面向多品種大型筒類薄壁件的智能生產(chǎn)線設(shè)計及優(yōu)化

張月紅 鄭聯(lián)語 李春雷 潘旺旺 張志奇 桑曉宏

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院,北京 100191；2.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司,長治 046012）

1 引言

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，某產(chǎn)品外壁通常由圓柱筒類、圓錐筒類及異形筒類薄壁件等強(qiáng)質(zhì)比高、承載力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)組成，為滿足特殊功能需求，此類薄壁件大多結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復(fù)雜且外形尺寸精度要求高，加工過程中材料去除量大、壁薄易變形、整體生產(chǎn)效率低等難題為其加工精度及效率的提升帶來了很大的挑戰(zhàn)[1]。《中國制造2025》明確提出將智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠及數(shù)字化產(chǎn)線[2]。在《〈中國制造2025〉重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新綠皮書》中，“大型輕量化整體及高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)制造技術(shù)”被列為航空航天裝備領(lǐng)域共性關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。綜合來看，建設(shè)多品種大型薄壁件智能生產(chǎn)線是實(shí)現(xiàn)高精制造、快速響應(yīng)的必經(jīng)之路。生產(chǎn)線建設(shè)面臨呈現(xiàn)多型號并舉、研制與批產(chǎn)并重的局面，亟須通過智能化手段實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、協(xié)同效率、研制能力的提升，也對提升產(chǎn)能極限和大型薄壁件的生產(chǎn)能力提出了更高的要求。

目前，國內(nèi)制造過程正處在全面推行數(shù)字化和自動化應(yīng)用階段，而智能產(chǎn)線是數(shù)字化、自動化向更高階段發(fā)展的必然趨勢。因此，通過構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)線可為其零部件高精高效裝夾定位、切削加工提供有效解決途徑，而多品種大型薄壁件具有“變批量、多品種、混線生產(chǎn)”的特點(diǎn)，因此，如何以三類典型結(jié)構(gòu)件為對象建立智能生產(chǎn)線，并研究突破其建設(shè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步掌握理論方法和技術(shù)支撐尤為重要。對產(chǎn)線設(shè)計與優(yōu)化具體表現(xiàn)在：a.生產(chǎn)線設(shè)計與優(yōu)化可使產(chǎn)線中各資源得到有效利用，提高產(chǎn)線效率；b.產(chǎn)線優(yōu)化技術(shù)可改進(jìn)線內(nèi)瓶頸工位，使產(chǎn)品生產(chǎn)過程更加均衡，減少生產(chǎn)過程等待或阻塞狀態(tài)造成的在制品堆積；c.可快速作出調(diào)整，快速響應(yīng)當(dāng)前需求，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

2 多品種大型筒類薄壁件布局預(yù)設(shè)計

2.1 產(chǎn)線設(shè)計需求

本文面向的多品種大型筒類薄壁件主要包含圓柱類、圓錐類、異形件三類件產(chǎn)品，如圖1所示。各件主要工藝流程如圖2所示。

圖1 三類筒類薄壁件加工特征

圖2 多品種大型筒類薄壁件工藝流程

圓柱件零件基本結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體，直徑尺寸1200mm，高度1500mm，成品壁厚尺寸2mm。圓錐件屬狹窄腔體薄壁零件，前端尺寸為Φ750mm，高度1500mm，成品壁厚尺寸2mm，公差0.1mm。異形筒類薄壁件為鋁鑄件，成品尺寸為Φ1300mm×1100mm，成品壁厚尺寸2.5mm，輪廓度要求不大于0.03mm。

上述筒類薄壁件加工過程中存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鑄造毛坯一致性差、余量不均等問題，急需結(jié)合智能化手段建立多品種大型筒類薄壁件智能產(chǎn)線。為此，擬通過設(shè)備選型及產(chǎn)線設(shè)計布局兩個方面完成產(chǎn)線預(yù)設(shè)計。

