FMC在航空大型結(jié)構(gòu)件加工中的應(yīng)用研究

趙中剛 吳 強(qiáng) 李天祥 方岳文 張 云

(成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限公司數(shù)控加工廠，四川 成都610091)

當(dāng)今，“柔性”、“敏捷”、“智能”和“集成”［1］乃是制造設(shè)備和系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。柔性制造單元(FMC)有獨(dú)立的工件儲(chǔ)存站和單元控制系統(tǒng)，能在機(jī)床上自動(dòng)裝卸工件，自動(dòng)檢測工件，可實(shí)現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產(chǎn)，適于多品種小批量生產(chǎn)應(yīng)用［2］。FMC的基本功能有:(1)自動(dòng)的核心加工功能;(2)自動(dòng)化的內(nèi)部運(yùn)輸;(3)前二者的綜合控制［3］。

航空大型數(shù)控機(jī)床具有規(guī)格大、聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)多、控制功能強(qiáng)、主軸轉(zhuǎn)速范圍大、坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)精度高等特點(diǎn)［4］。案例設(shè)備具有可互相交換的兩個(gè)裝夾平臺(tái)，具備高精度探頭和Renishaw刀具測量系統(tǒng)，加工過程中刀具的監(jiān)控功能，根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備功能，在實(shí)際工程應(yīng)用中還有以下應(yīng)用問題有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

(1)2個(gè)裝夾平臺(tái)能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交換，自動(dòng)依序加工各自裝夾平臺(tái)上的工件?

(2)對于相同或不同工件來說，能否實(shí)現(xiàn)混合加工?根據(jù)工件的到料情況，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)相同或不同工件的混合生產(chǎn)，由系統(tǒng)按照加工順序，自動(dòng)逐一完成每項(xiàng)工件的加工。

(3)能否實(shí)現(xiàn)實(shí)際加工過程中，工件的快速更換，工件的快速退出，以及中斷后柔性加工系統(tǒng)的快速恢復(fù)等應(yīng)用問題?

(4)能否保證每項(xiàng)工件的加工原點(diǎn)，加工程序，加工刀具，加工狀態(tài)的一一對應(yīng)性，保證柔性生產(chǎn)中，多項(xiàng)工件之間加工的安全性，可靠性?

這些問題也是困擾現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)，提高工件加工效率，保證工件、設(shè)備安全的重要考量依據(jù)。因此本文以此為突破口，進(jìn)行深入的探索。

1 FMC功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)

1.1 FMC加工流程

五坐標(biāo)臥式加工中心擁有2個(gè)可互相交換的工作平臺(tái)，每個(gè)工作平臺(tái)上設(shè)計(jì)2個(gè)(或更多)可單獨(dú)控制的獨(dú)立工件，每臺(tái)設(shè)備共設(shè)計(jì)4項(xiàng)可單獨(dú)控制的工件。如圖1所示，1號(hào)平臺(tái)上為1#和2#工件，2號(hào)平臺(tái)上為3#和4#工件。當(dāng)1#工件加工完成后，自動(dòng)加工2#工件，1號(hào)平臺(tái)完成加工后2個(gè)平臺(tái)自動(dòng)交換，加工3#和4#工件，同時(shí)卸下已加工完的1#和2#工件并裝上新的1#和2#工件，2號(hào)平臺(tái)加工完后，又自動(dòng)交換平臺(tái)，加工1#和2#工件。周而復(fù)始，直至所有工件加工完成。平臺(tái)根據(jù)實(shí)際任務(wù)量，實(shí)際加工中也可3項(xiàng)或2項(xiàng)工件進(jìn)行柔性生產(chǎn)。

設(shè)備操作人員進(jìn)行柔性加工時(shí)，僅需要將每個(gè)工件分配給對應(yīng)的平臺(tái)，將要加工的工件在FMC程序中，分配給相應(yīng)參數(shù)，直接運(yùn)行即可啟動(dòng)程序，進(jìn)入FMC柔性加工。

