艙門系統(tǒng)件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化柔性生產(chǎn)的工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

俞海洋

（上海智能制造系統(tǒng)創(chuàng)新中心有限公司 上海市 200120）

1 引言

飛機(jī)艙門零件主要分為結(jié)構(gòu)件和系統(tǒng)件，系統(tǒng)件具有尺寸小，品種多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工序切換多等特點(diǎn)，由于飛機(jī)制造具有節(jié)拍性，對零部件的需求存在小批量、多批次的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式下，加工設(shè)備像一座座信息孤島，依靠生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行控制，生產(chǎn)信息不能及時(shí)傳遞到生產(chǎn)管理部門，難以在全局形成統(tǒng)一的、高效的調(diào)度。同時(shí)，工件品種更換、工序間切換等操作需要人工參與，占用大量機(jī)床使用時(shí)間，使機(jī)床的利用率處于較低水平，特別是面對多品種小批量零件的加工，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的劣勢被無限放大，嚴(yán)重制約著企業(yè)生產(chǎn)效率的提高。

針對上述問題，本文以信息化和自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對產(chǎn)線架構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制、設(shè)備布局、柔性夾具和智能物流等方面的研究，從零件的工藝分析入手，制定了一種面向艙門系統(tǒng)件的數(shù)字化柔性生產(chǎn)線加工方案。

2 產(chǎn)品工藝分析

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，本文將艙門系統(tǒng)類零件分為三類，如表1 所示。

從表1 中可以看出，艙門系統(tǒng)件的尺寸均在20-180mm 之間，跨度較大，屬于中小型零件加工。零件結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣性，涉及車削、銑削、鉆孔、鏜孔、多軸銑等加工，工序間切換頻繁，工裝使用較多，精度要求較高。因此，在方案的具體設(shè)計(jì)上需要考慮如何利用通用性的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)類型、不同工藝要求的零件在多工位加工環(huán)境下的高效加工。顯然，數(shù)字化柔性生產(chǎn)線是現(xiàn)階段此類加工難題的完美解決方案。

3 柔性制造方案設(shè)計(jì)

3.1 整體架構(gòu)

數(shù)字化柔性制造產(chǎn)線在系統(tǒng)層面的構(gòu)架如圖1 所示。該架構(gòu)垂直分布為3 層：底層為核心裝備層，主要由車削、車銑、五軸加工設(shè)備、三坐標(biāo)檢測設(shè)備、無人化倉儲(chǔ)設(shè)備、智能搬運(yùn)小車和工業(yè)機(jī)器人，以及控制和監(jiān)測設(shè)備執(zhí)行的獨(dú)立控制單元組成；第二層為任務(wù)執(zhí)行層，主要包括生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES，物流倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)WMS和加工過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；頂層為工藝設(shè)計(jì)層，由集成控制系統(tǒng)構(gòu)成，包含資源計(jì)劃分解、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃生成和控制等功能。

3.2 運(yùn)行機(jī)制

生產(chǎn)計(jì)劃的控制包含對生產(chǎn)需求的獲取、生產(chǎn)計(jì)劃的管理、生產(chǎn)任務(wù)的派發(fā)、任務(wù)變化的調(diào)整，以及生產(chǎn)過程的跟蹤和反饋。從業(yè)務(wù)的角度分析，企業(yè)獲得訂單后，首先在工藝設(shè)計(jì)層由集控系統(tǒng)分解出訂單對應(yīng)的零件需求，包含需求數(shù)量、交付日期等；工藝技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)規(guī)劃零件的整個(gè)加工流程，包括設(shè)置工序，按工序內(nèi)容選擇夾具、加工設(shè)備、檢測設(shè)備和加工刀具，設(shè)置工序檢查點(diǎn)，綁定工序圖紙、NC 程序等；集控系統(tǒng)根據(jù)工藝編排內(nèi)容自動(dòng)生成以工序?yàn)閱挝坏募庸と蝿?wù)，并將任務(wù)分發(fā)到任務(wù)執(zhí)行層，由生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)接收并完成。在任務(wù)執(zhí)行過程中，通過打通數(shù)據(jù)接口，在網(wǎng)絡(luò)端實(shí)現(xiàn)核心裝備與生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、物流倉儲(chǔ)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，傳遞動(dòng)作指令，實(shí)時(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和任務(wù)的執(zhí)行情況，并反饋到集成控制系統(tǒng)內(nèi)，形成數(shù)據(jù)的閉環(huán)運(yùn)行，產(chǎn)生出如圖2 所示的業(yè)務(wù)處理流程。