綜合考慮成本與效率問題，混線比時產(chǎn)線平衡率應(yīng)不低于80%。在實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)基礎(chǔ)上，仍需滿足以下約束條件：生產(chǎn)線占地長160m，寬24m，硬件設(shè)備投入不大于4500 萬元。產(chǎn)線主要面向大型筒類薄壁件，需要進(jìn)行加工的特征主要包含端面、外壁、內(nèi)壁、窗口、筋格等，產(chǎn)品尺寸精度需要滿足要求，具有快速換產(chǎn)能力，同時兼顧公司其他產(chǎn)品。

2.2 設(shè)備選型

多品種大型筒類薄壁件制造過程中，主要包含銑削、車削、鉗工、數(shù)字化測量及熱處理等工藝。其中，用于銑/車削等機(jī)加設(shè)備及數(shù)字化測量設(shè)備選型是產(chǎn)線設(shè)計中較為關(guān)鍵的步驟，設(shè)備選型為見表1。

表1 智能產(chǎn)線中關(guān)鍵設(shè)備相關(guān)信息

2.3 生產(chǎn)線布局預(yù)設(shè)計

生產(chǎn)線分為鉗工區(qū)(含預(yù)留區(qū)）、設(shè)備區(qū)及存儲區(qū)，如圖3所示。鉗工區(qū)主要用于劃線、位姿調(diào)整、安裝工裝夾具、去毛刺等工作；設(shè)備區(qū)主要放置各類機(jī)加設(shè)備；存儲區(qū)用于存儲工件毛坯及成品。

圖3 智能生產(chǎn)線初始設(shè)計

在完成初始設(shè)計后，通過理論計算及軟件仿真兩種方法對產(chǎn)線瓶頸工位分析，進(jìn)而對設(shè)備類型、站位布置、投產(chǎn)比例、投產(chǎn)間隔等優(yōu)化，使產(chǎn)線內(nèi)各資源利用率盡可能平衡，產(chǎn)能盡量提高。

3 基于離散事件仿真模型的生產(chǎn)線資源瓶頸分析

利用PlantSimulation 軟件對多品種大型筒類薄壁件智能產(chǎn)線進(jìn)行建模，采用工位模型表示不同的機(jī)床，調(diào)整混線比時，修改三種工件的百分比即可，按照一定混合比隨機(jī)出料到達(dá)生產(chǎn)線；加工時長設(shè)置可以通過修改各工位對應(yīng)工序加工時間的方式實(shí)現(xiàn)。針對2臺相同設(shè)備的情況，在AGV 到達(dá)工位前傳感器首先對兩個工位上工件數(shù)量進(jìn)行比較，調(diào)度邏輯是工件少的工位優(yōu)先獲得新的工件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個相同工位的合理運(yùn)輸選擇。以每年工作350d 計算，2 班制，每班實(shí)際工作時間7.5h，即每天工作15h，設(shè)備利用率按99.98%計算，建立初始產(chǎn)線的仿真模型。

基于該模型，按照三種工件1∶1∶1 的混線比隨機(jī)出料，通過改變在制品數(shù)，分析在制品數(shù)與生產(chǎn)效率的關(guān)系；通過改變投產(chǎn)間隔，即每隔一段時間投入1 件毛坯，分析投產(chǎn)間隔與生產(chǎn)效率的關(guān)系。共設(shè)置以下6 組實(shí)驗(yàn)探尋產(chǎn)能極限，仿真結(jié)果見表2。投產(chǎn)間隔1d、在制品數(shù)為6 時的設(shè)備利用率如圖4所示。

表2 混線比為1∶1∶1 時不同方案的產(chǎn)出

圖4 設(shè)備利用率

從以上分析可知，設(shè)備利用率不均衡，設(shè)備利用率最高的為細(xì)長附件銑鏜床，接近100%，利用率最低的為TK 臥式銑鏜床，不足20%，三類產(chǎn)品共產(chǎn)出91件。根據(jù)用戶需求，不同時期需投產(chǎn)的混線比不同。同理仿真以下四種常用混線比，三類零件的年產(chǎn)量見表3，在所有工位中工作時間占比中最高的仍然是細(xì)長附件頭臥式銑鏜床，表明該工位為此次仿真中生產(chǎn)線的瓶頸工位。

