基于柔性生產線的數控加工過程研究*

王 豐，陳建波，周 進，周文昌，謝 睿

(成都飛機工業(集團)有限責任公司數字化制造中心/數控加工廠工藝技術室，成都 610091)

0 引言

隨著現代制造業技術的不斷發展，智能車間和無人工廠已經成為未來制造業發展的趨勢，而作為建設智能車間和無人工廠的基礎，柔性制造(Flexible manufacturing)與數控加工技術的結合也日益緊密[1-2]。

傳統數控機床以“人+機床+工裝+刀具”的單機加工模式為主，存在加工前準備、加工過程監控、加工檢查等大量的人工干預過程，零件的生產周期長，生產效率低，而且質量難以保證[3]。

柔性生產線通過將數臺或數十臺相同或不同類型的數控設備進行整合，具有統一的信息控制系統、物料儲運系統和數字化加工設備，使系統能完成自主識別、自主控制、自主檢測，能夠靈活地組織生產，降低了對操作工人的依賴[4]。從單個零件的工藝條件來看，零件加工過程的自動化是生產線運行的基本條件，為了達到無人工干預的目的，必須要求數控工藝方法具有足夠的可靠性、穩定性和準確性，以此來確保柔性線安全、高效地運行。這也是當前柔性生產線建設亟待解決的關鍵技術問題[5]。

針對柔性生產線的特點，對柔性線的整個運行流程進行梳理，通過對柔性線定位裝夾技術、自動找正技術、過程監控技術、數控程編技術、加工仿真技術5個關鍵技術的分析研究，構建出基于柔性生產線的數控加工模式，實現高效、優質、無人工干預的柔性加工，同時也為智能車間和無人工廠的建設奠定了技術基礎。

1 柔性生產線構成及特點

1.1 柔性生產線組成結構

柔性生產線的構成包括系統層、硬件層及應用層。其中系統層類似于人的大腦，主要用于柔性生產線的生產排產、資源配置、過程調度、運行監控和異常狀態處理；硬件層則是柔性生產線的實體，一般包含多個機床單元、裝夾單元、儲存單元和轉運單元，其中由轉運單元將其它單元有機連接；而應用層則主要用于零件加工過程控制，由工藝方案設計、自動找正技術、加工過程控制技術、刀具壽命控制技術和自動檢測技術等組成，如圖1、圖2所示。

圖1 柔性線組成框架圖

圖2 某柔性生產線示意圖

1.2 柔性生產線運行流程

柔形生產線的運行是多功能模塊相互協作、有機銜接的一個自動化調配、生產過程，為了確保柔性生產線運行的穩定性和高效性，各功能模塊不僅要聯系緊密，而且必須要有相對明確的分工。

柔性生產線的運行流程可分為3個階段，包括加工前準備、加工中調配和加工后處理，如圖3所示。

(1)加工前準備：生產排產確定零件圖號，準備物資和零件的相關文件資料。操作人員根據工藝文件對相關資源進行確認，并依據系統排產順序和工藝文件要求將零件、工裝、工作臺托盤安裝為整體，作為一個零件單元，完成加工前準備[6]。

(2)加工中調配：將零件單元通過轉運單元送至存儲單元進行儲存，控制系統分析判斷各機床單元加工情況，并依據排產順序將零件分配至相關加工機床。機床轉換平臺將零件單元輸送至機床內部，機床自動調用程序完成零件的加工。

(3)加工后處理：機床加工后將零件單元推出，由轉運單元送至存儲單元進行臨時儲存。控制系統根據線外裝夾平臺工況，擇機將存儲單元中的零件單元轉運至線外裝夾平臺，由操作人員進行拆卸及后續工作。

圖3 某柔性線生產流程圖

1.3 基于柔性生產線的數控工藝要求

根據對柔性生產線的流程分析，柔性線的最大優勢是能實現機床的連續不間斷高效加工。而實現的前提則是保證準備、加工、轉運3個環節互相獨立，互不干涉，同時柔性線需要具備自動感知、判斷、處理的能力，取代加工過程中的人為控制環節。因此，柔性生產線數控加工需要具備以下特點：

(1)實現工裝、零件的自定位；

(2)實現零件在線找正、狀態檢查；

(3)實現零件在線過程檢測、判斷、調整；

(4)實現零件在線符合性檢查。

2 柔性生產線中的數控加工工藝

2.1 定位裝夾技術

傳統數控加工中的線上人工裝夾方式需要大量占用數控設備的有效運行時間[7]，無法滿足柔性線連續運行的要求。為不占用柔性線數控設備有效運行時間，就需要發展新的裝夾方式，將裝夾操作從線上轉移至線外進行。

