航空結構件自動化生產線及關鍵技術概述

李 穎 陶文堅 陳學振

(航空工業成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都610092)

制造裝備是衡量一個國家制造業水平的直接體現，制造裝備的發展直接決定著未來制造水平的發展。

經過多年的發展，航空制造裝備已全面進入數字化時代，逐漸發展到自動化制造階段。數控加工過程無人工干預、機床狀態實時監控、零件在線檢測、機床精度補償、加工刀具異常預警等自動化技術的發展，為航空制造裝備的發展提供了強勁動力。近年來，飛機的更新換代給航空結構件制造模式帶來了革命性的變化，自動化技術的應用已不局限于單個設備的自動化[1]，將多種自動化設備集成到一個生產線系統里，實現航空結構件生產流程的自動化，才是充分發揮自動化技術優勢的關鍵。

多自由度機械手、自動提升裝置已在汽車、家電等自動化生產線中成熟應用[2]，由于航空結構件具有批量少、品種多的特點，自動化生產線在航空結構件制造領域的推廣受到極大約束。隨著自動化技術、制造技術和信息技術的發展，數控加工逐漸從單機加工模式向自動化生產線加工模式轉變[3],并正朝著智能化加工模式的方向發展，其發展的核心思想始終是圍繞設備的加工效率進行，目標是實現數控加工過程中的無人工干預，最大限度提升設備的產能[4]。

傳統單機加工模式主要是通過操作人員對毛坯進行裝夾、原點找正、程序調用、中間過程監測等方式進行，該方式下的每一步驟都嚴重依賴人員經驗，隨著制造技術的發展，以準備時間長、生產效率低為特點的單機加工模式與高效的經濟發展顯得格格不入。在此基礎上人們提出了一種自動化生產線，該生產線的主要特點是應用自動化、信息化等技術手段開發新功能，以代替單機模式下的體力勞動，盡可能地減少人員工作量，提高生產效率[5-6]。自動化生產線是自動化加工的典型代表，是實現智能化加工的前提條件，本文將從硬件、軟件、流程及關鍵技術等方面對自動化生產線進行全面介紹，為自動化生產線的高效應用及為智能化生產線的發展提供參考。

1 自動化線加工概述

自動化生產線是一套由軟件和硬件共同組成的復雜系統，集機械、電氣、液壓、控制、工藝、機加和檢測等方面技術于一體，具有自檢測、自判別及自加工的特點，可最大限度減少加工過程中的人工干預，對小批量、多品種的航空結構件加工具有明顯優勢。

1.1 硬件構成

與傳統加工方式不同的是自動化生產線是以組合件(毛坯、工裝和工作臺三者的組合體)為單位進行，自動化生產線包括組合件加工的數控機床加工區、組合件傳輸的物流區、組合件存儲的緩存區、組合件安裝和拆解的裝卸區、進行零件測量的測量區，以及保障整個生產線協同運行的控制區，具體構成如圖1所示。

裝卸區：裝卸區的主要功能包括“裝”和“卸”兩方面：一方面可在此將毛坯、工裝裝夾在工作臺上形成待加工的組合件；另一方面可在此將加工完成后的組合件進行拆解，分離出加工完成的零件。

緩存區：緩存區主要是對裝卸區內組裝完成的組合件，以及加工區加工完成的組合件進行緩存，也可對生產所需的毛坯和工裝進行存儲。由于航空結構件相對批量小，類型復雜，應優先滿足組合件緩存的需求，毛坯和工裝一般不放置于緩存區。

物流區：物流區主要承擔組合件在裝卸區、緩存區、加工區之間的運輸任務，在總控系統的調度下自動執行特定運輸任務。

加工區：加工區主要執行組合件的加工任務，組合件運至機床后隨即開始加工。機床的加工過程包括找正、加工和測量3個部分，這個階段數控加工中心會執行程序包，該程序包相對于非自動化加工的程序包，增加了自動化線的專用子程序功能，包括加工前找正程序，加工中特征測量監控程序，加工后在機測量程序，自動換刀、測刀程序等，以及調用一些保證過程質量的輔助程序，實現刀具監控，設備可靠運行。

