面向多品種大型筒類薄壁件的智能生產線設計及優化

張月紅 鄭聯語 李春雷 潘旺旺 張志奇 桑曉宏

（1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院,北京 100191；2.山西航天清華裝備有限責任公司,長治 046012）

1 引言

為實現結構輕量化，某產品外壁通常由圓柱筒類、圓錐筒類及異形筒類薄壁件等強質比高、承載力強的結構組成，為滿足特殊功能需求，此類薄壁件大多結構尺寸大、形狀復雜且外形尺寸精度要求高，加工過程中材料去除量大、壁薄易變形、整體生產效率低等難題為其加工精度及效率的提升帶來了很大的挑戰[1]?！吨袊圃?025》明確提出將智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，在重點領域試點建設智能工廠及數字化產線[2]。在《〈中國制造2025〉重點領域技術創新綠皮書》中，“大型輕量化整體及高強金屬結構制造技術”被列為航空航天裝備領域共性關鍵技術之一[3]。綜合來看，建設多品種大型薄壁件智能生產線是實現高精制造、快速響應的必經之路。生產線建設面臨呈現多型號并舉、研制與批產并重的局面，亟須通過智能化手段實現產品質量、協同效率、研制能力的提升，也對提升產能極限和大型薄壁件的生產能力提出了更高的要求。

目前，國內制造過程正處在全面推行數字化和自動化應用階段，而智能產線是數字化、自動化向更高階段發展的必然趨勢。因此，通過構建數字化生產線可為其零部件高精高效裝夾定位、切削加工提供有效解決途徑，而多品種大型薄壁件具有“變批量、多品種、混線生產”的特點，因此，如何以三類典型結構件為對象建立智能生產線，并研究突破其建設過程中的關鍵技術，進一步掌握理論方法和技術支撐尤為重要。對產線設計與優化具體表現在：a.生產線設計與優化可使產線中各資源得到有效利用，提高產線效率；b.產線優化技術可改進線內瓶頸工位，使產品生產過程更加均衡，減少生產過程等待或阻塞狀態造成的在制品堆積；c.可快速作出調整，快速響應當前需求，實現柔性生產。

2 多品種大型筒類薄壁件布局預設計

2.1 產線設計需求

本文面向的多品種大型筒類薄壁件主要包含圓柱類、圓錐類、異形件三類件產品，如圖1所示。各件主要工藝流程如圖2所示。

圖1 三類筒類薄壁件加工特征

圖2 多品種大型筒類薄壁件工藝流程

圓柱件零件基本結構為回轉體，直徑尺寸1200mm，高度1500mm，成品壁厚尺寸2mm。圓錐件屬狹窄腔體薄壁零件，前端尺寸為Φ750mm，高度1500mm，成品壁厚尺寸2mm，公差0.1mm。異形筒類薄壁件為鋁鑄件，成品尺寸為Φ1300mm×1100mm，成品壁厚尺寸2.5mm，輪廓度要求不大于0.03mm。

上述筒類薄壁件加工過程中存在結構復雜、鑄造毛坯一致性差、余量不均等問題，急需結合智能化手段建立多品種大型筒類薄壁件智能產線。為此，擬通過設備選型及產線設計布局兩個方面完成產線預設計。

綜合考慮成本與效率問題，混線比時產線平衡率應不低于80%。在實現上述目標基礎上，仍需滿足以下約束條件：生產線占地長160m，寬24m，硬件設備投入不大于4500 萬元。產線主要面向大型筒類薄壁件，需要進行加工的特征主要包含端面、外壁、內壁、窗口、筋格等，產品尺寸精度需要滿足要求，具有快速換產能力，同時兼顧公司其他產品。

2.2 設備選型

多品種大型筒類薄壁件制造過程中，主要包含銑削、車削、鉗工、數字化測量及熱處理等工藝。其中，用于銑/車削等機加設備及數字化測量設備選型是產線設計中較為關鍵的步驟，設備選型為見表1。

表1 智能產線中關鍵設備相關信息

2.3 生產線布局預設計

生產線分為鉗工區(含預留區）、設備區及存儲區，如圖3所示。鉗工區主要用于劃線、位姿調整、安裝工裝夾具、去毛刺等工作；設備區主要放置各類機加設備；存儲區用于存儲工件毛坯及成品。

圖3 智能生產線初始設計

在完成初始設計后，通過理論計算及軟件仿真兩種方法對產線瓶頸工位分析，進而對設備類型、站位布置、投產比例、投產間隔等優化，使產線內各資源利用率盡可能平衡，產能盡量提高。