2.1.1 線外裝夾技術的原理

線外裝夾技術是將零件裝夾作為獨立的單元劃分出來，在線外裝夾單元上，操作人員接收生產調度指令，確定需裝夾的零件和加工工序，同時控制系統根據調度指令配套相應的生產資源，包括工裝、工具、零件毛坯和工藝文件。操作人員依據工藝文件檢查相關資源，并按照工藝文件的要求依次將工裝安裝于工作臺托盤指定位置，再將零件安裝于工裝上對應位置。安裝完成后，工作臺托盤、工裝、零件三者組成一個整體，并作為一個零件單元由輸送機構送至獨立的存儲單元，再由輸送機構送至加工設備單元進行加工，加工完成后同樣作為整體輸出至線外裝夾單元。由于零件的裝卸是在線外裝夾單元獨立完成，與數控設備的運行不產生直接的聯系，因此線外裝夾技術保證了柔性線的高效、連續運行。

2.1.2 零件自定位技術

傳統線上裝夾可由操作人員根據零件、工裝的實際裝夾位置，通過原點偏置補償的方式來保證程編原點與零件原點的一致性。只要滿足零件加工的行程要求，操作人員可以任意確定零件的裝夾位置[8]。在柔性制造線上，數控機床無法按照人工的方式找正，因此柔性線上需要保證零件與機床坐標系的位置波動必須小于探頭找正的允許位置誤差。

為滿足柔性線加工要求，在柔性線上零件定位方式可以根據加工零件毛坯的特征和精度要求，采用基于零點定位系統的定位方案和基于工作臺孔、槽的定位方案如圖4所示。

(a) 基于零點定位系統 (b) 基于工作臺孔、槽定位圖4 STC1250柔性線定位方案示意圖

零點定位系統是將拉釘安裝于工裝或零件底部，拉釘與底座之間通過定位環、定向環、夾緊環實現零件的定位、壓緊。該種方式定位快速、精度高、重復定位高。基于工作臺孔、槽的定位方案是利用工作臺中心精孔和高精度T型槽實現快速定位，但是受限于孔銷配合誤差，其定位精度較零點定位系統低。由于柔性線對工裝、零件的預定位具有一定的容差范圍。因此此種定位方式同樣能滿足上線需要。在實際加工中得到廣泛應用。

2.2 自動找正技術

2.2.1 自動找正流程

在現代化數控機床上，通過機床系統集成的基礎探頭指令，可以通過探頭實現對面、邊、孔、槽等簡單特征的檢測[9]，再配合高級程序語言的邏輯編程，可以實現復雜的檢測、控制功能。在生產線上，零件的定位狀態檢查、裝夾狀態檢查、干涉檢測、零件加工狀態評估、基準修正等都需要使用探頭進行檢測及反饋。

以STC1250柔性線為例，自動找正流程首先進行機床B擺校正，使零件坐標系與機床的坐標系平行，其次檢查零件定位面的平面度，然后進行X、Y、Z各向原點的找正，建立零件坐標系相對機床坐標系的偏移值并存儲至機床系統，之后進行定位孔的平行度的檢查，檢查定位孔與加工坐標軸的平行度，再進行裝夾防錯檢查，檢查零件裝夾姿態是否正確，最后進行裝夾符合性檢查，檢查工裝螺釘、定位銷及附件等是否按要求裝夾。流程中的每個檢查環節均進行符合性判斷，任何一個環節不符合，都會進行報警提示，并暫停待查。當所有檢查都符合要求，才能判定零件的狀態符合要求，可以進行下一步加工。通過上述完整流程，保證結果的正確性。

圖5 柔性線自動找正流程圖

2.2.2 探頭找正原理

探頭找正原理是基于機床坐標系的接觸式位置測量，讓探頭按照程序預設程序進行點、孔、軸、槽等特征的檢測采點，并將實測結果以參數反饋至機床，再通過一定的算法，得出需要的位置、角度等的偏移值。

圖6 B擺修正原理示意圖

以B軸校正為例，B軸角度的修正是基于三角函數的原理，使用探頭分別在零件兩端各采一個點，點1在機床坐標系下的坐標為(X1,Z1)；點2的坐標為(X2,Z2)。則兩個點的X軸的間距為ΔX=X2-X1；Z軸的間距為ΔZ=Z2-Z1。需修正的B軸角度為:ΔB=α=arctan(ΔZ/ΔX)。