無加工任務(wù)的參數(shù)，不需輸入。如表1所示。

在實(shí)際加工過程中，僅僅啟動(dòng)FMC主程序，由FMC程序自動(dòng)逐一、順序調(diào)用相應(yīng)工件的加工程序和加工刀具。

1.2 某項(xiàng)零件在FMC中的退出

FMC系統(tǒng)自動(dòng)按照程序FMC中設(shè)定的加工數(shù)量，完成相應(yīng)工件的生產(chǎn)，當(dāng)數(shù)量為0時(shí)，F(xiàn)MC系統(tǒng)自動(dòng)屏蔽此工件的加工，保持其余幾項(xiàng)工件的繼續(xù)生產(chǎn)。

FMC運(yùn)行過程中，需臨時(shí)終止某些工件的加工時(shí)，僅僅將工件的加工數(shù)量T_LIST［］輸入為0，系統(tǒng)會(huì)在保持其余幾項(xiàng)工件加工的同時(shí)，自動(dòng)屏蔽此零件的生產(chǎn)。

1.3 某項(xiàng)工件FMC中的加入

當(dāng)柔性加工過程中的工件不足4項(xiàng)時(shí)，在不影響當(dāng)前柔性加工的同時(shí)，可隨時(shí)增加一項(xiàng)或二項(xiàng)工件加入柔性生產(chǎn)，隨時(shí)接收有效新工件的加入。

此項(xiàng)功能需要修改BEA_PROG_PAL(工件名稱控制)和T_LIST［］(工件加工數(shù)量控制)兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)都要準(zhǔn)確設(shè)定，配對出現(xiàn)，缺一不可，并且不能占用正在FMC加工工件的設(shè)定參數(shù)，否則拒絕新工件的加入，以保證原FMC系統(tǒng)繼續(xù)正常生產(chǎn)。

當(dāng)系統(tǒng)允許新工件加入后，只要有源源不斷的新工件的加入，F(xiàn)MC就會(huì)不間斷地自動(dòng)運(yùn)行，直至所有工件加工完畢，無任務(wù)停工。

1.4 FMC中斷處加工(FMC中斷后的恢復(fù))

柔性加工過程中，廠房有可能出現(xiàn)停電、停氣、設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警等情況，此時(shí)FMC柔性加工至中途，柔性加工中斷。

因此設(shè)備必須具備以下功能:自動(dòng)隨時(shí)記錄當(dāng)前加工的平臺(tái)號(hào)、當(dāng)前加工的工件、當(dāng)前加工的工步程序，便于程序中斷后，F(xiàn)MC系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行當(dāng)前程序的查找。

當(dāng)需要從中斷處加工時(shí)，直接啟動(dòng)程序FMC，系統(tǒng)自動(dòng)選擇柔性加工中斷時(shí)所加工的平臺(tái)、正加工的工件、當(dāng)前加工的工件的工步程序，繼續(xù)加工，保持原來的柔性加工。

需要注意的是:當(dāng)程序中斷至某根程序的中間位置，程序又不能夠從頭再次加工時(shí)，需要將當(dāng)前程序加工完畢后，直接啟動(dòng)柔性加工程序FMC即可。

2 FMC保障支持系統(tǒng)

FMC加工過程中，除裝夾工件外，可實(shí)現(xiàn)全過程無人工干預(yù)化，大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工件加工的穩(wěn)定性，質(zhì)量的可靠性。

當(dāng)柔性生產(chǎn)過程中，一方面由于人為的因素，如裝夾錯(cuò)誤，程序錯(cuò)誤，刀具錯(cuò)誤等，另一方面由于加工過程的刀具意外破損，設(shè)備過載等情況的發(fā)生，給無人工干預(yù)帶來了挑戰(zhàn)，給FMC提出了新的要求，提高FMC可靠的保障支持系統(tǒng)，非常必要。

2.1 FMC加工中工件裝夾狀態(tài)的識(shí)別

為了保證柔性加工中的每項(xiàng)工件都能夠正確裝夾，并且每項(xiàng)工件與加工程序的正確匹配，設(shè)定匹配性檢查。

表1 FMC主程序

(1)工件的正確性識(shí)別方案

利用探頭找正程序:能夠識(shí)別工件工藝孔孔距的正確性，如果實(shí)際工藝孔孔距與設(shè)定值不符，表明加工程序與加工工件不符，系統(tǒng)將報(bào)警暫停，F(xiàn)MC暫停加工。這種可靠性檢查主要用來防止工件長寬不等時(shí)，工件的錯(cuò)誤裝夾，如公用工裝中的多項(xiàng)工件。

