數(shù)字化生產(chǎn)線在傳統(tǒng)制造企業(yè)實施探索與研究

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 李健彰 遲鵬

面對今天全球范圍內(nèi)的制造業(yè)技術(shù)革新和技術(shù)挑戰(zhàn)，我國制定了面向未來制造業(yè)發(fā)展的智能制造和兩化融合戰(zhàn)略，力爭實現(xiàn)我國制造業(yè)向創(chuàng)新型發(fā)展的目標，提出工程信息化與工業(yè)化融合，從而促進制造工業(yè)的發(fā)展。在航空發(fā)動機行業(yè)來看，針對國家制造業(yè)發(fā)展計劃，深度融合涉及整個航空發(fā)動機企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，使工程信息化技術(shù)與航空發(fā)動機行業(yè)的制造技術(shù)相結(jié)合，從而促進發(fā)展，實現(xiàn)制造過程和產(chǎn)業(yè)模式的變革，以信息化帶動傳統(tǒng)制造業(yè)長足發(fā)展，將數(shù)字化制造技術(shù)滲透到產(chǎn)品研制的設計、制造、試驗和管理等全過程中，提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上的人工干預，高效、高質(zhì)量、低成本地提供所需的產(chǎn)品和服務。

一、數(shù)字化生產(chǎn)線建設必要性分析

航空發(fā)動機是企業(yè)未來發(fā)展的支柱產(chǎn)品，其具有技術(shù)新、難度大、變批量、多品種、進度急等特征，同時生產(chǎn)涉及加工材料切削技術(shù)、新工藝、高效數(shù)控加工技術(shù)、數(shù)字化檢測技術(shù)等多個學科，研制難度大、周期長，現(xiàn)有生產(chǎn)現(xiàn)和制造技術(shù)水平并不能適應先進制造需求的挑戰(zhàn)。產(chǎn)能方面，現(xiàn)有生產(chǎn)方式和生產(chǎn)能力與需求存在差距。

1.訂單管理無法實施相應生產(chǎn)動態(tài)變化

生產(chǎn)線每月產(chǎn)品訂單由工廠計劃員根據(jù)公司的總體計劃安排和工藝流水分工分派各條專業(yè)生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線也有專職的生產(chǎn)計劃員根據(jù)工廠交付需求通過桌面模型的工具將訂單計劃細化到每臺設備、每天的執(zhí)行進度計劃。

這種靜態(tài)訂單管理方式以人力活動為主，因而需求大量的人工操作，雖然通過MES系統(tǒng)使訂單信息創(chuàng)建和管理的效率有了一定提高，但是由于MES系統(tǒng)與生產(chǎn)線和生產(chǎn)設備的脫節(jié)，訂單的派發(fā)和執(zhí)行反饋信息仍然需要人工維護。也正是因為MES系統(tǒng)與生產(chǎn)線之間缺乏系統(tǒng)鏈接，難以保證兩者之間信息傳遞的準確性和時效性，既定的訂單計劃不能及時的下達至執(zhí)行端，也不能及時獲知執(zhí)行端的執(zhí)行反饋。當面對臨時的訂單調(diào)整、計劃變更時，或者是發(fā)生突發(fā)事件時，靜態(tài)的訂單管理模式無法及時響應并調(diào)整任務隊列，無法抵御生產(chǎn)變化對計劃的影響和沖擊。

而智能生產(chǎn)線的產(chǎn)品訂單（計劃）管理由智能化的工程管理系統(tǒng)負責，可適應多項目管理的項目驅(qū)動生產(chǎn)模式，支撐科研生產(chǎn)模式下的多品種、小批量、工藝數(shù)據(jù)頻繁變更的管理需求，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃、設計與現(xiàn)場生產(chǎn)的實時聯(lián)動，而無需依靠專職的生產(chǎn)計劃管理人員。還能夠提供多角度、多類型的現(xiàn)場過程監(jiān)控手段，以直觀簡便的方式滿足對整個生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理需要。

2.固定資產(chǎn)投資規(guī)模大，催高生產(chǎn)成本

傳統(tǒng)的離散式生產(chǎn)線以單一功能設備構(gòu)成，機床的工藝適應能力范圍小，產(chǎn)品工藝路線只能將劃分車、鉆、銑等加工過程單獨設置工序，并編排固定的執(zhí)行順序。這種生產(chǎn)線形式雖然制造流程清晰，但是卻容易形成瓶頸工序、瓶頸設備，導致普遍的工序等待和設備利用不充分，平均設備利用率不足40%。