表3 不同混線比時年產(chǎn)量

方案6、10、12 中，在制品數(shù)達(dá)到5 時產(chǎn)能達(dá)到極限，仍不滿足設(shè)計要求，當(dāng)在制品數(shù)量達(dá)到6 時系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到極限堵塞卡死。欲提高產(chǎn)能、提升產(chǎn)線平衡率，就需要在生產(chǎn)線中增加一臺細(xì)長附件頭臥式銑鏜床或其它優(yōu)化方案來解決產(chǎn)能問題，而增加設(shè)備會導(dǎo)致成本過高，擬采用其它優(yōu)化方案解決。

4 考慮產(chǎn)能平衡的產(chǎn)線優(yōu)化

針對常用的幾種混線投產(chǎn)比，大部分機(jī)加設(shè)備利用率未達(dá)到40%。擬定以下三條優(yōu)化措施：a.設(shè)備替代；b.增加機(jī)外預(yù)調(diào)工作站；c.工藝優(yōu)化。優(yōu)化方案如圖5所示。

圖5 產(chǎn)線優(yōu)化方案

4.1 設(shè)備替代

因異形件的外形輪廓不規(guī)則，按照初始布局設(shè)計需要在五軸臥式銑鏜床上加工，工序時間長，設(shè)備成本較高。為節(jié)約成本，擬在四軸臥式銑鏜床上加工，采用PBC130 四軸銑鏜設(shè)備上實(shí)現(xiàn)外形輪廓的加工。采用工作臺旋轉(zhuǎn)螺旋加工時，機(jī)床主軸前后運(yùn)動幅度較大，不利于切削，直接影響工件表面加工質(zhì)量；而采用工作臺分度、三軸聯(lián)動擬合成型的方法加工，又會在加工中出現(xiàn)加工盲區(qū)，在曲率變化大的位置，甚至刀柄與工件會發(fā)生碰撞，如果采用較長的加長桿會產(chǎn)生較大震顫。但若將球刀更換成環(huán)刀，再將刀具偏置一個合適的角度，利用刀具側(cè)刃切削，即可解決。根據(jù)工件表面粗糙度要求，設(shè)置刀具與工件接觸時產(chǎn)生的殘留高度，推算出機(jī)床應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度，使工作臺每轉(zhuǎn)一個角度刀具就進(jìn)行一次切削，從而實(shí)現(xiàn)對異形零件外形的加工。該加工方法需要結(jié)合CAM 軟件來編制加工程序，但對于CAM 軟件針對異形曲面的加工策略大多數(shù)都為五軸加工策略，四軸設(shè)備又完成不了該曲面的加工，通過對五軸策略限制，在設(shè)置工件旋轉(zhuǎn)軸的同時，設(shè)置另一個軸為固定角度，即規(guī)避第五軸參與銑削，在四軸設(shè)備上只用1 個旋轉(zhuǎn)軸和3 個直線軸來加工，再通過一系列仿真試驗(yàn)，對刀具直徑、刀具形狀、切削角度不斷調(diào)整，確定加工參數(shù)，最后通過仿真精度對比，確定該四軸設(shè)備能替代五軸的方案，既能夠滿足精度要求，又節(jié)約成本。如圖6所示。

圖6 設(shè)備替代前后精度對比分析

4.2 增加機(jī)外預(yù)調(diào)工作站

由于大型筒類薄壁件尤其是異形件，找正裝夾過程需要在機(jī)床上反復(fù)裝調(diào)，機(jī)床利用率極低。為此，在產(chǎn)線內(nèi)的鉗工區(qū)增加一臺機(jī)外預(yù)調(diào)工作站，將測量找正任務(wù)在機(jī)床外部執(zhí)行，避免占用切削加工時間。

