軟件系統(tǒng)等組成的自動(dòng)化物流系統(tǒng)[12-13]。柔性生產(chǎn)線布局如圖2所示。

在柔性生產(chǎn)線規(guī)劃完成后，柔性生產(chǎn)線控制系統(tǒng)未開發(fā)完善的在線檢測(cè)、設(shè)備監(jiān)控、刀具管理等功能，起落架扭力臂零件在線加工過程仍無法完成自動(dòng)化裝夾找正、在線測(cè)量、補(bǔ)償加工等工作，整條柔性生產(chǎn)線運(yùn)行效率較低，無法真正達(dá)到高機(jī)床利用率的自動(dòng)化加工過程。

▲圖1 起落架扭力臂零件

▲圖2 柔性生產(chǎn)線布局

硬件設(shè)備配置完善后，整條柔性生產(chǎn)線運(yùn)行的核心在于自動(dòng)化加工工藝及系統(tǒng)功能集成方面，必須針對(duì)兩種起落架扭力臂零件進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)集成，以及在線檢測(cè)功能、自動(dòng)找正功能及自動(dòng)化加工工藝的開發(fā)。

7 柔性生產(chǎn)線自動(dòng)化功能開發(fā)

7.1 異常負(fù)載檢測(cè)功能

為對(duì)機(jī)床在自動(dòng)加工運(yùn)行過程中的異?，F(xiàn)象進(jìn)行管理，在原機(jī)床系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)了異常負(fù)載檢測(cè)功能。利用SERVO GUIDE軟件測(cè)定正常加工條件下的負(fù)載值，按需設(shè)定碰撞及刀具破損等異常負(fù)載條件下的報(bào)警閾值，控制系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)際負(fù)載自動(dòng)判斷異常負(fù)載情況并發(fā)出報(bào)警，控制機(jī)床實(shí)現(xiàn)自我停機(jī)保護(hù)，具體原理如圖3所示。

對(duì)原系統(tǒng)參照負(fù)載監(jiān)視標(biāo)準(zhǔn)界面開發(fā)定制化異常負(fù)載顯示及報(bào)警提示界面，實(shí)現(xiàn)報(bào)警水平快捷設(shè)定及基本的刀具壽命統(tǒng)計(jì)功能。負(fù)載監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)界面如圖4所示。

7.2 在線檢測(cè)功能

起落架扭力臂零件的裝配孔尺寸公差精度要求高，為保證各尺寸公差符合設(shè)計(jì)圖紙要求，需對(duì)起落架扭力臂零件進(jìn)行反復(fù)加工、檢測(cè)、補(bǔ)償。而目前柔性生產(chǎn)線上機(jī)床缺少一些必要的軟硬件配置，導(dǎo)致機(jī)床精度自動(dòng)校正、刀具長(zhǎng)度自動(dòng)檢測(cè)、零件中心自動(dòng)檢測(cè)、零件裝夾自動(dòng)檢測(cè)、關(guān)鍵尺寸自動(dòng)抬刀、自動(dòng)測(cè)量補(bǔ)償加工、刀具破損自動(dòng)停機(jī)等功能無法實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致在加工過程中仍需大量人工參與，極大地降低了機(jī)床設(shè)備的有效利用率。

為使起落架扭力臂零件在柔性生產(chǎn)線的加工過程中具有自動(dòng)化找正、在線檢測(cè)及補(bǔ)償加工的功能，根據(jù)需求對(duì)斗山和永進(jìn)機(jī)床配置了機(jī)內(nèi)對(duì)刀儀、接收器、測(cè)頭及刀具全方位檢測(cè)系統(tǒng)，開發(fā)出機(jī)床精度自動(dòng)校正、零件安裝狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)、零件中心自動(dòng)設(shè)定、零件尺寸自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)清洗等宏程序，并使各宏程序可被柔性生產(chǎn)線管理系統(tǒng)方便調(diào)取。

最終使柔性生產(chǎn)線上機(jī)床具有以下集成功能：①機(jī)床精度自動(dòng)校正功能；②零件安裝狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)功能；③零件中心自動(dòng)設(shè)定功能；④ 對(duì)刀儀自動(dòng)校正功能；⑤ 刀具長(zhǎng)度、直徑自動(dòng)檢測(cè)功能；⑥ 加工過程中刀具磨損自動(dòng)補(bǔ)償功能；⑦加工過程中主軸過載保護(hù)功能；⑧加工后零件自動(dòng)測(cè)量功能；⑨加工后零件自動(dòng)清洗功能。

7.3 自動(dòng)化加工工藝

兩種起落架扭力臂零件均為模鍛件材料，且起落架扭力臂零件外形不規(guī)則，夾持較困難，在原加工工藝中大量使用傳統(tǒng)壓板夾持方式，為避免加工干涉需多次裝卸零件。

▲圖3 異常負(fù)載檢測(cè)功能原理

▲圖4 負(fù)載監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)界面

為使起落架扭力臂零件適用于柔性生產(chǎn)線自動(dòng)上下料系統(tǒng)，應(yīng)用了含零點(diǎn)定位模塊的裝夾托板，不僅減少了零件裝夾次數(shù)，同時(shí)降低了操作難度。零點(diǎn)定位模塊如圖5所示。