智能生產(chǎn)線將以同規(guī)格的銑、車復合加工設備構(gòu)成，設備柔性更強，可消除瓶頸設備，減少工序等待，設備的平均利用率將比獨立加工設備提升100%，同時結(jié)合自動化物流系統(tǒng)和先進的自動裝夾技術(shù)，還可將產(chǎn)品加工效率提升20%～30%。產(chǎn)品制造周期的縮短將使設備需求數(shù)量下降。

3.質(zhì)量管理與生產(chǎn)線終端缺少銜接

企業(yè)執(zhí)行著行業(yè)內(nèi)部最為全面的、系統(tǒng)的、嚴格的質(zhì)量體系管理標準，針對產(chǎn)品的投料、制造、試驗、使用、保存、維修和報廢等環(huán)節(jié)，都有專項的質(zhì)量管理、控制、追溯制度和流程，并不斷推進質(zhì)量業(yè)務流程信息化工程。然而，實際操作中軟件體系與硬件系統(tǒng)存在脫節(jié)，兩者之間需要由人力來銜接，其一無法保證質(zhì)量信息獲取的時效性，其二無法保證質(zhì)量數(shù)據(jù)傳遞的真實性和準確性，其三海量的數(shù)據(jù)信息處理和分析工作消耗大量人力，其四人工處理過程效率低、周期長，其五過程數(shù)據(jù)項目少、不具體、難追溯。

另一方面，在質(zhì)量控制活動中，人仍然占據(jù)主導地位。現(xiàn)有設備的線測量系統(tǒng)和加工控制系統(tǒng)之間沒有閉環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)控系統(tǒng)僅能輔助實現(xiàn)切削動作和軌跡的自動化，但工件的幾何尺寸精度還是需要通過操作者手動調(diào)整機床參數(shù)來保證，產(chǎn)品的尺寸一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性完全取決于操作者的技能水平高低和主觀因素的穩(wěn)定程度。雖然通過完善管理制度、強化管理力度、加強崗位培訓等質(zhì)量舉措，制造質(zhì)量在逐年提升，但其年均不合格率仍有0.67%。

而智能化集成式生產(chǎn)線的質(zhì)量管理是基于網(wǎng)絡技術(shù)和傳感器技術(shù)對生產(chǎn)過程實測質(zhì)量信息進行實時監(jiān)控、采集、分析和發(fā)布，利用相關(guān)計算、報告、查詢、分析和挖掘工具生成各類質(zhì)量關(guān)鍵性能指標，診斷出問題的根源并提供相應的解決方案。還可實現(xiàn)對產(chǎn)品整個加工過程的追溯，包括工藝路線、加工設備、加工時間、工裝工具、操作人員的追溯。同時，生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)能夠自動采集機床在線檢測系統(tǒng)、三坐標測量機和數(shù)字化測具的檢測數(shù)據(jù)，并根據(jù)產(chǎn)品設計模型，自動調(diào)整切削策略和參數(shù)設置，從而保證加工過程的質(zhì)量安全性和穩(wěn)定性，產(chǎn)品不合格率將有望降30%。

4.低生產(chǎn)效率嚴重制約生產(chǎn)能力的提升

低設備利用率和低效率的工藝路線是導致離散式生產(chǎn)線的低生產(chǎn)效率的主要因素。離散式生產(chǎn)線中機加設備的非切削活動造成設備停機頻繁，如開工前毛坯的裝夾和找正、加工過程中的跟蹤測量和加工參數(shù)調(diào)整、完工后提檢程序和在機測量活動等都需要設備停機，設備停機時間往往超過了運轉(zhuǎn)時間，總體平均設備利用率不足40%。現(xiàn)有單一功能的設備類型限制工藝路線的設計，典型的工藝路線形式多為：粗車→粗銑→半精車→半精銑→精車→精銑→鉆、鏜孔，其中每種工藝過程還要分成前、后兩端兩個工序進行，半成品始終處于重復裝夾、重復找正、重復單一工藝的往復操作中，進一步增加了設備停機的時間；線性的工藝路線降低了排產(chǎn)難度，卻使精加工環(huán)節(jié)出現(xiàn)工序停滯和瓶頸設備，在生產(chǎn)過程中發(fā)生工件因等待精加工機床而出現(xiàn)工序停滯的比率占到全部生產(chǎn)任務的60%～70%，工件在工序間的平均等待時間超過8小時；同時，現(xiàn)有的物流體系又是完全基于人工和輔助車輛，物料配送及時率不足50%，過多的工序環(huán)節(jié)使情況更加惡化。低生產(chǎn)效率將拖長產(chǎn)品的制造周期，拉低生產(chǎn)線產(chǎn)能。