為實(shí)現(xiàn)圓柱類零件周向打表精度，在機(jī)外預(yù)調(diào)工作站設(shè)計時，需滿足Z軸與回轉(zhuǎn)臺平面垂直度小于0.02mm，在此基礎(chǔ)上，在四軸設(shè)備搭建過程中，以回轉(zhuǎn)臺平面為基準(zhǔn)，安裝三軸懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)，并確?；剞D(zhuǎn)臺的0°方向與懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)的Y軸方向平行，90°方向與坐標(biāo)測量機(jī)的X軸方向平行，從而確保懸臂式坐標(biāo)測量機(jī)與回轉(zhuǎn)臺之間有確定的相對位置關(guān)系，進(jìn)而確保二者之間基準(zhǔn)統(tǒng)一。

通過四軸測量設(shè)備與測量末端相配合即可完成多品種大型筒類薄壁件位姿數(shù)據(jù)測量與調(diào)整。除此之外，為方便工人操作，該站位同時配置其他配件，包括大屏幕、工作柜、工位電腦等。最后，通過手柄或者上位機(jī)下發(fā)運(yùn)動指令來控制四軸運(yùn)動，測量過程保持測量末端不動，通過回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)周向打表測量，保持回轉(zhuǎn)臺不同，上下移動Z軸實(shí)現(xiàn)母線直線度測量；保持回轉(zhuǎn)臺及測量末端不動，通過關(guān)節(jié)臂掃描儀實(shí)現(xiàn)異形薄壁件位姿測量。

機(jī)外預(yù)調(diào)工作站管控軟件集成了大型結(jié)構(gòu)件加工位姿數(shù)據(jù)分析、調(diào)整量計算及異構(gòu)設(shè)備通訊等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件最佳加工位姿計算、調(diào)姿位置和調(diào)整量計算、位姿狀態(tài)可視化展示等功能，包括軟件功能模塊、系統(tǒng)工作流程、數(shù)據(jù)存儲方案和任務(wù)管控。與零點(diǎn)定位系統(tǒng)一同使用，可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間的快速換裝，如圖7所示。

圖7 機(jī)外預(yù)調(diào)工作站組成

4.3 工藝優(yōu)化

結(jié)合仿真分析，瓶頸工位為細(xì)長附件銑鏜床，確定出空閑較大的設(shè)備，為充分利用該產(chǎn)線上的各設(shè)備，重新對工藝進(jìn)行拆分、整合、替代，購置專用銑頭，將狹小空間必須使用細(xì)長附件銑鏜床的工序，轉(zhuǎn)移到五軸銑鏜床，同時擴(kuò)充產(chǎn)品類型，如數(shù)控立車用來加工封頭類產(chǎn)品，TK6513 數(shù)控銑鏜床和細(xì)長附件銑鏜床可以用來加工框體類產(chǎn)品，如圖8所示。方案優(yōu)化后產(chǎn)線布局如圖9所示。

圖8 工藝優(yōu)化后的產(chǎn)線模型

圖9 工藝優(yōu)化后的產(chǎn)線模型

5 生產(chǎn)線優(yōu)化后產(chǎn)能及設(shè)備利用率分析

基于該模型，利用Plant Simulation 重新構(gòu)建優(yōu)化后的產(chǎn)線模型。為進(jìn)一步提高產(chǎn)能及設(shè)備利用率，對產(chǎn)線運(yùn)行中的幾個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括多類產(chǎn)品投產(chǎn)比例、在制品數(shù)、投產(chǎn)間隔及緩沖容量等，可得到最大產(chǎn)能。當(dāng)圓錐、圓柱、異形、封頭、框體=1∶1∶1∶0.5∶2 時，經(jīng)仿真得出，在制品數(shù)25、投產(chǎn)間隔1d，設(shè)備利用率最低的為第2 臺五軸龍門銑，已超過85%，各設(shè)備利用充分，產(chǎn)線較為均衡，見圖10。

圖10 產(chǎn)線優(yōu)化后年產(chǎn)量及設(shè)備利用率

根據(jù)上級單位不同時期需求預(yù)測及公司排產(chǎn)規(guī)劃，進(jìn)一步優(yōu)化各類產(chǎn)品投產(chǎn)比例，分別為2∶1∶1∶0.5∶3、4∶2∶3∶2∶7、3∶1∶2∶2∶6、1∶6∶3∶2∶5，其中，前3 類典型件是常見的混線比，后2 種封頭及框體零件的混線比是根據(jù)各工序加工時長通仿真出來產(chǎn)能相對較高的比例配置，用來驗(yàn)證工藝改進(jìn)后方案的合理性，仿真結(jié)果如表4所示。

