航空結(jié)構(gòu)件自動化生產(chǎn)線及關(guān)鍵技術(shù)概述

李 穎 陶文堅 陳學(xué)振

(航空工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，四川 成都610092)

制造裝備是衡量一個國家制造業(yè)水平的直接體現(xiàn)，制造裝備的發(fā)展直接決定著未來制造水平的發(fā)展。

經(jīng)過多年的發(fā)展，航空制造裝備已全面進入數(shù)字化時代，逐漸發(fā)展到自動化制造階段。數(shù)控加工過程無人工干預(yù)、機床狀態(tài)實時監(jiān)控、零件在線檢測、機床精度補償、加工刀具異常預(yù)警等自動化技術(shù)的發(fā)展，為航空制造裝備的發(fā)展提供了強勁動力。近年來，飛機的更新?lián)Q代給航空結(jié)構(gòu)件制造模式帶來了革命性的變化，自動化技術(shù)的應(yīng)用已不局限于單個設(shè)備的自動化[1]，將多種自動化設(shè)備集成到一個生產(chǎn)線系統(tǒng)里，實現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)流程的自動化，才是充分發(fā)揮自動化技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵。

多自由度機械手、自動提升裝置已在汽車、家電等自動化生產(chǎn)線中成熟應(yīng)用[2]，由于航空結(jié)構(gòu)件具有批量少、品種多的特點，自動化生產(chǎn)線在航空結(jié)構(gòu)件制造領(lǐng)域的推廣受到極大約束。隨著自動化技術(shù)、制造技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控加工逐漸從單機加工模式向自動化生產(chǎn)線加工模式轉(zhuǎn)變[3],并正朝著智能化加工模式的方向發(fā)展，其發(fā)展的核心思想始終是圍繞設(shè)備的加工效率進行，目標(biāo)是實現(xiàn)數(shù)控加工過程中的無人工干預(yù)，最大限度提升設(shè)備的產(chǎn)能[4]。

傳統(tǒng)單機加工模式主要是通過操作人員對毛坯進行裝夾、原點找正、程序調(diào)用、中間過程監(jiān)測等方式進行，該方式下的每一步驟都嚴(yán)重依賴人員經(jīng)驗，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，以準(zhǔn)備時間長、生產(chǎn)效率低為特點的單機加工模式與高效的經(jīng)濟發(fā)展顯得格格不入。在此基礎(chǔ)上人們提出了一種自動化生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線的主要特點是應(yīng)用自動化、信息化等技術(shù)手段開發(fā)新功能，以代替單機模式下的體力勞動，盡可能地減少人員工作量，提高生產(chǎn)效率[5-6]。自動化生產(chǎn)線是自動化加工的典型代表，是實現(xiàn)智能化加工的前提條件，本文將從硬件、軟件、流程及關(guān)鍵技術(shù)等方面對自動化生產(chǎn)線進行全面介紹，為自動化生產(chǎn)線的高效應(yīng)用及為智能化生產(chǎn)線的發(fā)展提供參考。

1 自動化線加工概述

自動化生產(chǎn)線是一套由軟件和硬件共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)，集機械、電氣、液壓、控制、工藝、機加和檢測等方面技術(shù)于一體，具有自檢測、自判別及自加工的特點，可最大限度減少加工過程中的人工干預(yù)，對小批量、多品種的航空結(jié)構(gòu)件加工具有明顯優(yōu)勢。

1.1 硬件構(gòu)成

與傳統(tǒng)加工方式不同的是自動化生產(chǎn)線是以組合件(毛坯、工裝和工作臺三者的組合體)為單位進行，自動化生產(chǎn)線包括組合件加工的數(shù)控機床加工區(qū)、組合件傳輸?shù)奈锪鲄^(qū)、組合件存儲的緩存區(qū)、組合件安裝和拆解的裝卸區(qū)、進行零件測量的測量區(qū)，以及保障整個生產(chǎn)線協(xié)同運行的控制區(qū)，具體構(gòu)成如圖1所示。