為減少起落架扭力臂零件翻面裝夾次數(shù)，避免零件多次上下料，采用了高精度內(nèi)脹夾具，如圖6所示。

為增強(qiáng)起落架扭力臂零件的裝夾剛性，保證起落架扭力臂零件加工及測(cè)量精度，采用了高強(qiáng)度螺栓作為夾具緊固件，如圖7所示。

同時(shí)，針對(duì)兩種起落架扭力臂零件，調(diào)整并合并部分工序使生產(chǎn)節(jié)拍合理化。根據(jù)粗、精加工特征優(yōu)化加工刀具及數(shù)控程序，減少刀具重復(fù)調(diào)用次數(shù)及程序間跳刀次數(shù)，最終固化加工工藝，并將其集成于柔性制造系統(tǒng)中。

7.4 調(diào)試驗(yàn)證

對(duì)起落架扭力臂零件加工工藝逐步進(jìn)行上線調(diào)試，驗(yàn)證加工工藝、刀具、檢測(cè)及自動(dòng)化物流系統(tǒng)的有效性與高效性。在經(jīng)過連續(xù)16 h自動(dòng)加工驗(yàn)證無誤后，這一起落架扭力臂零件小批量產(chǎn)品的柔性化生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)。

8 柔性制造系統(tǒng)應(yīng)用效果

對(duì)起落架扭力臂零件應(yīng)用具備完善功能的柔性制造系統(tǒng)后，在縮短零件加工工時(shí)的同時(shí)提高了機(jī)床利用率，使工廠產(chǎn)能完全滿足起落架扭力臂零件產(chǎn)量，并實(shí)現(xiàn)盈利。

（1）零件加工工時(shí)縮短。對(duì)兩種起落架扭力臂零件工藝進(jìn)行自動(dòng)化改造后，零件裝夾次數(shù)減少，數(shù)控程序運(yùn)行時(shí)間縮短，自動(dòng)化裝夾找正及在線檢測(cè)功能的應(yīng)用還縮短了零件裝夾時(shí)間及工序中檢測(cè)時(shí)間。優(yōu)化前后零件加工工時(shí)對(duì)比見表1。

表1 優(yōu)化前后零件加工工時(shí)對(duì)比

由表1可看出，兩種起落架扭力臂零件在柔性生產(chǎn)線上進(jìn)行加工后，單件加工效率最高提高為42.9%。

（2）設(shè)備利用率提高。在應(yīng)用柔性制造系統(tǒng)后，機(jī)床設(shè)備利用率大幅提高。航空制造領(lǐng)域大多數(shù)單臺(tái)機(jī)床有效利用率僅為30%左右，而通過縮短裝夾找正和工序中人工測(cè)量、換刀、對(duì)刀等機(jī)床停機(jī)等待時(shí)間，起落架扭力臂零件的加工過程已可實(shí)現(xiàn)全天不間斷加工，機(jī)床設(shè)備利用率可達(dá)70%左右。

（3）產(chǎn)品質(zhì)量一致性提高。在應(yīng)用柔性制造系統(tǒng)后，大量減少裝夾找正、檢測(cè)等人工參與環(huán)節(jié)，避免了人工操作一致性差的問題。上線產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)尺寸精度一致性較高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品報(bào)廢率從應(yīng)用柔性制造系統(tǒng)前的1.5%降低至1%以下。

9 總結(jié)

針對(duì)某航空制造廠現(xiàn)有柔性生產(chǎn)線無法高效自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)功能開發(fā)與針對(duì)起落架扭力臂零件的自動(dòng)化加工工藝集成，使這一柔性生產(chǎn)線可正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)，并使起落架扭力臂零件單件加工效率提高42.9%，機(jī)床設(shè)備使用率達(dá)70%。同時(shí)，產(chǎn)品報(bào)廢率從應(yīng)用柔性制造系統(tǒng)前的1.5%降低至1%以下。

▲圖5 零點(diǎn)定位模塊

▲圖6 內(nèi)脹夾具

▲圖7 高強(qiáng)度螺栓

柔性制造系統(tǒng)作為當(dāng)今制造自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的先進(jìn)成果，具有生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短、產(chǎn)品質(zhì)量高、上線產(chǎn)品自動(dòng)化工藝規(guī)范、對(duì)操作者依賴程度弱等優(yōu)勢(shì)，可有效解決國內(nèi)航空制造領(lǐng)域中零件批量小、產(chǎn)品質(zhì)量要求高、加工效率低、機(jī)床利用率低等問題，在部分國內(nèi)航空制造廠商中得到了應(yīng)用。

在應(yīng)用柔性制造系統(tǒng)過程中需立足于自動(dòng)化加工工藝集成與系統(tǒng)開發(fā)集成，缺少系統(tǒng)開發(fā)集成、在線檢測(cè)、自動(dòng)裝夾及自動(dòng)化加工工藝的柔性制造系統(tǒng)無法真正實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化加工。同時(shí)，自動(dòng)化加工工藝、刀具管理系統(tǒng)、在線檢測(cè)系統(tǒng)等并不具有普適性，需針對(duì)特定零件進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)應(yīng)保證系統(tǒng)規(guī)范、有效。