表1：零件工藝分析表

圖1：整體架構(gòu)

3.3 設(shè)備選擇與布局

由于艙門系統(tǒng)件加工具有多品種小批量的特點(diǎn)，為減少設(shè)備換產(chǎn)時(shí)間，縮短工藝開發(fā)周期，提高機(jī)床利用率，保持產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，本柔性制造方案采用如圖3 所示的設(shè)備配置和布局：上下料采用6軸機(jī)器人與線性導(dǎo)軌組合的方式。在導(dǎo)軌的一側(cè)放置的是加工設(shè)備，根據(jù)零件工藝多樣性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的特點(diǎn)，主要有車削中心、車銑中心和五軸加工中心。在導(dǎo)軌另一側(cè)配置有總控設(shè)備，三坐標(biāo)檢測設(shè)備和多個(gè)載板架。載板架用于存放毛坯和工序間待轉(zhuǎn)的工件，在周轉(zhuǎn)過程中起到緩沖作用。清洗設(shè)備用于工件在進(jìn)行三坐標(biāo)檢測前的清洗，放置在載板架的附近。立體倉庫和AGV 小車及充電站設(shè)置在機(jī)器人軌道的后方。整條生產(chǎn)線呈直線式分布，各主要設(shè)備間的布局緊湊，靈活性高，并可以根據(jù)需要在不改變當(dāng)前布局的情況增加設(shè)備實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，體現(xiàn)了柔性化布局的優(yōu)勢。

圖2：業(yè)務(wù)處理流程

圖3：柔性生產(chǎn)線布局

3.4 柔性夾具設(shè)計(jì)

為解決不同類型零件的高效裝夾、不同機(jī)床間的快速切換和高效率搬運(yùn)等問題，本方案采用了基于工業(yè)機(jī)器人和零點(diǎn)定位系統(tǒng)的柔性裝夾與搬運(yùn)技術(shù)。零點(diǎn)定位系統(tǒng)的重復(fù)定位精度可以達(dá)到±0.005mm，能夠滿足艙門系統(tǒng)件的制造精度要求，通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)了零件在不同機(jī)床間切換工序加工的快速裝夾和定位，而不需要重新設(shè)置原點(diǎn)坐標(biāo)，保證了加工時(shí)的柔性切換和質(zhì)量的穩(wěn)定性。

零點(diǎn)定位系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)由定位底座、拉釘和托板組成。定位底座用于固定拉釘，在拉釘連接托板，在托板上可以設(shè)置通用型或定制型夾具用于固定不同的工件。定位底座采用不同接口，可以靈活放置在加工中心和車削中心等不同類型設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)工序間柔性切換。零點(diǎn)定位系統(tǒng)的托板采用統(tǒng)一的夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與機(jī)器手的卡爪相配合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取動(dòng)作，如圖4 所示。

3.5 物流倉儲(chǔ)

圖4：柔性夾具系統(tǒng)示意圖

圖5：AGV 通過掃描完成地圖建模

在產(chǎn)線布局中加工設(shè)備的另一側(cè)，設(shè)置的是工件中轉(zhuǎn)區(qū)域。當(dāng)機(jī)床正在執(zhí)行加工任務(wù)時(shí)，等待的工件可以暫時(shí)存放在中轉(zhuǎn)區(qū)域。已經(jīng)完成加工并檢測合格的零件，由機(jī)器人放置到中轉(zhuǎn)區(qū)的載板上，通過AGV 小車運(yùn)送至立體倉庫進(jìn)行保存或直接運(yùn)送到生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)進(jìn)行零件拆卸和下架。

