基于零點定位系統(tǒng)的自動化殼體生產(chǎn)線設(shè)計

李國叢 武素星 單振剛 姚建華 王 佳 王慧玲 葉啟付 何 偉

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基于零點定位系統(tǒng)的自動化殼體生產(chǎn)線設(shè)計

李國叢 武素星 單振剛 姚建華 王 佳 王慧玲 葉啟付 何 偉

（航天長征火箭技術(shù)有限公司，北京100076）

利用六軸機器人、AGV機器人、桁架機器人等自動化設(shè)備，設(shè)計了一條自動化殼體生產(chǎn)線，實現(xiàn)零件上下料、機械加工、清洗、檢測和數(shù)據(jù)補償，零件入庫等環(huán)節(jié)的自動化，從而達到“多品種、小批量”航天產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，提升機床設(shè)備的利用率，提高企業(yè)制造經(jīng)濟效益，為實現(xiàn)航天產(chǎn)品殼體類零件的自動化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

零點定位；自動化生產(chǎn)線；殼體零件

1 引言

隨著航天型號的不斷增加，航天產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期越來越短，而航天產(chǎn)品為典型的“多品種、小批量”生產(chǎn)，該生產(chǎn)模式下機床設(shè)備利用率低，據(jù)統(tǒng)計，僅為20%～30%，單純依靠增加設(shè)備已無法滿足型號任務(wù)需求，且會增加單位固有投資成本。提升機床設(shè)備利用率的關(guān)鍵在于減少設(shè)備的停機、等待時間[1]，多品種、小批量航天結(jié)構(gòu)件的加工耗時主要為零件的裝夾準備時間。

零點定位技術(shù)是一種減少機床停工時間設(shè)計的夾具系統(tǒng)，基于精益制造思想將大部分裝夾時間外移到機床外進行，使得加工和裝夾可以同時進行，多應(yīng)用于批量產(chǎn)品的生產(chǎn)制造[2]。自動化生產(chǎn)線即在無人操作下的生產(chǎn)設(shè)備自我生產(chǎn)過程，其在運行過程中按照正常的生產(chǎn)指令控制生產(chǎn)，從而完成生產(chǎn)、加工、檢驗等一系列流程，自動化生產(chǎn)使企業(yè)節(jié)省大量人力和物力，加快了企業(yè)經(jīng)營的工作效率[3]，而自動化生產(chǎn)線多用于汽車行業(yè)等大規(guī)模、批量生產(chǎn)領(lǐng)域，由于航天產(chǎn)品的特點，機械加工未采用自動化生產(chǎn)。

本文基于零點定位系統(tǒng)，利用六軸機器人實現(xiàn)自動上下料、送檢，在線集成三坐標測量儀，將四臺數(shù)控設(shè)備組成為殼體類零件自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)“多品種、小批量”航天產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，提升機床設(shè)備的利用率，同時提高企業(yè)機械制造經(jīng)濟效益。

2 航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)特點和難點

航天產(chǎn)品“多品種、小批量”的特點，決定了產(chǎn)品無法實現(xiàn)大規(guī)模、批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)機加車間采用集群式布局方式，各類設(shè)備屬于混放狀態(tài)，隨著生產(chǎn)任務(wù)的不斷增多，主要表現(xiàn)出以下特點和問題。

a. 物流路徑長，工藝路線交叉頻繁，物流效率低，物料跟蹤困難；

b. 作業(yè)現(xiàn)場較為混亂，標準化作業(yè)程度低，生產(chǎn)過程控制難度大；

c. 零件加工過程換線頻繁，生產(chǎn)等待時間長，生產(chǎn)加工效率低；

d. 設(shè)備利用率不均衡，平均數(shù)控設(shè)備利用率僅為20%；

e. 生產(chǎn)加工過程依靠人工完成，沒有自動化生產(chǎn)模式的引進；

f. 型號任務(wù)的增多，導致產(chǎn)品交付壓力越來越大，亟需提升加工效率，提高產(chǎn)能。

3 零點定位系統(tǒng)

零點定位系統(tǒng)由一套零件裝夾托盤，護板、工作臺卡盤、托盤與卡盤之間連接的拉釘組成。通用零點定位卡盤有4個或多個高精度定位塊，各定位塊之間的位置公差保證在±0.001mm以內(nèi)，托盤與卡盤的重復定位精度可達±0.001mm，托盤與卡盤之間通過拉釘可達到10000N的鎖緊力，零點定位系統(tǒng)如圖1所示。零點定位系統(tǒng)中的卡盤固定在機床工作臺上，其位置坐標值固定，加工的零件可在機床外的托盤上進行裝夾、找正，并記錄工件坐標值，當托盤固定在工作臺卡盤上之后，工件的坐標位置可直接確定，利用已有程序和刀具，可開始加工，顯著減少了傳統(tǒng)加工過程中使用機床進行重復找正的時間，大大提升了機床設(shè)備的開機率，同時避免了因裝夾導致的零件加工誤差，提高了零件的加工精度。

