目前航空制造業(yè)數(shù)控設(shè)備技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)

■航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （陜西 710089） 劉紅安 李元華

1.我國航空制造業(yè)面臨的國際競(jìng)爭壓力之大前所未有

目前，國際著名航空企業(yè)為了在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭過程中立于不敗之地，其生產(chǎn)效率大大提升，各種制造成本繼續(xù)壓縮，新技術(shù)的應(yīng)用不斷普及并深入，達(dá)到了令人嘆為觀止的程度。因?yàn)樾碌墓芾砝砟畹漠a(chǎn)生和新技術(shù)的應(yīng)用為發(fā)展航空工業(yè)的生產(chǎn)力提供了無限的可能。如波音公司在飛機(jī)裝配線（見圖1）中成功地使用了脈動(dòng)式總裝線，這一創(chuàng)造性應(yīng)用的成功，同時(shí)也帶動(dòng)了其他飛行器制造商的發(fā)展。

受此影響，其他航空制造業(yè)巨頭也不甘示弱，繼波音之后，美國的洛克希德·馬丁公司通過技術(shù)革新，大大提升了航空產(chǎn)品的制造效率。于2017年，洛克希德·馬丁共生產(chǎn)了66架F-35戰(zhàn)機(jī)，F(xiàn)-35脈動(dòng)生產(chǎn)線如圖2所示，2018年預(yù)計(jì)將達(dá)到90架，隨著技改的深入，當(dāng)洛馬將目前最先進(jìn)的飛機(jī)制造技術(shù) “集成裝配線（Integrated Assembly Line，IAL）”投入到制造和裝配環(huán)節(jié)，洛馬的最終目標(biāo)是在2023年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)160架F-35戰(zhàn)機(jī)！

我們?cè)隗@嘆這一連串令人眼花繚亂的數(shù)字的同時(shí)，不禁要問：“作為航空產(chǎn)品的零部件制造和供應(yīng)商，如何才能縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快步伐與多、快、好、省的提供產(chǎn)品零部件，與航空產(chǎn)品的整機(jī)裝配環(huán)節(jié)無縫銜接？”。

如果全盤否定目前的管理模式與生產(chǎn)組織方式，一味照搬國際知名企業(yè)的“成功經(jīng)驗(yàn)”與作法，則與“瘦身健體，提質(zhì)增效”的指導(dǎo)原則大相徑庭，并且因?yàn)闆]有經(jīng)歷類似先進(jìn)制造技術(shù)探索的過程和經(jīng)驗(yàn)積累，很可能會(huì)陷入“欲速則不達(dá)”的尷尬境地！

圖1 Aft Body裝配線工廠進(jìn)行波音Dreamliner機(jī)身裝配

圖2 F-35脈動(dòng)生產(chǎn)線

2.《中國制造2025》的前瞻性指導(dǎo)意見是航空制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的不竭動(dòng)力

報(bào)告中說，加快推動(dòng)新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向；著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平。

這個(gè)指導(dǎo)意見是建立在對(duì)當(dāng)前航空制造業(yè)的技術(shù)應(yīng)用狀態(tài)和水平充分調(diào)查的基礎(chǔ)上的，如果從設(shè)備的角度出發(fā)，有幾點(diǎn)值得重視。

圖3 S（Snake）件的試切檢測(cè)

（1）設(shè)備的生產(chǎn)效率低下，作為業(yè)內(nèi)衡量標(biāo)準(zhǔn)的綜合設(shè)備效率OEE （Overall Equipment Effectiveness）值一般僅為50%，遠(yuǎn)低于及格線65%的水平。

（2）設(shè)備的配置比率嚴(yán)重失衡，作為下游供貨商，為了保證產(chǎn)品零部件及時(shí)保質(zhì)保量交付，不延誤整機(jī)裝配生產(chǎn)，一般來說，合理的生產(chǎn)設(shè)備按照性能、精度等指標(biāo)的高低配置比例應(yīng)為1:1，然而實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的比例則是3:7，并且由于設(shè)備的技改進(jìn)程遲緩，導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備仍然與目前國際上先進(jìn)設(shè)備在性能上有很大差距，出現(xiàn)了“高端不高，低端太低”的現(xiàn)象。

（3）其實(shí)，設(shè)備除了關(guān)注其復(fù)雜程度、精度高低等關(guān)鍵指標(biāo)，還應(yīng)考慮最大化提高其自動(dòng)化程度，為智能化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

譬如，對(duì)于某類大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行探傷檢測(cè)的射線拍照儀，實(shí)際操作過程中仍然采用人工放底片、人工搬運(yùn)工件、人工換位拍照和人眼看片的方式，其在人員安全防護(hù)、勞動(dòng)強(qiáng)度和工作效率方面等與智能化、自動(dòng)化和綠色制造的要求都還相距甚遠(yuǎn)；如果在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備性能提升、技術(shù)改造，如射線隔離和遠(yuǎn)程終端控制、AGV小車自動(dòng)搬運(yùn)零件和機(jī)器人抓取自動(dòng)調(diào)姿、相片自動(dòng)成像、投影和放大，以易于操作人員進(jìn)行識(shí)別判斷產(chǎn)品質(zhì)量是否合格等，將極大地改善人員安全防護(hù)、勞動(dòng)強(qiáng)度和工作效率情況。