裝卸區(qū)：裝卸區(qū)的主要功能包括“裝”和“卸”兩方面：一方面可在此將毛坯、工裝裝夾在工作臺上形成待加工的組合件；另一方面可在此將加工完成后的組合件進行拆解，分離出加工完成的零件。

緩存區(qū)：緩存區(qū)主要是對裝卸區(qū)內(nèi)組裝完成的組合件，以及加工區(qū)加工完成的組合件進行緩存，也可對生產(chǎn)所需的毛坯和工裝進行存儲。由于航空結(jié)構(gòu)件相對批量小，類型復(fù)雜，應(yīng)優(yōu)先滿足組合件緩存的需求，毛坯和工裝一般不放置于緩存區(qū)。

物流區(qū)：物流區(qū)主要承擔(dān)組合件在裝卸區(qū)、緩存區(qū)、加工區(qū)之間的運輸任務(wù)，在總控系統(tǒng)的調(diào)度下自動執(zhí)行特定運輸任務(wù)。

加工區(qū)：加工區(qū)主要執(zhí)行組合件的加工任務(wù)，組合件運至機床后隨即開始加工。機床的加工過程包括找正、加工和測量3個部分，這個階段數(shù)控加工中心會執(zhí)行程序包，該程序包相對于非自動化加工的程序包，增加了自動化線的專用子程序功能，包括加工前找正程序，加工中特征測量監(jiān)控程序，加工后在機測量程序，自動換刀、測刀程序等，以及調(diào)用一些保證過程質(zhì)量的輔助程序，實現(xiàn)刀具監(jiān)控，設(shè)備可靠運行。

測量區(qū)：主要作用是采用三坐標(biāo)測量機對拆卸后的零件進行測量，重點對機床的各種尺寸進行測量。

1.2 軟件構(gòu)成

要實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線各硬件功能模塊的協(xié)同工作以達到預(yù)期功能，必須要在生產(chǎn)管控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下才能完成，按照功能將其分為資源管理系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)和加工控制系統(tǒng)，各系統(tǒng)在生產(chǎn)管控系統(tǒng)的調(diào)度指揮下協(xié)同作業(yè)以完成指定的生產(chǎn)任務(wù)，其控制流程如圖2所示。

(1)生產(chǎn)線管控系統(tǒng)：自動化生產(chǎn)線管控系統(tǒng)主要是承接生產(chǎn)計劃要求，協(xié)調(diào)線內(nèi)軟硬件資源，進行派工排產(chǎn)。它像大腦一樣對生產(chǎn)資源、物流系統(tǒng)和加工控制系統(tǒng)進行聯(lián)結(jié)，實行統(tǒng)一調(diào)度管理。

(2)資源管理系統(tǒng)：資源管理系統(tǒng)的主要作用是為生產(chǎn)管控系統(tǒng)提供資源準(zhǔn)備，具體包括工裝管理、程序管理、刀具管理和物料管理4個子系統(tǒng)，其承擔(dān)整個生產(chǎn)線的“后勤保障”角色，是生產(chǎn)線順利運行的基礎(chǔ)。

①工裝管理系統(tǒng)：作為工裝數(shù)據(jù)檢測及存儲系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)管理線上所有區(qū)域的工裝數(shù)量、位置和狀態(tài)等信息，在接到生產(chǎn)線管控系統(tǒng)的資源信息需求指令后，將工裝的狀態(tài)信息反饋給生產(chǎn)線管控系統(tǒng)。

②程序管理系統(tǒng)：作為加工區(qū)內(nèi)程序的識別、下載和存儲管理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)接收和執(zhí)行管控系統(tǒng)的指令，對指定程序進行搜索、下載和存儲，并將程序當(dāng)前的狀態(tài)信息反饋至生產(chǎn)線管控系統(tǒng)。