2.2.3 探頭防錯檢查

目前零件裝夾是工人按照工藝文件要求進行操作，在裝夾操作中容易出現左右零件裝錯，零件正反面裝反，夾具及附件不符合要求等人為錯誤，后果輕則導致零件報廢，重則導致機床設備事故，對柔性線運行的危害極大。因此裝夾防錯檢查對于柔性線是必不可少的。通過探頭檢查，能有效保證裝夾的符合性。探頭防錯檢查的思路是基于探頭對零件上具有顯著區分特征的外廓、孔、筋條等部位的位置進行檢測，并與理論值進行比較，超過允許偏差值則判定為錯誤，提示報警。零件特征點可以按需選擇，一般選擇5～10個點進行檢測；對于零件上無明顯特征的，或左右件及正反面相似度比較高的零件，可以在毛坯或輔助工藝凸臺上設置附加倒角、孔、缺口槽等特征，通過特征的位置、形狀、大小不同進行左右件、正反面的區分。

(a) 基于零件特征的防錯檢查 (b) 基于輔助特征的防錯檢查圖7 防錯檢查示意圖

2.3 過程監控技術

2.3.1 基于機床自主檢測功能的加工狀態檢測

在柔性生產線中，零件的加工過程監控是至關重要的一環。零件的加工狀態隨時都在變化，往往會與設定的理想狀況有偏離，甚至會出現意外狀況，如不能及時監控及處置，可能造成嚴重后果。

基于機床自主檢測功能的狀態檢測是使用機床自動測刀和ARTIS加工過程監控[10]功能，實施加工過程檢測和保護。零件加工NC程序中添加刀具檢測指令，輸入當前程序所使用的刀具的長度、直徑、底角等參數。執行加工程序時，首先讀取測刀指令，利用機床的自動激光測刀儀對刀具進行測量，并將測量結果與預設數值進行比較，超過設定值則判定為異常狀況，程序進行暫停并報警，避免由于刀具和程序不匹配，出現干涉、碰撞等加工事故。ARTIS加工過程監控功能是通過對加工過程中功率和震動進行實時監控和判斷，當發現異常加工狀態時，啟動對機床實施保護的系統。通過ARITS系統可以及時發現加工狀態異常，使機床和零件得到較好保護。

2.3.2 基于自主學習的加工過程監控

基于自主學習過程監控是基于對機床的主軸功率的實時數據的檢測、記錄、比較，從而判斷零件加工狀態是否正常的一種過程監控方法。首先將零件材料、加工部位、刀具結構等進行分類，并給出相應的加工功率范圍值，在零件加工過程中實時對主軸功率進行采集及判斷，在預設功率范圍值內則為正常加工狀態，超過預設功率范圍則判斷為非正常狀態，機床暫停并報警。

同時對同一項正常狀態加工零件，將采集的首件零件的功率數據存入專門文件，作為該零件加工狀態的歷史記憶數據。在后續零件加工時，將實時采集的功率數據與歷史記憶數據進行實時對比，并設定一定的波動范圍，一旦兩者的誤差大于允許的波動范圍，則判定為加工狀態異常。機床暫停并報警。

基于自主學習過程監控能實時監測柔性線的狀態。特別是難加工材料的零件，由于加工狀態更為復雜，諸如刀具意外破損等情況更為頻繁。因此自主學習能快速、有效的滿足柔性線的要求。圖8為自主學習過程監控示意圖，圖示兩條趨勢線為當前功率和歷史功率數據進行比較。若兩者預設誤差為5%，當誤差小于5%時，判定為正常運行。當大于5%時，觸發報警，機床進行停止保護。圖中第5段程序的運行功率誤差超過設定誤差值，系統將觸發報警。

圖8 自主學習過程監控示意圖

2.3.3 刀具壽命管理

在柔性線數控加工中，最易損耗的部分是加工刀具，為提升機床的平均無故障工作時間，提升機床的利用率，需要搭建一套完善的自主刀具狀態和壽命管理體系。在柔性線較為可靠的方式是使用基于大數據統計的刀具壽命基礎數據管理。對刀具的壽命定量分析就是通過測定后刀面磨損程度是否超過規定的閾值。根據大量的實驗數據顯示，在刀具正常磨損階段，刀具后刀面的磨損程度與時間函數成正相關[11]。

搭建刀具壽命管控系統，首先根據前期的刀具壽命統計及實驗數據，設定各型刀具的使用壽命安全閾值，在程序編制時按照刀具壽命安全閾值進行程序大小的分割。同時在加工程序中嵌入程序的加工時間數據。在零件加工前，系統會自動匹配程序時間與庫存的刀具壽命，對無法滿足程序時間要求的刀具進行報警提示更換。對程序時間超過刀具壽命的系統報警提示對程序進行更改。