智能生產(chǎn)線設有專門的上下料站，可在機床外部完成工件裝夾、找正，通過工作托盤傳輸系統(tǒng)與各個加工單元進行快速工件交換，而不需要設備停機；智能生產(chǎn)線中機加設備還將配備雷尼紹高速掃描頭，使加工前找正和過程檢測、工序檢測都能夠在線自動完成，更可以利用檢測數(shù)據(jù)自動修正、補償加工參數(shù)，將非切削活動停機時間減少90%。智能生產(chǎn)線將以同種規(guī)格銑、車復合加工中心作為基礎加工設備，加工柔性強，可以將車、銑、鉆、擴、鏜、鉸加工合并進行，令產(chǎn)品工藝路線縮短75%，同時無差別的設備規(guī)格也消除了瓶頸設備。高效的自動化物流系統(tǒng)也將完全代替人工完成產(chǎn)品的工序間物流運輸，配送及時率可達99%，在生產(chǎn)線智能化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的控制下可應對多品種、小批量的復雜物流運輸任務。與同規(guī)模的離散型生產(chǎn)線相比，智能生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力能夠提升二倍。

因而，在航空發(fā)動機領域大力開展智能制造技術(shù)研究，在傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎上發(fā)展先進制造技術(shù)，打造支撐現(xiàn)代制造業(yè)的骨架和核心，將成為提高設計、制造和管理水平，保障重點型號的研制，促進航空工業(yè)跨越式發(fā)展的必然選擇。以信息化帶動傳統(tǒng)制造業(yè)長足發(fā)展，以網(wǎng)絡化突破空間地域?qū)ζ髽I(yè)生產(chǎn)經(jīng)營范圍和方式的約束，實現(xiàn)企業(yè)間的協(xié)同和各種社會資源的共享與集成，將數(shù)字化制造技術(shù)滲透到產(chǎn)品研制的設計、制造、試驗和管理的全過程中，提高生產(chǎn)過程的可控性、減少生產(chǎn)線上人工的干預，高效、高質(zhì)量、低成本地為市場提供所需的產(chǎn)品和服務。

二、建設目標

建成一條航空發(fā)動機示范智能生產(chǎn)線，滿足批產(chǎn)需求。相對于現(xiàn)有的生產(chǎn)線模式，智能生產(chǎn)線將綜合采用數(shù)字化、自動化和智能化等控制技術(shù)，重點解決加工自動化生產(chǎn)線建設中的關(guān)鍵工藝技術(shù)和瓶頸問題，生產(chǎn)效率將提升2倍，機床平均利用率將提高1倍，不合格品率同比降低30%，制造成熟度可達到10級，人員配備數(shù)量將下降50%。

智能生產(chǎn)線建成后，一是將全面應用MBD技術(shù)，工藝設計、仿真和發(fā)布產(chǎn)品工藝路線將比傳統(tǒng)工藝路線縮短75%，并更加柔性化和高效化；二是現(xiàn)智能化生產(chǎn)管控，能夠?qū)崟r分析生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)進度的匹配情況和動態(tài)排產(chǎn)，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程信息進行全面精準的追蹤，物料輸送及時率可達99%；三是產(chǎn)品加工過程實現(xiàn)全程自動化，能夠?qū)崿F(xiàn)工件的自動定位、裝夾、找正、切削和檢測，整體提高機匣生產(chǎn)工藝技術(shù)水平，保障機匣生產(chǎn)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，大幅提升機匣生產(chǎn)能力。

項目的實施為企業(yè)培養(yǎng)一支掌握智能生產(chǎn)線建設關(guān)鍵技術(shù)的團隊，為未來產(chǎn)業(yè)化智能制造奠定基礎。智能生產(chǎn)線將徹底改變?nèi)藛T結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)計劃員、生產(chǎn)調(diào)度員、機床操作工、輔助周轉(zhuǎn)工、工裝管理員、工序檢驗員等崗位將消失，同時將出現(xiàn)上下料操作工、專職刀具裝卸工等全新的崗位設定，而對于工程技術(shù)人員和設備維護保養(yǎng)人員的需求數(shù)量和專業(yè)技能水平的要求進大幅提高。

三、建設內(nèi)容

1.軟件部分建設

研發(fā)適合的智能生產(chǎn)線綜合管控系統(tǒng)，并作為生產(chǎn)線運行的指揮中樞，將具備生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)現(xiàn)場管理、在制品管理、生產(chǎn)資源管理和質(zhì)量管理等功能；同時集成、部署以下功能性軟件：（1）機匣自適應加工軟件。（2）工件及刀具自動識別軟件。（3）自適應隨形表面處理軟件。（4）刀具磨損及切削狀態(tài)監(jiān)控軟件。（5）數(shù)字化測量與分析評價軟件。