利用CHECK_PART()程序:能夠識(shí)別工件厚度的正確性，如果實(shí)際工件厚度與設(shè)定值不符時(shí)，表明加工程序與加工工件不符，系統(tǒng)暫停，F(xiàn)MC暫停加工。這種可靠性檢查主要用來防止工件厚度不等工件的錯(cuò)誤裝夾，如工件的正反面。

(2)螺釘正確性識(shí)別

利用CHECK_BOLT程序，對工件中的壓緊螺釘進(jìn)行逐個(gè)檢測，能夠發(fā)現(xiàn)理論的壓緊位置有無壓緊螺釘，以及螺釘是否壓緊，避免加工過程中銑削螺釘?shù)那闆r發(fā)生。

通過檢測實(shí)際加工工件的長、寬、厚，以及螺釘?shù)难b夾狀態(tài)，來判別工件裝夾的正確性，從而有效避免了由于更換工件未換程序，工件錯(cuò)誤裝夾，以及螺釘未壓緊等情況的發(fā)生，使FMC系統(tǒng)能夠進(jìn)行異常情況的預(yù)判斷，出現(xiàn)異常能夠啟動(dòng)報(bào)警程序，暫停工件的加工，保證工件和設(shè)備的安全。

2.2 原點(diǎn)坐標(biāo)值正確性檢測

為確保柔性加工中，每項(xiàng)工件原點(diǎn)值的正確性，柔性加工中的每項(xiàng)工件，每根程序，都進(jìn)行原點(diǎn)正確性檢測。

通過CHECK_ORIGIN子程序，將加工過的每個(gè)工件的原點(diǎn)坐標(biāo)值，系統(tǒng)自動(dòng)存入到ORIGING_DATE文件中，作為備份;當(dāng)下次加工此項(xiàng)工件時(shí)，將備份數(shù)據(jù)讀出，與當(dāng)前加工的實(shí)際原點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖2所示多方面比對，符合后，才進(jìn)行實(shí)際的工件生產(chǎn)加工，從而保證了每項(xiàng)工件原點(diǎn)坐標(biāo)值的正確性。

2.3 FMC加工中刀具幾何尺寸的檢測

本設(shè)備擁有一套R(shí)enishaw NC4刀具檢測系統(tǒng)，它是一套精確度極高的光學(xué)測量裝置，可在加工制造過程中監(jiān)控加工中心的刀具狀況并進(jìn)行自動(dòng)刀具測量與設(shè)定。

實(shí)際應(yīng)用中，我們通過后臺(tái)子程序CHECK_TOOL以保證實(shí)現(xiàn):刀具從刀庫調(diào)出后，針對不同類型的刀具進(jìn)行刀具半徑、長具長度、刀具底角R的檢查，若刀具幾何尺寸(長度或半徑)超出公差范圍，刀具將被鎖定，并暫停工件的繼續(xù)加工，以保證在FMC柔性生產(chǎn)中刀具的正確使用。如圖3所示。

2.4 刀具壽命管理

挖掘西門子系統(tǒng)刀具壽命管理功能，對FMC加工刀具的實(shí)際加工時(shí)間進(jìn)行管理，當(dāng)加工中的刀具，加工時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警程序，加工完成當(dāng)前程序后，刀具自動(dòng)鎖定，系統(tǒng)不允許再次調(diào)用此刀具，避免刀具的過長時(shí)間的使用給零件和設(shè)備帶來的隱患。如圖4所示。