圖9 刀具壽命管控流程示意圖

該種刀具壽命管控流程，以時間閾值作為評定標準，確保刀具壽命管控的可靠性。對程序分段處理，并與刀庫內刀具的剩余使用時間相匹配，能合理有效提升刀具的使用率，節省加工成本。

2.4 數控程編技術

2.4.1 零件的工藝方案制定

零件工藝方案的制定應該基于高質、高效、低成本的原則。首要保證零件的質量符合性，相同條件下優選質量穩定、質量保證難度小的方案，同時，還要提高加工效率。降低機加工成本，提升柔性線的效益。

在單個零件的工藝方案制定中，需根據零件的類型、尺寸、結構不同，選擇適合的工藝方案，例如接頭類零件由于結構復雜，關聯尺寸多、位置精度高，比較適合一次加工到位的反拉式工藝方案，避免多次定位裝夾造成的誤差累積，最大限度的消除加工誤差；而雙面框、梁類零件由于尺寸結構相對簡單但結構剛性差，則可以使用臥式工藝方案、保證加工剛性，防止出現拉彈刀問題；對于需進行回轉加工的零件，可以考慮立式工藝方案，以降低加工和準備的難度。

2.4.2 零件的程序結構

基于柔性線的零件加工程序的構成與傳統數控加工程序有較大區別。傳統數控加工程序主要按照刀具和裝夾狀態進行劃分，通常根據裝夾狀態的改變或一次換刀來劃分程序。同時各程序之間為平行關系，相互之間沒有從屬關系，程序內部主要由刀軌坐標、輔助指令等構成，只能實現切削加工等單一功能。而基于柔性線的零件加工程序不僅要實現零件的加工，還要具備找正、檢查、監控、調整、邏輯判斷等功能，因此零件程序需要進行功能的劃分，根據其主要功能的不同可以分為：主程序、找正程序、加工程序、檢測程序。主程序主要負責調度、判斷、控制；找正程序主要負責對零件定位狀態、裝夾狀態等進行檢查并反饋結果；加工程序負責零件的切削加工；檢測程序負責對加工結果進行檢查，通過對特定點位置坐標的檢測來判斷零件特征尺寸的準確性，其功能類似于三坐標測量機測量零件。主程序將各個功能程序有機的組合，實現柔性線程序的自主運行。

圖10 柔性線程序結構及功能示意圖

2.5 加工仿真技術

對于柔性線來說，仿真技術更是不可或缺的重要一環，相比傳統的數控加工，柔性線需要自主處理諸如條件判斷、找正、檢測、過程修正等大量判斷過程，而任何一個過程出現差錯，都會導致嚴重的后果。而這些過程都需要在模擬環境下進行仿真和分析，以判斷其正確性、合理性。只有預先進行過模擬環境下全過程的仿真檢查、分析，才能達到柔性線的基本要求，確保柔性線安全穩定的運行。

基于VERICUT軟件的幾何仿真技術為柔性線的主要仿真手段。 根據柔性線的特點和要求，柔性線仿真需要達到以下目的：檢查裝夾狀態的正確性、檢查邏輯控制的正確性、檢查程序的正確性。

裝夾狀態正確性仿真檢查主要檢查工裝與工作臺的相對位置關系是否正確；零件與工裝相對位置關系是否正確；工裝上的附件位置、高度是否滿足加工要求，是否存在干涉、間隙等異常情況。

邏輯控制正確性仿真檢查主要檢查主程序對下級程序的調度順序、條件判斷、過程調整、結果反饋等是否符合預期，是否能保證零件的正常加工，避免由于邏輯錯誤造成零件故障和機床的損壞等異常情況發生。

程序正確性仿真檢查主要檢查找正程序、加工程序、檢測程序的正確性。對找正程序，主要檢查探頭運行軌跡是否合理、探頭是否與零件或工裝干涉、取點位置是否合理、探頭反饋結果是否符合預期；加工程序的檢查與一般的幾何仿真相同，主要是對零件幾何尺寸符合性和工藝性的檢查；檢測程序的檢查主要是驗證運行軌跡的正確性、合理性，檢測結果是否符合預期。

3 結論

通過結合實際數控加工生產流程與柔性生產線的特點，提出了一套可行、高效的柔性數控加工生產線的搭建方案。該種柔性生產線相對于傳統的數控加工模式，操作人員減少60%，主軸利用率達90%以上，操作人員強度大大降低的同時避免了人為失誤的影響，零件的加工質量得到了極大的提升。但是，在難加工材料的加工中，材料狀態變化大，刀具磨損加劇，在今后生產線的改進中需要完善難加工材料切削過程中的檢測手段。