2.硬件部分建設

生產(chǎn)線硬件主要包括加工設備、輔助設備、測量設備、中央刀庫、智能夾具等，是生產(chǎn)線制造產(chǎn)品所必需的加工終端，是實現(xiàn)產(chǎn)品不同工藝要求的執(zhí)行端。針對以上硬件建設需求，集成建設以下配套系統(tǒng)：（1）生產(chǎn)線過程控制單元。（2）自動化裝卸單元。（3）機器人傳送與控制單元。（4）機匣盤鼓零件自適應加工單元。（5）質(zhì)量檢測單元。（6）自適應隨形拋光單元。（7）生產(chǎn)線物料庫單元。

3.集成系統(tǒng)

通過生產(chǎn)線集成系統(tǒng)實現(xiàn)加工設備、輔助設備、測量設備、中央刀庫等設備之間的物理連接，構(gòu)建可支撐整條生產(chǎn)運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)資料物流系統(tǒng)。針對以上能力需求，集成部署以下配套系統(tǒng)：（1）生產(chǎn)線檢測與控制系統(tǒng)。（2）機器人傳送與控制系統(tǒng)。（3）智能物料庫管理系統(tǒng)。（4）智能感應裝卸系統(tǒng)。

四、實施方案

1.復合型加工系統(tǒng)組建方案

投產(chǎn)智能生產(chǎn)線加工的零件的車削加工與鉆、銑加工的工時比例約為1:2，選用相同規(guī)格高性能復合加工中心作為核心生產(chǎn)設備不僅可以減少設備需求數(shù)量，更重要的是采用同等規(guī)格機床組線，設備之間只有相對位置的差異，而沒有性能差異，這樣可使生產(chǎn)線制造柔性最大化。

加工中心將采用高精度的托盤交換和定位裝置，確保托盤在不同加工設備之間都能精準執(zhí)行系統(tǒng)設定的定位動作和位置坐標。同時在這些設備上全部加裝在線測量系統(tǒng)和機內(nèi)對刀裝置，實時監(jiān)控對工件和刀具幾何參數(shù)的變化，為質(zhì)量信息采集和加工精度控制提供重要的內(nèi)部數(shù)據(jù)。

2.輔助加工設備的集成方案

去毛刺機器人和自動清洗（烘干）機將集成到生產(chǎn)線中，通過協(xié)調(diào)設備供應商，使其采用與加工設備相同的托盤接口，可實現(xiàn)零件在去毛刺、洗滌等工位的自動上下料，進一步提高零件生產(chǎn)過程的自動化程度。

按照國家環(huán)保要求，對于易產(chǎn)生粉塵的去毛刺機器人將采用全封閉外罩，并配備除塵過濾裝置，減少對其他精密設備、周邊環(huán)境和人員健康的損害。

3.測量系統(tǒng)的集成方案

生產(chǎn)線將承擔部分鑄件和焊接件毛坯的生產(chǎn)，這兩種毛坯存在幾何尺寸偏差大、型面變化不規(guī)律的特點，超出機加設備的在線測量裝置的容差范圍，需要使用激光掃描測量系統(tǒng)。激光掃描測量機采用無接觸光學測量技術(shù)，對于外形尺寸變異范圍較大的零件測量，更高效、更安全，同時采用機械關(guān)節(jié)臂作為運動驅(qū)動系統(tǒng)，使測量范圍更大，測量方式更為靈活。該設備還可通過增加工作臺和托盤接收器與托盤系統(tǒng)連接，進而集成到生產(chǎn)線上。而毛坯的測量數(shù)據(jù)直接傳送給中央控制系統(tǒng)，后臺程序?qū)⒏鶕?jù)測量數(shù)據(jù)自動調(diào)整加工程序，優(yōu)化加工方案。

三坐標測量機是檢驗產(chǎn)品幾何精度的必需設備，但其工作環(huán)境要求較高，特別是對溫度梯度（空間、時間的）變化異常敏感，因而不適宜與生產(chǎn)線進行硬件連接，而應采用相對獨立的、封閉工作區(qū)域，但可通過采用與生產(chǎn)線相同的托盤接口和傳感器，以及在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與生產(chǎn)線中央控制系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)連接，使生產(chǎn)線中央控制系統(tǒng)可識別三坐標測量機的檢測對象，并獲取檢測數(shù)據(jù)。