2.5 FMC加工中程序的防調(diào)錯(cuò)

(1)加工程序編碼化

每根加工程序都擁有一組特定的編碼，用于程序的識(shí)別。我們將每根加工程序的程序名，定義為每根程序的識(shí)別碼，如M2501W。

(2)加工程序的識(shí)別功能

加工完每根程序后，利用INPUT_CODE子程序自動(dòng)將下一個(gè)要加工的程序的識(shí)別碼輸入到系統(tǒng)變量中。

每啟動(dòng)一次加工程序時(shí)，利用CHECK_PRO子程序首先將啟動(dòng)程序的識(shí)別碼與變量內(nèi)的識(shí)別碼進(jìn)行比對，若不一致，系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警，暫停FMC的繼續(xù)加工;只有當(dāng)識(shí)別碼驗(yàn)證合格后，才能進(jìn)行繼續(xù)FMC柔性加工，從而保證所有工件的加工都能夠按照正確的加工順序依次加工，避免由于程序的錯(cuò)誤調(diào)用，給工件和設(shè)備帶來安全隱患。如圖5所示

2.6 FMC加工全過程的監(jiān)控

利用ARTIS系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)床監(jiān)控，可完成主軸、刀具過載保護(hù)，可實(shí)現(xiàn)刀具振動(dòng)值的監(jiān)控和預(yù)警。如圖6所示。

對于首次加工的工件，將輸出的主軸功率和刀具的振動(dòng)曲線，設(shè)為參考曲線，在實(shí)際生產(chǎn)中，再次加工此項(xiàng)工件時(shí)，一方面當(dāng)?shù)毒咂茡p或磨損，銑傷螺釘，實(shí)際主軸功率曲線或刀具振動(dòng)曲線會(huì)迅速上升，大于設(shè)定值，進(jìn)行ARTIS保護(hù)，暫停工件的加工，另一方面，當(dāng)?shù)毒邅G失，主軸功率曲線或刀具振動(dòng)曲線會(huì)迅速下降，小于參考曲線的下限時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行ARTIS保護(hù)，暫停工件的加工。從而保證了加工過程中異常情況發(fā)生時(shí)，對設(shè)備或工件的保護(hù)。

3 案例簡介

本案例以1#工件25工序(1號(hào)平臺(tái)1#工件)和3#工件35工序(2號(hào)平臺(tái)3#工件)為例。工件加工程序如圖7所示。

其中:

(1)1YD和3YD分別為1#工件和3#工件的原點(diǎn)找正程序。

(2)XQLX和BQLX分別為1#工件和3#工件的清潔鋁屑程序。

(3)為了工件程序的方便管理，每項(xiàng)工件單獨(dú)設(shè)置一個(gè)文件夾，單獨(dú)存放該工件的加工程序、探頭程序、清鋁屑程序。

(4)柔性生產(chǎn)過程中，僅僅需要啟動(dòng)FMC程序即可，F(xiàn)MC程序自動(dòng)根據(jù)設(shè)置進(jìn)行工件程序的調(diào)用加工，F(xiàn)MC程序可任意放在其中一項(xiàng)工件文件夾中。

4 結(jié)語

(1)FMC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了加工過程無人工干預(yù)。整個(gè)生產(chǎn)流程中，包括平臺(tái)的交換，程序和刀具的調(diào)用，探頭找正工件，加工完后鋁屑的清理，都交給FMC系統(tǒng)自動(dòng)完成，大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)節(jié)約了大量工件的裝夾準(zhǔn)備時(shí)間。由于設(shè)備實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)平臺(tái)自動(dòng)相互交換，因此當(dāng)一個(gè)平臺(tái)加工時(shí)，另一個(gè)平臺(tái)準(zhǔn)備缷裝工件，從而大大節(jié)約了缷裝工件的占機(jī)時(shí)間。

(3)FMC高柔性。系統(tǒng)具備隨時(shí)可以進(jìn)行單項(xiàng)工件的終止和加入，以及FMC的快速恢復(fù)的功能，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

(4)完備的保障體系。包括工件的裝夾，原點(diǎn)坐標(biāo)，程序，刀具的正確性檢測，加工全過程的監(jiān)控等，有效避免了加工過程中各種人為因素的影響，給工件和設(shè)備帶來的隱患，從而保障了整個(gè)柔性系統(tǒng)的高效無差錯(cuò)的運(yùn)行，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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