測量區：主要作用是采用三坐標測量機對拆卸后的零件進行測量，重點對機床的各種尺寸進行測量。

1.2 軟件構成

要實現自動化生產線各硬件功能模塊的協同工作以達到預期功能，必須要在生產管控系統的統一調度下才能完成，按照功能將其分為資源管理系統、物流管理系統和加工控制系統，各系統在生產管控系統的調度指揮下協同作業以完成指定的生產任務，其控制流程如圖2所示。

(1)生產線管控系統：自動化生產線管控系統主要是承接生產計劃要求，協調線內軟硬件資源，進行派工排產。它像大腦一樣對生產資源、物流系統和加工控制系統進行聯結，實行統一調度管理。

(2)資源管理系統：資源管理系統的主要作用是為生產管控系統提供資源準備，具體包括工裝管理、程序管理、刀具管理和物料管理4個子系統，其承擔整個生產線的“后勤保障”角色，是生產線順利運行的基礎。

①工裝管理系統：作為工裝數據檢測及存儲系統，主要負責管理線上所有區域的工裝數量、位置和狀態等信息，在接到生產線管控系統的資源信息需求指令后，將工裝的狀態信息反饋給生產線管控系統。

②程序管理系統：作為加工區內程序的識別、下載和存儲管理系統，主要負責接收和執行管控系統的指令，對指定程序進行搜索、下載和存儲，并將程序當前的狀態信息反饋至生產線管控系統。

③刀具管理系統：作為生產線的刀具數據存儲系統，管理中央刀庫存儲區以及加工中心刀庫的刀具數量、位置、狀態等信息，根據生產線管控系統發出的刀具準備指令，自行為各加工區域配備相應型號的刀具。

④物料管理系統：作為管控系統物料數據存儲管理系統，管理毛坯、工裝、組合件的數量、位置、狀態等信息，根據生產線管控系統發出的物料準備指令，準備相應的毛坯和工裝。

(3)物流管理系統：物流管理系統的主要功能是根據生產線管控系統的指令，將生產資料在加工區、存儲區、裝卸區之間來回運輸。

(4)加工控制系統：在具備生產條件后，加工系統根據生產線管控系統的指令執行零件的加工任務。以生產任務作為自動化生產線的輸入，以成品作為自動化生產線的輸出，對生產線內各管控系統之間的關系進行梳理，其流程大致可分為任務分解、資源準備、資源確認和任務執行4大步驟，如圖3所示。

任務分解主要是由生產線管控系統對生產任務進行分解，分解出執行該項任務所需的生產資源，并形成相應的資源配置指令，發送給資源管理系統；資源管理系統根據資源配置指令，將資源準備任務分配給各子系統，驅動各子系統反饋當前資源狀態，并對反饋的資源信息進行判斷，將未準備到位的資源進行匯總，給生產線管控系統發送調用物流系統的請求；生產線管控系統結合物流請求，給物流管理系統發送資源運輸指令，物流管理系統將指令分配至各子系統執行相應資源運輸任務，并將執行結果反饋至資源管理系統；資源管理系統對資源準備情況進行核對確認后，報生產線管控系統進一步資源確認。

待生產線管控系統接收到資源管理系統所反饋的生產資源備齊信號之后，生產線管控系統即可驅動加工控制系統執行相應加工任務，并由加工控制系統協調進行加工過程中的組件測量和監控任務，直至完成組件加工輸出成品。

1.3 生產線的工作流程

結合生產線的軟硬件構成，生產線的工作流程可梳理為：將零件加工所需的毛坯、工裝運至裝卸區等待組合；在裝卸區將毛坯和工裝按照工藝要求安裝在工作平臺上，形成待加工的組合件；物流小車將待加工組合件運送至緩存區等待加工；根據生產計劃，通過物流小車將緩存區的待加工組合件運送至指定機床；機床在確認零件加工所需的刀具和程序準備到位后，進行組合件的加工；組合件加工完成后，由物流小車將其運送至緩存區等待拆卸；在接到生產指令后，物流小車將緩存區的組合件運送至拆卸區；在拆卸區對組合件進行拆解，將零件取出；取出的零件被送至測量區進行測量，測量合格后即形成最終成品,自動化生產線從毛坯至成品的生產作業流程如圖4所示。