圖1 零點定位系統(tǒng)

4 自動化殼體生產(chǎn)線的設(shè)計

結(jié)合航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)特點及加工過程中凸顯的問題，基于零點定位系統(tǒng)，設(shè)計了自動化殼體生產(chǎn)線。自動化殼體生產(chǎn)線由生產(chǎn)準備區(qū)、交換流轉(zhuǎn)區(qū)、搬運區(qū)、加工區(qū)、總控區(qū)等組成，自動化殼體生產(chǎn)線布局如圖2所示。

圖2 自動化殼體生產(chǎn)線布局圖

4.1 生產(chǎn)準備區(qū)

圖3 托盤載板圖

生產(chǎn)準備區(qū)主要由工作臺、機外對刀儀、高度儀、計算機、貨架等組成，該區(qū)域負責完成零件的初步裝夾、找正，刀具的準備，被加工零件的信息錄入，機外編程、加工仿真等工作。編制完成并經(jīng)過系統(tǒng)仿真的數(shù)控加工程序，上傳至終端服務(wù)器，以備自動加工過程中機床調(diào)用；在托盤上裝夾好的零件，放置在托盤載板上，托盤載板如圖3所示；生產(chǎn)準備人員在載板上放置托盤時，將托盤上的零件、零件加工所需的程序、托盤在載板上的位置信息與托盤上的RFID芯片綁定。

4.2 交換流轉(zhuǎn)區(qū)

圖4 載板安放架

交換流轉(zhuǎn)區(qū)主要由載板安放架組成，載板安放架如圖4所示。交換流轉(zhuǎn)區(qū)還包括刀具儲存柜、專用叉車、載板交換小推車等，實現(xiàn)生產(chǎn)所需物料的準確、安全送達，同時實現(xiàn)物料、物流的規(guī)范化管理。

4.3 機器人搬運區(qū)

機器人搬運區(qū)主要包括機器人運行導軌和一臺六軸機器人。六軸搬運機器人主要完成將系統(tǒng)指定的零件從載板上取出，并放置在后臺系統(tǒng)指定的數(shù)控機床上；將零件從機床上取出，在清洗機內(nèi)進行清洗；將清洗后的零件放在三坐標測量儀上進行測量；檢測后的零件運送至載板架上，準備下線。搬運機器具有碰撞緊急停止功能，安全系數(shù)高，安全隱患小。

4.4 零件加工區(qū)

六軸搬運機器人在載板區(qū)抓取零件，根據(jù)后臺系統(tǒng)算法，將零件放置在空閑等待加工的數(shù)控機床上或按要求放置在指定的數(shù)控機床上進行加工；由于托盤上待加工零件通過RFID已與數(shù)控程序關(guān)聯(lián)，因此在機器人將零件放置在機床內(nèi)的卡盤上時，卡盤外形如圖5所示，相應(yīng)的數(shù)控程序已由終端服務(wù)器傳送至機床，零件安裝完成后即可立即開始加工。

圖5 卡盤外觀圖

4.5 零件的清洗和檢驗

每道工序完成后，零件均由六軸機器人從機床上取出，并放置在三坐標測量儀的卡盤上，三坐標測量儀依據(jù)編制好的程序?qū)庸すぜM行檢測，當探頭檢測到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)值不同時，數(shù)據(jù)中心處理器會自動計算刀補量，待所有尺寸檢測完成后，機器人取下工件運送至機床，機床按數(shù)據(jù)中心計算的刀補量進行二次加工，直至零件尺寸全部滿足設(shè)計要求。檢驗合格的零件放回到原來載板位置，準備下線。

由于零件機加過程中會產(chǎn)生大量金屬屑和少量毛刺，如果零件清洗不干凈，金屬屑和毛刺的存在影響三坐標的測量，產(chǎn)生較大的偏差，因此在零件檢測前需要徹底清洗，采用超聲波設(shè)備清洗，清洗完成后吹干處理。

5 自動化殼體生產(chǎn)線信息化系統(tǒng)設(shè)計

自動化殼體生產(chǎn)線硬件系統(tǒng)及自動化功能實現(xiàn)設(shè)計的同時，設(shè)計了自動化生產(chǎn)線的信息化系統(tǒng)，自動化殼體生產(chǎn)線信息化系統(tǒng)主要包括制造執(zhí)行系統(tǒng)和生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。制造執(zhí)行系統(tǒng)由生產(chǎn)計劃管理、制造數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)作業(yè)管理、質(zhì)量作業(yè)管理、生產(chǎn)現(xiàn)場管理、物資管理、電子數(shù)據(jù)包管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理等功能模塊組成，借助于信息技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的全面共享，提升產(chǎn)品生產(chǎn)的整體運作效率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制和過程優(yōu)化。生產(chǎn)單元控制系統(tǒng)由物料位置識系統(tǒng)（RFID系統(tǒng)）、物料周轉(zhuǎn)區(qū)、若干五軸機床或三軸機床、清洗單元、機械臂、三坐標檢測儀、安全隔離門、安全視頻監(jiān)控攝像機等組成，生產(chǎn)單元控制系統(tǒng)是生產(chǎn)單元的控制中樞，負責實時采集各設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)并報告至制造執(zhí)行系統(tǒng)。