3 基于離散事件仿真模型的生產線資源瓶頸分析

利用PlantSimulation 軟件對多品種大型筒類薄壁件智能產線進行建模，采用工位模型表示不同的機床，調整混線比時，修改三種工件的百分比即可，按照一定混合比隨機出料到達生產線；加工時長設置可以通過修改各工位對應工序加工時間的方式實現。針對2臺相同設備的情況，在AGV 到達工位前傳感器首先對兩個工位上工件數量進行比較，調度邏輯是工件少的工位優先獲得新的工件，進而實現兩個相同工位的合理運輸選擇。以每年工作350d 計算，2 班制，每班實際工作時間7.5h，即每天工作15h，設備利用率按99.98%計算，建立初始產線的仿真模型。

基于該模型，按照三種工件1∶1∶1 的混線比隨機出料，通過改變在制品數，分析在制品數與生產效率的關系；通過改變投產間隔，即每隔一段時間投入1 件毛坯，分析投產間隔與生產效率的關系。共設置以下6 組實驗探尋產能極限，仿真結果見表2。投產間隔1d、在制品數為6 時的設備利用率如圖4所示。

表2 混線比為1∶1∶1 時不同方案的產出

圖4 設備利用率

從以上分析可知，設備利用率不均衡，設備利用率最高的為細長附件銑鏜床，接近100%，利用率最低的為TK 臥式銑鏜床，不足20%，三類產品共產出91件。根據用戶需求，不同時期需投產的混線比不同。同理仿真以下四種常用混線比，三類零件的年產量見表3，在所有工位中工作時間占比中最高的仍然是細長附件頭臥式銑鏜床，表明該工位為此次仿真中生產線的瓶頸工位。

表3 不同混線比時年產量

方案6、10、12 中，在制品數達到5 時產能達到極限，仍不滿足設計要求，當在制品數量達到6 時系統運行達到極限堵塞卡死。欲提高產能、提升產線平衡率，就需要在生產線中增加一臺細長附件頭臥式銑鏜床或其它優化方案來解決產能問題，而增加設備會導致成本過高，擬采用其它優化方案解決。

4 考慮產能平衡的產線優化

針對常用的幾種混線投產比，大部分機加設備利用率未達到40%。擬定以下三條優化措施：a.設備替代；b.增加機外預調工作站；c.工藝優化。優化方案如圖5所示。

圖5 產線優化方案

4.1 設備替代

因異形件的外形輪廓不規則，按照初始布局設計需要在五軸臥式銑鏜床上加工，工序時間長，設備成本較高。為節約成本，擬在四軸臥式銑鏜床上加工，采用PBC130 四軸銑鏜設備上實現外形輪廓的加工。采用工作臺旋轉螺旋加工時，機床主軸前后運動幅度較大，不利于切削，直接影響工件表面加工質量；而采用工作臺分度、三軸聯動擬合成型的方法加工，又會在加工中出現加工盲區，在曲率變化大的位置，甚至刀柄與工件會發生碰撞，如果采用較長的加長桿會產生較大震顫。但若將球刀更換成環刀，再將刀具偏置一個合適的角度，利用刀具側刃切削，即可解決。根據工件表面粗糙度要求，設置刀具與工件接觸時產生的殘留高度，推算出機床應旋轉的角度，使工作臺每轉一個角度刀具就進行一次切削，從而實現對異形零件外形的加工。該加工方法需要結合CAM 軟件來編制加工程序，但對于CAM 軟件針對異形曲面的加工策略大多數都為五軸加工策略，四軸設備又完成不了該曲面的加工，通過對五軸策略限制，在設置工件旋轉軸的同時，設置另一個軸為固定角度，即規避第五軸參與銑削，在四軸設備上只用1 個旋轉軸和3 個直線軸來加工，再通過一系列仿真試驗，對刀具直徑、刀具形狀、切削角度不斷調整，確定加工參數，最后通過仿真精度對比，確定該四軸設備能替代五軸的方案，既能夠滿足精度要求，又節約成本。如圖6所示。

圖6 設備替代前后精度對比分析

4.2 增加機外預調工作站

由于大型筒類薄壁件尤其是異形件，找正裝夾過程需要在機床上反復裝調，機床利用率極低。為此，在產線內的鉗工區增加一臺機外預調工作站，將測量找正任務在機床外部執行，避免占用切削加工時間。