2 自動化生產線應用的關鍵技術

從自動化生產線的硬件及軟件構成來看，自動化生產線是一個集物流、自動排產、自動加工、協同控制等技術于一體的綜合系統，要保障自動化生產線能夠充分發揮預期效能，達到準時、高質交付航空結構件的目的，從工藝、生產和設備等方面開展系列應用技術研究是必不可少的環節。文章從設備和工藝的角度對自動化生產線的幾項關鍵應用技術進行梳理，為后續順利開展生產線的應用提供參考。

2.1 生產線自動化加工技術

生產線的自動化加工，一個顯著的特點就是加工過程無人工干預，根據組合件在生產線中的物流過程，其涉及的兩個重要的無人工干預點包括組合件與工作臺間的零點自找正技術和加工過程中關鍵尺寸自檢測技術。

(1)組合件與工作臺間的零點自找正技術

在裝卸區域內將毛坯、工裝和托盤進行組裝形成組合件，組合件作為一個整體待加工單元需要準確安裝在機床工作臺上才能進行加工，組合件與工作臺之間的零點定位是關鍵，其定位精度直接決定了后續加工中零件的質量。利用測頭對工裝或毛坯關鍵定位特征進行測量，并將測量誤差自動補償進入坐標系，以建立新的坐標系。根據加工中心的結構，零點找正方式有不同的要求，在找正程序運行中存在的坐標軸靜態、動態誤差，應考慮將誤差補償值賦在找正程序中，以保證原點坐標系基準的精確，如圖5所示。

(2)加工過程中關鍵尺寸自檢測技術

在加工坐標系建立后，機床即可執行NC程序進行零件加工，這部分占自動化加工時間最長，在加工過程中進行測量，及時掌握零件的加工精度，是保證零件加工過程順利進行的關鍵。加工中的測量主要是在加工過程中對關鍵特征進行測量，即在加工中間階段自動調用測頭對零件關鍵特征的形狀、輪廓進行測量判斷，若無問題則繼續執行加工程序，屬于過程質量保障，如圖6所示。

2.2 設備狀態監控及應用技術

生產線在自動化加工過程中，需要對設備的健康狀態進行實時監控，設備人員掌握設備狀態第一手資料，以便在計劃內協調停工解決存在隱患，最大程度避免計劃外的停工對生產造成影響，設備狀態監控主要包括兩方面，即機床的機械狀態監控和機床的精度狀態監控。

(1)機械狀態監控技術

機械狀態監控技術的基本思想是通過采集機床運行過程中的基礎數據(如電流、扭矩、功率、振動和溫度等)，進而對數據進行轉換提取特征值(如有效值、方差、峭度、頻譜等)，在此基礎上開展數據處理和運算深度挖掘特征值所隱含的設備故障信息，并通過軟件集成相關算法，從而實現基于數據的設備機械狀態直觀表達與診斷，如表1所示為電流評價指標。

表1 基于電流的機械狀態評價指標

(2)精度狀態監控技術

基于設備基礎運行數據進行精度狀態監控的方法，較傳統通過檢測儀器和手段具有監控效率高、監測便捷的特點。其基本思路是采集機床運行特定軌跡過程中各軸光柵尺的位置，通過對數據進行篩選處理后，經多體運動學理論，將各軸的位置集成到機床刀尖點，通過對比刀尖點理論和實際軌跡計算出機床的聯動誤差，從而實現對機床精度狀態的監控，如圖7所示為采集機床空運行S軌跡所計算出的刀具軌跡誤差和實際切削S試件所得刀尖誤差的對比圖。

2.3 刀具狀態監控及應用技術

在加工過程中，因刀具磨損、刀具斷裂、切削力異常等因素引起的零件質量問題較為突出，其根本原因是無法對加工過程中刀具的異常情況進行報警并停機，開展刀具狀態實時監控并及時對異常情況進行報警停機，是避免因刀具問題造成零件質量事故的關鍵。

(1)刀具壽命監控技術

刀具預期壽命評估是自動化線穩定可靠運行的保障，但受制于航空結構件的復雜性，該功能應用較少。航空結構件加工刀具壽命的影響因素較多，有加工參數、加工材料、加工環境、輔助加工材料和刀具類型等等，因此直接推算刀具壽命難度較大，采用大數據統計法得到刀具壽命參考值，并在應用實驗中進行迭代優化，已成為刀具壽命監控的發展趨勢。