6 殼體零件自動化生產(chǎn)工藝設(shè)計

自動化殼體生產(chǎn)線主要生產(chǎn)的殼體類零件為五面或三面加工，因此針對零件結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了專門的加工工藝。結(jié)合殼體類零件的加工特點，在零點定位托盤上安裝精密虎鉗，需要五面加工的殼體零件，第一次裝夾時可完成正面的加工，之后由機器人轉(zhuǎn)換到五軸數(shù)控機床或者帶有立臥轉(zhuǎn)化的托盤，實現(xiàn)另外零件兩個側(cè)面的加工，三個面加工完成后，零件出線，并在生產(chǎn)準備區(qū)將零件旋轉(zhuǎn)90°后裝夾，然后重新進線，第二次裝夾可完成剩余兩個側(cè)面的加工，其裝夾方式如圖6所示。需要三面加工的殼體類零件可實現(xiàn)一次裝夾完成所有面的加工。

圖6 五面加工零件加工工藝設(shè)計

7 自動化殼體生產(chǎn)線加工效率分析

以圖6中的五面加工零件為例，分析了傳統(tǒng)加工模式與基于零點定位系統(tǒng)的自動化生產(chǎn)模式下的加工用時，具體加工用時見表1。

通過分析表1中的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)加工方式生產(chǎn)單件產(chǎn)品用時為12.3h，而基于零點定位系統(tǒng)的自動化生產(chǎn)耗時為5.8h，生產(chǎn)效率提升2.1倍；除去生產(chǎn)準備用時，自動化生產(chǎn)方式的機床實際利用率約為傳統(tǒng)手動生產(chǎn)方式機床利用率的4.8倍，兩種生產(chǎn)方式用時及機床利用率對比如圖7和圖8所示。

表1 不同生產(chǎn)方式加工用時 h

生產(chǎn)準備主視圖俯視圖左視圖右視圖仰視圖檢驗 傳統(tǒng)加工用時23.51.5110.82.5 自動加工用時3.50.80.40.30.30.250.25

圖7 單件生產(chǎn)加工用時

圖8 機床利用率對比

8 結(jié)束語

基于零點定位系統(tǒng)，利用六軸機器人、AGV機器人、桁架機器人，設(shè)計了自動化殼體生產(chǎn)線，將四臺數(shù)控機床串聯(lián)為一條殼體零件生產(chǎn)線，實現(xiàn)零件自動上下料、自動加工、自動清洗、自動檢測和補償數(shù)據(jù)，零件自動入庫等環(huán)節(jié)的自動化，從而實現(xiàn)“多品種、小批量”航天產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，機床設(shè)備利用率提升近5倍，提高了企業(yè)機械制造經(jīng)濟效益。基于零點定位系統(tǒng)的自動化殼體生產(chǎn)線設(shè)計為航天零件的自動化生產(chǎn)提供了一定的借鑒意義，有利于推動航天企業(yè)從傳統(tǒng)加工向自動化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變升級。

1 陳思濤，溫良. 基于零點定位系統(tǒng)縮短數(shù)控機床停機時間[J]. 制造技術(shù)與機床，2015(11)：40～42，57

2 唐林，周良明，劉衛(wèi)武，等. 基于零點定位技術(shù)的中小航空結(jié)構(gòu)件快速換裝技術(shù)研究[J]. 制造業(yè)自動化，2015，11(37)：19～21

3 蔣雪琴. 自動化生產(chǎn)線上計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用探析[J]. 自動化與儀器儀表，2016(7)：42～43

Design of Automatic Shell Product Line Based on Zero Point Positioning System

Li Guocong Wu Suxing Shan Zhengang Yao Jianhua Wang Jia Wang Huiling Ye Qifu He Wei

(Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co., Ltd, Beijing 100076)

Based on zero point positioning system，the automatic shell product line was designed by using automatic equipment, such as 6-axis robot, AGV robot and truss robot. The product line can realize automatic process of feeding parts, mechanical processing, cleaning, testing, data compensation and parts storage, and finally achieved the automatic manufacture of multi varieties and small batch of aerospace products. The automatic product line increases the using ratio of the machine tools and improves the economy benefit of the corporation. It lays the foundation for automatic manufacture of aerospace shell products.

zero point positioning；automatic product line；shell part

2017-05-23

李國叢（1985），碩士，材料工程專業(yè)；研究方向：生產(chǎn)線設(shè)計。