復雜殼體智能柔性生產線應用探索

張昌菊，王軍，梁偉萍，張理博

中國航發貴州紅林航空動力控制科技有限公司 貴州貴陽 550009

1 序言

從傳統生產方式到智能生產方式的變化如圖1所示，基于信息物理融合生產系統和系統協同的智能制造技術，以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以端到端數據為基礎，將傳統生產方式柔性化、智能化和高度集成化，從而實現智能生產[1-3]。

圖1 從傳統生產方式到智能生產方式

2 傳統生產方式

復雜殼體現有或傳統工藝流程是以單臺立式加工中心和銑床機械加工為主，工藝路線主要是單個面分工序加工。面上的孔系和油路由單臺立式加工中心加工，斜孔和油路由普通銑床加工，螺紋由鉗工加工；殼體型腔內部的不規則型孔由電火花加工。工藝安排粗、精加工方式，尺寸精度要求高的孔（如精度等級H7及以上的孔）安排精加工，以保證零件的尺寸精度和位置精度；精度要求高的位置公差（如孔中心距要求0.05mm的孔位置），在加工中逐件找正后加工。

3 智能制造方案

3.1 方案策劃

為了提高復雜殼體的產品質量和生產制造的經濟性，設計智能柔性生產線，主要由1臺智能數控計算機、1個智能多層托盤庫、2個上下料工作站、2臺智能臥式加工中心、1臺智能五軸加工中心和3個智能堆垛升降機組成，布局如圖2所示。生產線的主要功能和原理為：智能數控計算機執行高級計算和控制功能，如人工指令、復雜控制算法和命令發送等，通過人工智能數控程序，控制復雜殼體的機械加工過程，以充分發揮自動化加工設備的加工潛力，提高加工效率，具有和外部環境交互的能力；智能臥式和五軸加工中心以信息物理融合數據進行端到端連接，配置智能刀具庫、智能在線檢測設備和自適應控制器，實現復雜殼體的自適應柔性加工，具有一定的自診斷和自修復能力，以提高智能機器運行的安全性和可靠性；智能多層托盤庫將需要機加工的殼體和夾具等安裝在多層托盤上，由智能堆垛升降機根據計算機的控制程序，自動交換和運輸復雜殼體和夾具，以使其到達需要機加工的工位，按照不同的復雜殼體數控程序要求，實現24h自動化連續加工，該托盤庫具有開放式體系結構，以支持智能柔性生產線的集成和擴展。

圖2 復雜殼體智能柔性生產線布局

3.2 工藝流程設計

（1）總方案 復雜殼體的智能制造工藝流程如圖3所示，其智能柔性生產線采用智能臥式和五軸加工中心，配置智能刀具庫、智能在線檢測設備和自適應控制器，可實現自適應柔性機械切削加工。傳統采用單工序銑鏜加工的孔，現改用組合鉸刀鉸孔；傳統采用立式加工中心和銑床進行銑削加工的內容，現集中安排在智能柔性生產線上進行加工；另外采用五軸加工中心代替普通銑床，加工復雜殼體6面上的斜孔和油路等；電火花加工采用數控電火花成形機床；攻螺紋、去毛刺、沖洗和試驗等工序，仍然按傳統工藝。

圖3 復雜殼體智能制造工藝流程

（2）柔性生產線方案 復雜殼體智能柔性生產線為圖3中綠色框部分，采用智能臥式和五軸加工中心、智能大刀具庫、智能在線監測設備和自適應控制器，一次裝夾、集中工序加工復雜殼體的6面孔系（包括斜孔）和油路等。該生產線將傳統加工方式的810道工序縮減至250道，減少了裝夾、首件檢驗和周轉共560次，加工周期從90d縮短到15d，更好地保證了孔系（包括斜孔）和油路之間的尺寸公差、位置公差和表面質量。

（3）夾具方案 智能柔性生產線采用以智能托盤為快換機構的裝夾方式，即智能托盤隨著復雜殼體在生產線上進行周轉。智能托盤設計為子母板夾具形式，如圖4所示，主要由托盤、子板、支承面、殼體、壓板、定位銷和母板等組成。其中子板上設計有支承面、壓板和定位銷等，子板安裝在母板上，母板通過定位孔、吊裝環等安裝在托盤上。

圖4 智能托盤結構示意

（4）數控程序 根據以上設計方案，編制復雜殼體智能柔性生產線的智能機器、工序流程、刀具方案、夾具方案、在線檢測和自適應控制等所需的數控程序，通過信息物理融合技術，由智能數控計算機實施智能控制。經過復雜殼體首件加工驗證、確認和評審，并固化到DNC中后，不得隨意更改。如果刀具因磨損而需要調整參數或因損壞而需要換刀時，由生產線操作者重新對刀調整參數，經班組長或技能專家確認，確保數控程序和應用程序合格后，重新進行該批次復雜殼體的首件加工驗證、確認和評審，并再次固化到DNC中。

4 智能制造生產線建設

4.1 加工方案設計

根據有關技術狀態文件、技術協議和合同，以某型產品的某殼體為例，結合智能柔性生產線供應商提供的交鑰匙方案，編制復雜殼體的智造工藝流程圖、工藝布局圖和工藝規程等，并進行工藝評審。其工藝方案改善前及改善后的加工流程分別如圖5、圖6所示。

圖5 改善前加工流程

圖6 改善后加工流程

4.2 刀具、夾具及量具方案

復雜殼體智能制造需要的刀具、夾具及量具由智能設備供應商提供。智能夾具在智能柔性生產線上安裝調整，并進行試加工以確認合格。智能大刀具庫配置刀具340把，其中標準刀具138把，非標專用刀具202把，融合安裝在智能臥式和五軸加工中心中。采用傳統量具，進行人工測量。

4.3 檢測方案

（1）尺寸檢測 對智能柔性生產線上加工的復雜殼體，按照工藝規程要求進行全尺寸測量，結果合格。對部分精加工孔尺寸進行測量數據統計，結果表明尺寸穩定且一致性好。

（2）對比檢測 為考核復雜殼體變形對加工尺寸的影響，將合格復雜殼體放置6個月后，再次對其進行檢測。對比檢測數據發現，復雜殼體變形對高精度尺寸的變化影響在0.005mm之內，符合要求。

（3）解剖檢測 對3件復雜殼體的型孔和油路的孔壁尺寸、位置公差和表面質量進行解剖檢測，結果合格。

5 結束語

經過實踐驗證，智能柔性生產線實現了復雜殼體的智能柔性加工和檢測，滿足智能制造方案和復雜殼體工藝要求，達到了預定目標。