③刀具管理系統(tǒng)：作為生產(chǎn)線的刀具數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，管理中央刀庫存儲區(qū)以及加工中心刀庫的刀具數(shù)量、位置、狀態(tài)等信息，根據(jù)生產(chǎn)線管控系統(tǒng)發(fā)出的刀具準(zhǔn)備指令，自行為各加工區(qū)域配備相應(yīng)型號的刀具。

④物料管理系統(tǒng)：作為管控系統(tǒng)物料數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)，管理毛坯、工裝、組合件的數(shù)量、位置、狀態(tài)等信息，根據(jù)生產(chǎn)線管控系統(tǒng)發(fā)出的物料準(zhǔn)備指令，準(zhǔn)備相應(yīng)的毛坯和工裝。

(3)物流管理系統(tǒng)：物流管理系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)生產(chǎn)線管控系統(tǒng)的指令，將生產(chǎn)資料在加工區(qū)、存儲區(qū)、裝卸區(qū)之間來回運輸。

(4)加工控制系統(tǒng)：在具備生產(chǎn)條件后，加工系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)線管控系統(tǒng)的指令執(zhí)行零件的加工任務(wù)。以生產(chǎn)任務(wù)作為自動化生產(chǎn)線的輸入，以成品作為自動化生產(chǎn)線的輸出，對生產(chǎn)線內(nèi)各管控系統(tǒng)之間的關(guān)系進行梳理，其流程大致可分為任務(wù)分解、資源準(zhǔn)備、資源確認(rèn)和任務(wù)執(zhí)行4大步驟，如圖3所示。

任務(wù)分解主要是由生產(chǎn)線管控系統(tǒng)對生產(chǎn)任務(wù)進行分解，分解出執(zhí)行該項任務(wù)所需的生產(chǎn)資源，并形成相應(yīng)的資源配置指令，發(fā)送給資源管理系統(tǒng)；資源管理系統(tǒng)根據(jù)資源配置指令，將資源準(zhǔn)備任務(wù)分配給各子系統(tǒng)，驅(qū)動各子系統(tǒng)反饋當(dāng)前資源狀態(tài)，并對反饋的資源信息進行判斷，將未準(zhǔn)備到位的資源進行匯總，給生產(chǎn)線管控系統(tǒng)發(fā)送調(diào)用物流系統(tǒng)的請求；生產(chǎn)線管控系統(tǒng)結(jié)合物流請求，給物流管理系統(tǒng)發(fā)送資源運輸指令，物流管理系統(tǒng)將指令分配至各子系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)資源運輸任務(wù)，并將執(zhí)行結(jié)果反饋至資源管理系統(tǒng)；資源管理系統(tǒng)對資源準(zhǔn)備情況進行核對確認(rèn)后，報生產(chǎn)線管控系統(tǒng)進一步資源確認(rèn)。

待生產(chǎn)線管控系統(tǒng)接收到資源管理系統(tǒng)所反饋的生產(chǎn)資源備齊信號之后，生產(chǎn)線管控系統(tǒng)即可驅(qū)動加工控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)加工任務(wù)，并由加工控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)進行加工過程中的組件測量和監(jiān)控任務(wù)，直至完成組件加工輸出成品。

1.3 生產(chǎn)線的工作流程

結(jié)合生產(chǎn)線的軟硬件構(gòu)成，生產(chǎn)線的工作流程可梳理為：將零件加工所需的毛坯、工裝運至裝卸區(qū)等待組合；在裝卸區(qū)將毛坯和工裝按照工藝要求安裝在工作平臺上，形成待加工的組合件；物流小車將待加工組合件運送至緩存區(qū)等待加工；根據(jù)生產(chǎn)計劃，通過物流小車將緩存區(qū)的待加工組合件運送至指定機床；機床在確認(rèn)零件加工所需的刀具和程序準(zhǔn)備到位后，進行組合件的加工；組合件加工完成后，由物流小車將其運送至緩存區(qū)等待拆卸；在接到生產(chǎn)指令后，物流小車將緩存區(qū)的組合件運送至拆卸區(qū)；在拆卸區(qū)對組合件進行拆解，將零件取出；取出的零件被送至測量區(qū)進行測量，測量合格后即形成最終成品,自動化生產(chǎn)線從毛坯至成品的生產(chǎn)作業(yè)流程如圖4所示。