（4）目前，航空制造業(yè)的高端制造領(lǐng)域，如大型結(jié)構(gòu)件、框、長桁及壁板類零件等關(guān)鍵零部件的加工，在用的國產(chǎn)數(shù)控設(shè)備以及完全使用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備占比較低，數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)、光柵尺、傳動(dòng)機(jī)械裝置、高精度導(dǎo)軌、絲杠和閥島等核心部件仍然長期依賴于國際知名品牌制造商，需要進(jìn)口，其價(jià)值高昂、采購周期長且技術(shù)支持缺乏。因此，數(shù)控系統(tǒng)以及相關(guān)核心部件國產(chǎn)化必須提升到戰(zhàn)略高度。

為了滿足航空類零部件加工工藝要求，用戶都首選精度高、加工效率高和性能可靠的國外知名大廠的數(shù)控設(shè)備，這反映出了一個(gè)令人尷尬的現(xiàn)實(shí)，即國家04專項(xiàng)已經(jīng)提出并實(shí)施了很長一個(gè)時(shí)期，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，國產(chǎn)數(shù)控設(shè)備和配置國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備的性能與進(jìn)口設(shè)備仍有一定差距，在精度、效率、速率、穩(wěn)定性、環(huán)境適用性和維修保養(yǎng)等方面需不斷改進(jìn)與提升。

目前，隨著CAD技術(shù)的日益普及，工藝技術(shù)要求零部件的制造、裝配精度必須嚴(yán)格按照公差帶（包括尺寸及幾何公差）執(zhí)行，因此航空制造業(yè)在設(shè)備引進(jìn)與技改方面，又對(duì)設(shè)備的性能提出了更為“苛刻”的標(biāo)準(zhǔn)及要求。譬如，對(duì)于數(shù)控設(shè)備綜合性能指標(biāo)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)有NAS、錐臺(tái)試件的切削實(shí)驗(yàn)，對(duì)此業(yè)界人已達(dá)成共識(shí)，近幾年在此基礎(chǔ)上又提出了對(duì)于五坐標(biāo)數(shù)控設(shè)備的新的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)S（Snake）件的試切驗(yàn)收，如圖3所示。

在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)上，必須達(dá)到以下測(cè)量要求：①外形輪廓尺寸公差達(dá)到±0.05mm（測(cè)量）。②交檢提供測(cè)量面測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)。③零件厚度公差達(dá)到±0.1mm。④表面粗糙度值Ra＝3.2μm。⑤零件加工時(shí)間為15min。

筆者曾經(jīng)在兩臺(tái)五坐標(biāo)數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行S件的試切并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，一臺(tái)是進(jìn)口設(shè)備，數(shù)控系統(tǒng)配置西門子840Dsl，一臺(tái)是配置某國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的國產(chǎn)數(shù)控設(shè)備，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如附表所示。

以上結(jié)果，除了RTCP精度補(bǔ)償是在機(jī)床靜態(tài)下，通過五坐標(biāo)的復(fù)合聯(lián)動(dòng)用百分表檢測(cè)測(cè)得，其它檢測(cè)項(xiàng)則是在數(shù)控設(shè)備上對(duì)S試件一次精加工后，在測(cè)量機(jī)上對(duì)加工結(jié)果實(shí)際測(cè)得，這是高精度數(shù)控設(shè)備動(dòng)態(tài)性能的重要考量指標(biāo)項(xiàng)。由此可以看出，國產(chǎn)數(shù)控設(shè)備及配置國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備在控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、五軸插補(bǔ)和切削速率上還有很大提升空間。