4.智能工裝應用方案

針對每種產(chǎn)品的幾何特征和工藝流程分別設計專用的智能夾具，采用零點定位技術(shù)實現(xiàn)工件在工作托盤上的準確定心，精準執(zhí)行控制系統(tǒng)制定的定位要求；而自動液壓夾具技術(shù)可準確控制零件的夾緊狀態(tài)，實現(xiàn)快速裝夾，滿足生產(chǎn)線運行的高效率需求。

5.中央刀庫設置方案

根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)需求設置能容納各類刀具中央刀庫，通過搬運機器人進行內(nèi)部刀具運輸和管理，采用獨立運輸結(jié)構(gòu)與每臺機加設備的刀庫連接，可根據(jù)實時的生產(chǎn)進度信息，有序、準確地進行刀具配送、補充和更換，而通過內(nèi)部的位置傳感器采集刀位數(shù)據(jù)，可以動態(tài)同步庫存信息，結(jié)合刀具壽命管理系統(tǒng)和條件設定，針對中央控制系統(tǒng)發(fā)布刀具需求信息判斷庫存條件，采用可視化媒體裝置發(fā)布實時的庫存預警。

6.生產(chǎn)線集成系統(tǒng)方案

智能生產(chǎn)線的集成將以物流路徑為基礎，通過運輸軌道將加工設備、輔助設備、立體托盤庫、裝卸站等集成為一個整體，以工件托盤作為物流對象，通過制定統(tǒng)一的托盤接口，采用軌道運輸車的形式執(zhí)行托盤在不同設備之間的移動。

運輸車、托盤庫和托盤都將安裝位置傳感芯片，向中央控制器上報實時位置信息，使中央控制系統(tǒng)可以通過掌握托盤的動態(tài)位置信息實時跟蹤在制品的加工進度和托盤的空閑情況。

7.智能生產(chǎn)線中央控制系統(tǒng)建設方案

實現(xiàn)生產(chǎn)線管控信息化。該生產(chǎn)線加工設備借助現(xiàn)場的工業(yè)以太網(wǎng)線路按TCP/IP協(xié)議直接連入網(wǎng)絡化DNC系統(tǒng)服務器。上傳下達各類運行指令、運控參數(shù)、NC程序、反饋數(shù)據(jù)、故障信息等信息；通過RFID/條碼的形式獲取物料、設備、人員、輔助設施（包括各種專用工具、安裝/拆卸交換站、數(shù)控輔助轉(zhuǎn)臺、刀具庫等）的實時位置和狀態(tài)信息；儲存每個工件開始/結(jié)束時間，加工工時、程序版本、所用工具；設備出錯時，提出警報，形成帶有錯誤信息、發(fā)生時間、報警代碼的報告；生產(chǎn)線出錯時，保證設備可以單獨運行。

設備狀態(tài)可視化。實現(xiàn)過程中的生產(chǎn)信息隨時跟蹤查看，并在現(xiàn)場設置電子看板等可視化終端，以三維圖形化方式顯示當前各類生產(chǎn)信息。

排產(chǎn)調(diào)度智能化。為了將生產(chǎn)計劃付諸實施，對設備工裝進行智能化改造，系統(tǒng)協(xié)調(diào)和同步包括托盤和夾具的所有資源的移動，實現(xiàn)對多品種的支持，提高生產(chǎn)線整體利用率和生產(chǎn)率。

8.生產(chǎn)線總體布局

生產(chǎn)線總體布局如圖所示。

圖 生產(chǎn)線總體布局

五、預期效益及推廣前景

生產(chǎn)線建設指導可以極大節(jié)省經(jīng)濟成本效益。建立數(shù)字化生產(chǎn)線的總體框架結(jié)構(gòu)，確定核心功能和制造能力，明晰關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，為順利實施數(shù)字化生產(chǎn)線建立方案減少項目的投資和周期，有效規(guī)避項目實施過中存在的成本、進度、質(zhì)量及適應性風險。通過仿真驗證，可直接避免生產(chǎn)線建設失敗或者未能達到理想預期的投資失敗。

行業(yè)推廣與應用效益。智能生產(chǎn)線建設是一項跨學科、跨專業(yè)的系統(tǒng)工程，橫跨機械、電子、控制等所有的機械加工專業(yè)領域，目的是在國家智能制造戰(zhàn)略中主動作為，促進企業(yè)信息技術(shù)和制造技術(shù)的深度融合發(fā)展，提高企業(yè)核心競爭力。該示范項目是智能制造首次在國內(nèi)航空制造業(yè)探索和應用，將為行業(yè)內(nèi)智能制造研究工作積累大量的寶貴經(jīng)驗，同時為其他航空發(fā)動機產(chǎn)品專業(yè)化智能生產(chǎn)線建設和企業(yè)轉(zhuǎn)型升級奠定堅實的基礎。