2 自動化生產(chǎn)線應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

從自動化生產(chǎn)線的硬件及軟件構(gòu)成來看，自動化生產(chǎn)線是一個集物流、自動排產(chǎn)、自動加工、協(xié)同控制等技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，要保障自動化生產(chǎn)線能夠充分發(fā)揮預(yù)期效能，達到準(zhǔn)時、高質(zhì)交付航空結(jié)構(gòu)件的目的，從工藝、生產(chǎn)和設(shè)備等方面開展系列應(yīng)用技術(shù)研究是必不可少的環(huán)節(jié)。文章從設(shè)備和工藝的角度對自動化生產(chǎn)線的幾項關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)進行梳理，為后續(xù)順利開展生產(chǎn)線的應(yīng)用提供參考。

2.1 生產(chǎn)線自動化加工技術(shù)

生產(chǎn)線的自動化加工，一個顯著的特點就是加工過程無人工干預(yù)，根據(jù)組合件在生產(chǎn)線中的物流過程，其涉及的兩個重要的無人工干預(yù)點包括組合件與工作臺間的零點自找正技術(shù)和加工過程中關(guān)鍵尺寸自檢測技術(shù)。

(1)組合件與工作臺間的零點自找正技術(shù)

在裝卸區(qū)域內(nèi)將毛坯、工裝和托盤進行組裝形成組合件，組合件作為一個整體待加工單元需要準(zhǔn)確安裝在機床工作臺上才能進行加工，組合件與工作臺之間的零點定位是關(guān)鍵，其定位精度直接決定了后續(xù)加工中零件的質(zhì)量。利用測頭對工裝或毛坯關(guān)鍵定位特征進行測量，并將測量誤差自動補償進入坐標(biāo)系，以建立新的坐標(biāo)系。根據(jù)加工中心的結(jié)構(gòu)，零點找正方式有不同的要求，在找正程序運行中存在的坐標(biāo)軸靜態(tài)、動態(tài)誤差，應(yīng)考慮將誤差補償值賦在找正程序中，以保證原點坐標(biāo)系基準(zhǔn)的精確，如圖5所示。

(2)加工過程中關(guān)鍵尺寸自檢測技術(shù)

在加工坐標(biāo)系建立后，機床即可執(zhí)行NC程序進行零件加工，這部分占自動化加工時間最長，在加工過程中進行測量，及時掌握零件的加工精度，是保證零件加工過程順利進行的關(guān)鍵。加工中的測量主要是在加工過程中對關(guān)鍵特征進行測量，即在加工中間階段自動調(diào)用測頭對零件關(guān)鍵特征的形狀、輪廓進行測量判斷，若無問題則繼續(xù)執(zhí)行加工程序，屬于過程質(zhì)量保障，如圖6所示。

2.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及應(yīng)用技術(shù)

生產(chǎn)線在自動化加工過程中，需要對設(shè)備的健康狀態(tài)進行實時監(jiān)控，設(shè)備人員掌握設(shè)備狀態(tài)第一手資料，以便在計劃內(nèi)協(xié)調(diào)停工解決存在隱患，最大程度避免計劃外的停工對生產(chǎn)造成影響，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控主要包括兩方面，即機床的機械狀態(tài)監(jiān)控和機床的精度狀態(tài)監(jiān)控。

(1)機械狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)