五坐標(biāo)機(jī)床加工的S件試切檢測(cè)結(jié)果對(duì)比表

（5）數(shù)控加工車間的設(shè)備信息化程度需要有質(zhì)的提升。德國西門子公司的赫爾穆特·路德維希指出，無論你生產(chǎn)現(xiàn)代商用飛機(jī)、節(jié)油型汽車還是高性能高爾夫球桿，產(chǎn)品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，簡寫PLM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，簡寫MES）以及工業(yè)自動(dòng)化所使用的技術(shù)都在幫助制造廠商通過提高生產(chǎn)力、縮短創(chuàng)新周期并盡量降低風(fēng)險(xiǎn)，以實(shí)現(xiàn)總收入的增長。目前，各企業(yè)都在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)流基礎(chǔ)上大力開發(fā)MES系統(tǒng)，可以說，都取得了一定的成果，如工藝文件的傳輸、查詢、刀具技術(shù)參數(shù)的獲取、設(shè)備技術(shù)狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋、零部件的工序轉(zhuǎn)換和狀態(tài)交接等，縮短了中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了無紙化辦公，一定程度上，提高了加工效率，減少了出差錯(cuò)概率。但在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)有丟數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集不實(shí)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)無法讀取、數(shù)據(jù)刷新實(shí)時(shí)性差和不直觀等缺陷，甚至還需要工藝人員、運(yùn)營計(jì)劃人員、設(shè)備維護(hù)人員及管理人員親自到現(xiàn)場(chǎng)了解實(shí)際情況。這在一定程度上限制了MES系統(tǒng)的作用，充分說明，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要真正發(fā)揮作用，還必須在數(shù)據(jù)底層安全、BOM的選擇、接口協(xié)議、數(shù)控技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)工廠網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等方面下足功夫，將這些關(guān)鍵因素有機(jī)的銜接起來，使MES系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)際中真正發(fā)揮效能。筆者曾去國外某工廠參觀，發(fā)現(xiàn)MES系統(tǒng)在其生產(chǎn)過程中居然扮演著糾錯(cuò)、防錯(cuò)的角色，究其原理，就是將數(shù)控機(jī)床的在線測(cè)量功能激活，與零件的數(shù)模實(shí)時(shí)對(duì)比進(jìn)行校驗(yàn)，一旦偏離值超出閾值，MES將產(chǎn)生中斷，進(jìn)行提示或者干預(yù)。

因此，航空制造業(yè)精益工廠關(guān)于生產(chǎn)設(shè)備的工藝流程、設(shè)備狀態(tài)和自主維護(hù)等必須植入到工廠信息化工程建設(shè)中，從而為實(shí)現(xiàn)智能加工打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.先進(jìn)制造技術(shù)的出現(xiàn)引領(lǐng)航空制造業(yè)效能提升

目前，航空制造業(yè)都在聚焦主價(jià)值鏈，積極推進(jìn)精益工廠建設(shè)，實(shí)現(xiàn)績效卓越的目標(biāo)。所謂精益工廠就是能夠高效、快速及準(zhǔn)時(shí)的響應(yīng)及滿足客戶需求，通過不斷的流程優(yōu)化、消除浪費(fèi)等持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率和低成本生產(chǎn)，準(zhǔn)時(shí)化交付。綜合設(shè)備效率OEE（Overall Equipment Effectiveness）是關(guān)鍵因素，強(qiáng)調(diào)了零件制造加工的有效時(shí)間，而將工件、器具準(zhǔn)備時(shí)間、故障時(shí)間、設(shè)備維保時(shí)間、產(chǎn)品質(zhì)量損失和設(shè)備性能下降等不利因素全部排除在外。因此，具有先進(jìn)制造技術(shù)的數(shù)控設(shè)備符合這樣的要求。

例如，國外同行目前在用的加工大型零部件的A320機(jī)翼蒙皮板的生產(chǎn)解決方案：柔性制造系統(tǒng)包括7臺(tái)機(jī)床、60個(gè)交換工作臺(tái)、4個(gè)設(shè)置站和2臺(tái)軌道車，如圖4所示。

圖4 A320機(jī)翼蒙皮板生產(chǎn)線

其中每臺(tái)機(jī)床具有以下功能和特點(diǎn)：工件立式裝載，臥式加工，移動(dòng)立柱，固定工作臺(tái)；X坐標(biāo)行程21 800mm；采用臥式主軸實(shí)現(xiàn)鋁合金組件的高速、高性能5軸加工；X、Y、Z坐標(biāo)G00快速定位速度65m/min；主軸轉(zhuǎn)速21 000r/min；直線軸具有最高的加速度和減速度1g；40把刀鏈?zhǔn)降稁欤唤粨Q工作臺(tái)承重≥6 000kg，交換過程自動(dòng)化，一次裝夾完成所有加工；加裝聲波探頭能夠?qū)Ρ诤偷匕搴穸茸詣?dòng)超聲波測(cè)量；切削和加工工藝經(jīng)過專門優(yōu)化等。在這樣強(qiáng)大的設(shè)備先進(jìn)技術(shù)的支撐下，該公司每年為空客A320生產(chǎn)1 200個(gè)機(jī)翼蒙皮板！

4.結(jié)語

《中國制造2025》要求到2025年，制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域全面實(shí)現(xiàn)智能化，形成一批具有較強(qiáng)國際競(jìng)爭力的跨國公司和產(chǎn)業(yè)集群，在全球產(chǎn)業(yè)分工和價(jià)值鏈中的地位明顯提升。航空制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的任務(wù)緊迫而艱巨，但同時(shí)航空制造業(yè)也迎來重大機(jī)遇！因此，企業(yè)必須立足自身現(xiàn)有條件，利用自身優(yōu)勢(shì)，積極開展技術(shù)創(chuàng)新、自主創(chuàng)新，遵循精益的理念，以問題為導(dǎo)向，精準(zhǔn)聚焦，迅速改變、創(chuàng)新傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備功能和流程，減少人為干預(yù)，努力提高零件制造加工的有效時(shí)間，從而提高設(shè)備綜合利用率OEE，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代。