倉儲(chǔ)系統(tǒng)包括立體倉庫、交換平臺(tái)（圖5）和倉儲(chǔ)控制軟件。立體倉庫為立式結(jié)構(gòu)，用于存放待加工零件、已完成零件和其他輔助用品。通過設(shè)置大小不同的隔斷，來滿足不同產(chǎn)品高度所需要的空間，在使用上體現(xiàn)了存儲(chǔ)的多樣性和柔性化。工件的轉(zhuǎn)運(yùn)采用標(biāo)準(zhǔn)載板。在加工周轉(zhuǎn)區(qū)與立體倉庫之間，載板起到中間載體的作用，一方面工件不需要再進(jìn)行機(jī)器人搬運(yùn)，減少機(jī)器人的占用時(shí)間，直接由載板運(yùn)輸；另一方面，載板自身通過零點(diǎn)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在中轉(zhuǎn)區(qū)與AGV、AGV 與立體庫之間的無縫對接，在不接觸工件的情況下，直接將工件搬運(yùn)至倉儲(chǔ)位置。載板采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)和規(guī)格，與工件不形成綁定關(guān)系，可任意組合搭配使用。

本方案采用自主式AGV 小車，使用混合探測技術(shù)，包括地圖建模（圖5），SLAM 掃描對比，聲吶傳感器測障，磁條傳感器精確定位等，在不同的應(yīng)用場景下使用不同的傳感器技術(shù)進(jìn)行AGV小車的運(yùn)動(dòng)控制，姿態(tài)位置確認(rèn)和邏輯運(yùn)行等。獨(dú)立控制的AGV軟件系統(tǒng)通過無線連接方式實(shí)時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)的下發(fā)和AGV 小車運(yùn)行狀態(tài)的反饋。多臺(tái)AGV 小車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，軟件將不停收集所有小車的狀態(tài)信息，對任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)分配，起到調(diào)度的作用，并可以根據(jù)生產(chǎn)情況的需要，在無人自動(dòng)化運(yùn)行和單機(jī)手動(dòng)操作間自由切換，實(shí)現(xiàn)物流系統(tǒng)的柔性化、智能化運(yùn)行。

4 生產(chǎn)流程

柔性生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程通過生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)對任務(wù)指令分解，依靠機(jī)器人自動(dòng)上下料、AGV 物流平臺(tái)和設(shè)備控制單元驅(qū)動(dòng)機(jī)床，完成無人值守的自動(dòng)化加工。其工作流程如圖6 所示。

工件毛坯通過手工方式裝夾到標(biāo)準(zhǔn)托盤上，在生產(chǎn)準(zhǔn)備站進(jìn)行預(yù)調(diào)工作，確定毛坯的安裝狀態(tài)符合加工要求。RFID 芯片將托盤信息與系統(tǒng)任務(wù)和載板位信息對應(yīng)綁定，由AGV 小車運(yùn)送至產(chǎn)線工作區(qū)域，完成生產(chǎn)準(zhǔn)備。加工過程主要有機(jī)器人完成搬運(yùn)，接到任務(wù)指令后，產(chǎn)線系統(tǒng)首先對即將進(jìn)行的設(shè)備進(jìn)行判斷，是否具備加工條件，條件滿足情況下，機(jī)器人將工件放入機(jī)床中，機(jī)床的控制單元利用零點(diǎn)定位系統(tǒng)夾緊工件托盤，然后啟動(dòng)機(jī)床執(zhí)行NC 程序。程序結(jié)束后，機(jī)床與控制系統(tǒng)通訊，執(zhí)行機(jī)器人取出動(dòng)作，并執(zhí)行清洗工序。具有檢測工序的工件，在清洗結(jié)束后有機(jī)器人放入三坐標(biāo)中進(jìn)行檢測，合格后將判斷是否運(yùn)送至生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)拆卸。夜間工作時(shí)，AGV 將工件直接放入立體倉庫，實(shí)現(xiàn)夜間無人值守的自動(dòng)化加工。進(jìn)入白天工作時(shí)，由AGV 將加工完成的工件取出運(yùn)至生產(chǎn)準(zhǔn)備區(qū)，進(jìn)行最終的拆卸、成檢、包裝、入庫等工作

5 結(jié)語

綜上所述，以上方案的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了多品種小批量艙門系統(tǒng)件在數(shù)字化柔性生產(chǎn)線的無人化生產(chǎn)。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)通過車間智能采集系統(tǒng)完整收集，建立起加工狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和檢測入庫等環(huán)節(jié)的數(shù)字化、柔性化和智能化應(yīng)用，顯著提高了生產(chǎn)過程的靈活性、可控性以及設(shè)備的利用率和和產(chǎn)品加工合格率，滿足未來制造業(yè)對“快速響應(yīng)、準(zhǔn)時(shí)交付”的要求，形成了制造業(yè)新的柔性制造模式，適合在高端制造行業(yè)進(jìn)行推廣。