機械狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的基本思想是通過采集機床運行過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如電流、扭矩、功率、振動和溫度等)，進而對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換提取特征值(如有效值、方差、峭度、頻譜等)，在此基礎(chǔ)上開展數(shù)據(jù)處理和運算深度挖掘特征值所隱含的設(shè)備故障信息，并通過軟件集成相關(guān)算法，從而實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的設(shè)備機械狀態(tài)直觀表達與診斷，如表1所示為電流評價指標(biāo)。

表1 基于電流的機械狀態(tài)評價指標(biāo)

(2)精度狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)

基于設(shè)備基礎(chǔ)運行數(shù)據(jù)進行精度狀態(tài)監(jiān)控的方法，較傳統(tǒng)通過檢測儀器和手段具有監(jiān)控效率高、監(jiān)測便捷的特點。其基本思路是采集機床運行特定軌跡過程中各軸光柵尺的位置，通過對數(shù)據(jù)進行篩選處理后，經(jīng)多體運動學(xué)理論，將各軸的位置集成到機床刀尖點，通過對比刀尖點理論和實際軌跡計算出機床的聯(lián)動誤差，從而實現(xiàn)對機床精度狀態(tài)的監(jiān)控，如圖7所示為采集機床空運行S軌跡所計算出的刀具軌跡誤差和實際切削S試件所得刀尖誤差的對比圖。

2.3 刀具狀態(tài)監(jiān)控及應(yīng)用技術(shù)

在加工過程中，因刀具磨損、刀具斷裂、切削力異常等因素引起的零件質(zhì)量問題較為突出，其根本原因是無法對加工過程中刀具的異常情況進行報警并停機，開展刀具狀態(tài)實時監(jiān)控并及時對異常情況進行報警停機，是避免因刀具問題造成零件質(zhì)量事故的關(guān)鍵。

(1)刀具壽命監(jiān)控技術(shù)

刀具預(yù)期壽命評估是自動化線穩(wěn)定可靠運行的保障，但受制于航空結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜性，該功能應(yīng)用較少。航空結(jié)構(gòu)件加工刀具壽命的影響因素較多，有加工參數(shù)、加工材料、加工環(huán)境、輔助加工材料和刀具類型等等，因此直接推算刀具壽命難度較大，采用大數(shù)據(jù)統(tǒng)計法得到刀具壽命參考值，并在應(yīng)用實驗中進行迭代優(yōu)化，已成為刀具壽命監(jiān)控的發(fā)展趨勢。

(2)主軸振動監(jiān)控技術(shù)

以主軸振動狀態(tài)擬合刀具狀態(tài)，在每項零件的加工過程中，檢測主軸內(nèi)置傳感器的振動、電流等信號并實時繪制曲線，形成該項零件對應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)曲線圖，并以此編寫形成子程序。在自動化線每次加工該項零件時候，調(diào)用該子程序，若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)曲線和實時曲線相差到一定閾值，觸發(fā)報警。這種方法，可以避免刀具損壞繼續(xù)加工帶來的產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險。

(3)激光測刀儀自動測量技術(shù)

數(shù)控加工中心通常配有激光測刀硬件系統(tǒng)，作為刀具長度測量和破損檢測的工具。自動化生產(chǎn)線加工中提出了一些新的應(yīng)用方案，在加工某些占機時間較長的結(jié)構(gòu)件程序中加入刀具參數(shù)自動測量子程序，通過調(diào)用該子程序來對刀具狀態(tài)進行檢查，以避免因刀具磨損帶來的零件質(zhì)量事故；在加工某些關(guān)鍵復(fù)雜工序前后進行調(diào)用執(zhí)行，保障關(guān)重零件正常加工；也可和過程監(jiān)控及刀具壽命監(jiān)控協(xié)同使用，在觸發(fā)某些閾值前自動進行該子程序調(diào)用。

2.4 離線測量技術(shù)