(2)主軸振動監控技術

以主軸振動狀態擬合刀具狀態，在每項零件的加工過程中，檢測主軸內置傳感器的振動、電流等信號并實時繪制曲線，形成該項零件對應的基礎數據曲線圖，并以此編寫形成子程序。在自動化線每次加工該項零件時候，調用該子程序，若基礎數據曲線和實時曲線相差到一定閾值，觸發報警。這種方法，可以避免刀具損壞繼續加工帶來的產品質量風險。

(3)激光測刀儀自動測量技術

數控加工中心通常配有激光測刀硬件系統，作為刀具長度測量和破損檢測的工具。自動化生產線加工中提出了一些新的應用方案，在加工某些占機時間較長的結構件程序中加入刀具參數自動測量子程序，通過調用該子程序來對刀具狀態進行檢查，以避免因刀具磨損帶來的零件質量事故；在加工某些關鍵復雜工序前后進行調用執行，保障關重零件正常加工；也可和過程監控及刀具壽命監控協同使用，在觸發某些閾值前自動進行該子程序調用。

2.4 離線測量技術

在機床內對加工中的零件進行在機測量能夠對最終成品結構件進行測量評估，這種方式主要使用機床自帶測頭，能夠快速形成結果，保證線長時間加工的連續性。但這種自帶的測頭在使用過程中受標定方式、使用環境、裝夾方式等因素的影響，容易出現測量誤差，再加上其所屬數控加工中心的精度影響，在機測量準確度不高，僅適用于公差帶要求不高的結構件產品，要對零件實行最終尺寸精度評價還得通過下線測量來實現。離線測量是指零件程序執行完后通過物流轉到三坐標測量機進行測量，三坐標測量機本身精度能力高于數控加工中心，因此部分關重零件的尺寸精度得通過下線測量的方式進行，并出具零件尺寸精度報告。

3 自動化線加工的發展趨勢

航空結構件具有小批量,多品種的典型特點,在生產制造過程中毛坯/成品的頻繁裝卸占據了零件的加工時間，是制約生產效率提升的關鍵因素。自動化生產線的引入解決了這一核心問題，其通過設置專門的裝卸區對零件進行安裝和拆卸，減少了零件裝卸的占機時間，并通過生產管理系統協同控制實現了零件在裝卸區、存儲區和加工區的流動，最大化提升了設備的生產效率。

然而，一種硬件結構的自動化線所加工的零件類型是相對固定的，要實現多種機型上千種結構和種類零件的加工，僅靠一條自動化線是不夠的，智能制造模式下的多條自動化線協同工作已成為自動化線在小批量、多品種航空結構件加工領域的發展趨勢，通過智能制造技術推進，實現在對生產過程的設備、原材料、工藝全面監控的基礎上進行智能優化決策，最大限度提升航空結構件的生產效率與加工質量。

4 結語

傳統航空結構件在小批量、多品種航空加工過程中零件裝卸占機時間長，影響設備的生產效率，自動化生產線解決了這一難題。本文從軟件、硬件兩方面系統介紹了一種自動化生產線，并結合軟硬件功能系統分析了生產線的工作和作業流程，在此基礎上從設備和工藝的角度提出了保障生產線順利運行的4項關鍵技術，得出生產線組網協同運行是未來航空結構件高效加工和智能制造的發展趨勢，主要結論如下。

(1)從軟件系統和硬件系統兩方面對自動化生產線的工作流程進行了全面介紹，生產線的自動化運行是軟件和硬件協同的結果，生產效率高。

(2)自動加工技術、設備狀態監控技術、刀具狀態監控技術以及離線測量技術，是保障自動化生產線高效運行的關鍵，文章從工藝和設備角度指出并簡要分析了各項技術的要點。

(3)在國家強國戰略的背景下，發展自動化生產線技術是推進智能制造技術的基礎，在嘗試進行多條自動化生產線交互組網應用的同時，開展智能化應用探索是未來生產線發展的趨勢。