表4 不同混線比下五種零件產(chǎn)能

加權(quán)情況下，設(shè)備利用率為：

式中，Ui，si分別為設(shè)備i的利用率，工位數(shù)量。產(chǎn)線平衡率=各工作站利用時間總和/（最大利用時間×工作站數(shù)）×100%。

經(jīng)計算，各混線比產(chǎn)線平衡率見表5所示。優(yōu)化后產(chǎn)能大幅度提升，5 類產(chǎn)品產(chǎn)能最大可達(dá)303 件。設(shè)備平均利用率得到較大提升，均在82%以上，最高可96.03%。產(chǎn)線平衡率大幅度提升，均在84%以上，最高可達(dá)97%。通過設(shè)備替代及工藝優(yōu)化，將2 臺五軸替換成2 臺四軸機(jī)床，同時少購置一臺細(xì)長附件頭銑鏜床，共計可節(jié)約成本1843 萬元，產(chǎn)線總成本3782萬元。

表5 各混線比產(chǎn)線平衡率%

6 產(chǎn)線實(shí)物驗(yàn)證

產(chǎn)線建設(shè)過程中，除配置硬件系統(tǒng)外，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)組織、資源配置、執(zhí)行管控、質(zhì)量控制、數(shù)字化采集、物流轉(zhuǎn)運(yùn)及數(shù)據(jù)分析展示等數(shù)字化管控功能，需開展信息化系統(tǒng)建設(shè)，包括生產(chǎn)線控制系統(tǒng)、全壽命周期管理系統(tǒng)TC、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、企業(yè)資源管理系統(tǒng)ERP 等。形成以制造執(zhí)行系統(tǒng)MES 為核心，向上與TC、ERP 進(jìn)行集成，向下與生產(chǎn)線控制系統(tǒng)及倉儲物流系統(tǒng)WMS 實(shí)現(xiàn)集成的數(shù)字化生產(chǎn)線。建成的產(chǎn)線硬件系統(tǒng)如圖11所示，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)如圖12所示。

圖11 硬件系統(tǒng)

圖12 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

7 結(jié)束語

本章根據(jù)產(chǎn)線需求，結(jié)合產(chǎn)品加工特征，對產(chǎn)線進(jìn)行初始布局，采用Plant Simulation 仿真分析找出瓶頸資源，針對瓶頸工位提出了三種優(yōu)化方案：通過設(shè)備替代降低成本；通過增加機(jī)外預(yù)調(diào)工作站開展“機(jī)外找正機(jī)內(nèi)加工”，實(shí)現(xiàn)尋位加工；多種工藝優(yōu)化手段相結(jié)合，通過工序整合改變產(chǎn)線內(nèi)瓶頸工位的同時，其他設(shè)備的利用率也得到了較大程度上的提高。

提出了考慮產(chǎn)能平衡的多品種大型筒類薄壁件智能產(chǎn)線設(shè)計優(yōu)化方法。通過離散事件仿真模型確定瓶頸資源，進(jìn)而以提高產(chǎn)線產(chǎn)能并產(chǎn)線平衡率為目標(biāo)，對工藝順序、設(shè)備類型、關(guān)鍵參數(shù)及產(chǎn)品種類進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)各設(shè)備利用率均衡，產(chǎn)線平衡率大大提升，產(chǎn)能得到充分提高。

設(shè)計了面向多品種大型筒類薄壁零件測量找正一體化的綜合式通用機(jī)外預(yù)調(diào)工作站。通過四軸測量設(shè)備與測量末端相配合的方式完成多品種大型筒類薄壁件位姿測量。該設(shè)備是國內(nèi)首臺用于多品種大型筒類薄壁件位姿測量與調(diào)整的混合式通用設(shè)備，目前已進(jìn)行成功應(yīng)用。