在機床內(nèi)對加工中的零件進行在機測量能夠?qū)ψ罱K成品結(jié)構(gòu)件進行測量評估，這種方式主要使用機床自帶測頭，能夠快速形成結(jié)果，保證線長時間加工的連續(xù)性。但這種自帶的測頭在使用過程中受標(biāo)定方式、使用環(huán)境、裝夾方式等因素的影響，容易出現(xiàn)測量誤差，再加上其所屬數(shù)控加工中心的精度影響，在機測量準(zhǔn)確度不高，僅適用于公差帶要求不高的結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，要對零件實行最終尺寸精度評價還得通過下線測量來實現(xiàn)。離線測量是指零件程序執(zhí)行完后通過物流轉(zhuǎn)到三坐標(biāo)測量機進行測量，三坐標(biāo)測量機本身精度能力高于數(shù)控加工中心，因此部分關(guān)重零件的尺寸精度得通過下線測量的方式進行，并出具零件尺寸精度報告。

3 自動化線加工的發(fā)展趨勢

航空結(jié)構(gòu)件具有小批量,多品種的典型特點,在生產(chǎn)制造過程中毛坯/成品的頻繁裝卸占據(jù)了零件的加工時間，是制約生產(chǎn)效率提升的關(guān)鍵因素。自動化生產(chǎn)線的引入解決了這一核心問題，其通過設(shè)置專門的裝卸區(qū)對零件進行安裝和拆卸，減少了零件裝卸的占機時間，并通過生產(chǎn)管理系統(tǒng)協(xié)同控制實現(xiàn)了零件在裝卸區(qū)、存儲區(qū)和加工區(qū)的流動，最大化提升了設(shè)備的生產(chǎn)效率。

然而，一種硬件結(jié)構(gòu)的自動化線所加工的零件類型是相對固定的，要實現(xiàn)多種機型上千種結(jié)構(gòu)和種類零件的加工，僅靠一條自動化線是不夠的，智能制造模式下的多條自動化線協(xié)同工作已成為自動化線在小批量、多品種航空結(jié)構(gòu)件加工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，通過智能制造技術(shù)推進，實現(xiàn)在對生產(chǎn)過程的設(shè)備、原材料、工藝全面監(jiān)控的基礎(chǔ)上進行智能優(yōu)化決策，最大限度提升航空結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)效率與加工質(zhì)量。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)航空結(jié)構(gòu)件在小批量、多品種航空加工過程中零件裝卸占機時間長，影響設(shè)備的生產(chǎn)效率，自動化生產(chǎn)線解決了這一難題。本文從軟件、硬件兩方面系統(tǒng)介紹了一種自動化生產(chǎn)線，并結(jié)合軟硬件功能系統(tǒng)分析了生產(chǎn)線的工作和作業(yè)流程，在此基礎(chǔ)上從設(shè)備和工藝的角度提出了保障生產(chǎn)線順利運行的4項關(guān)鍵技術(shù)，得出生產(chǎn)線組網(wǎng)協(xié)同運行是未來航空結(jié)構(gòu)件高效加工和智能制造的發(fā)展趨勢，主要結(jié)論如下。

(1)從軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩方面對自動化生產(chǎn)線的工作流程進行了全面介紹，生產(chǎn)線的自動化運行是軟件和硬件協(xié)同的結(jié)果，生產(chǎn)效率高。

(2)自動加工技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)以及離線測量技術(shù)，是保障自動化生產(chǎn)線高效運行的關(guān)鍵，文章從工藝和設(shè)備角度指出并簡要分析了各項技術(shù)的要點。

(3)在國家強國戰(zhàn)略的背景下，發(fā)展自動化生產(chǎn)線技術(shù)是推進智能制造技術(shù)的基礎(chǔ)，在嘗試進行多條自動化生產(chǎn)線交互組網(wǎng)應(yīng)用的同時，開展智能化應(yīng)用探索是未來生產(chǎn)線發(fā)展的趨勢。