為實現圓柱類零件周向打表精度，在機外預調工作站設計時，需滿足Z軸與回轉臺平面垂直度小于0.02mm，在此基礎上，在四軸設備搭建過程中，以回轉臺平面為基準，安裝三軸懸臂式坐標測量機，并確?；剞D臺的0°方向與懸臂式坐標測量機的Y軸方向平行，90°方向與坐標測量機的X軸方向平行，從而確保懸臂式坐標測量機與回轉臺之間有確定的相對位置關系，進而確保二者之間基準統一。

通過四軸測量設備與測量末端相配合即可完成多品種大型筒類薄壁件位姿數據測量與調整。除此之外，為方便工人操作，該站位同時配置其他配件，包括大屏幕、工作柜、工位電腦等。最后，通過手柄或者上位機下發運動指令來控制四軸運動，測量過程保持測量末端不動，通過回轉臺旋轉實現周向打表測量，保持回轉臺不同，上下移動Z軸實現母線直線度測量；保持回轉臺及測量末端不動，通過關節臂掃描儀實現異形薄壁件位姿測量。

機外預調工作站管控軟件集成了大型結構件加工位姿數據分析、調整量計算及異構設備通訊等技術，可實現大型結構件最佳加工位姿計算、調姿位置和調整量計算、位姿狀態可視化展示等功能，包括軟件功能模塊、系統工作流程、數據存儲方案和任務管控。與零點定位系統一同使用，可以實現不同設備間的快速換裝，如圖7所示。

圖7 機外預調工作站組成

4.3 工藝優化

結合仿真分析，瓶頸工位為細長附件銑鏜床，確定出空閑較大的設備，為充分利用該產線上的各設備，重新對工藝進行拆分、整合、替代，購置專用銑頭，將狹小空間必須使用細長附件銑鏜床的工序，轉移到五軸銑鏜床，同時擴充產品類型，如數控立車用來加工封頭類產品，TK6513 數控銑鏜床和細長附件銑鏜床可以用來加工框體類產品，如圖8所示。方案優化后產線布局如圖9所示。

圖8 工藝優化后的產線模型

圖9 工藝優化后的產線模型

5 生產線優化后產能及設備利用率分析

基于該模型，利用Plant Simulation 重新構建優化后的產線模型。為進一步提高產能及設備利用率，對產線運行中的幾個關鍵參數進行設置，包括多類產品投產比例、在制品數、投產間隔及緩沖容量等，可得到最大產能。當圓錐、圓柱、異形、封頭、框體=1∶1∶1∶0.5∶2 時，經仿真得出，在制品數25、投產間隔1d，設備利用率最低的為第2 臺五軸龍門銑，已超過85%，各設備利用充分，產線較為均衡，見圖10。

圖10 產線優化后年產量及設備利用率

根據上級單位不同時期需求預測及公司排產規劃，進一步優化各類產品投產比例，分別為2∶1∶1∶0.5∶3、4∶2∶3∶2∶7、3∶1∶2∶2∶6、1∶6∶3∶2∶5，其中，前3 類典型件是常見的混線比，后2 種封頭及框體零件的混線比是根據各工序加工時長通仿真出來產能相對較高的比例配置，用來驗證工藝改進后方案的合理性，仿真結果如表4所示。

表4 不同混線比下五種零件產能

加權情況下，設備利用率為：

式中，Ui，si分別為設備i的利用率，工位數量。產線平衡率=各工作站利用時間總和/（最大利用時間×工作站數）×100%。

經計算，各混線比產線平衡率見表5所示。優化后產能大幅度提升，5 類產品產能最大可達303 件。設備平均利用率得到較大提升，均在82%以上，最高可96.03%。產線平衡率大幅度提升，均在84%以上，最高可達97%。通過設備替代及工藝優化，將2 臺五軸替換成2 臺四軸機床，同時少購置一臺細長附件頭銑鏜床，共計可節約成本1843 萬元，產線總成本3782萬元。

表5 各混線比產線平衡率%

6 產線實物驗證

產線建設過程中，除配置硬件系統外，為實現生產組織、資源配置、執行管控、質量控制、數字化采集、物流轉運及數據分析展示等數字化管控功能，需開展信息化系統建設，包括生產線控制系統、全壽命周期管理系統TC、制造執行系統MES、企業資源管理系統ERP 等。形成以制造執行系統MES 為核心，向上與TC、ERP 進行集成，向下與生產線控制系統及倉儲物流系統WMS 實現集成的數字化生產線。建成的產線硬件系統如圖11所示，生產線控制系統如圖12所示。

圖11 硬件系統

圖12 生產線控制系統

7 結束語

本章根據產線需求，結合產品加工特征，對產線進行初始布局，采用Plant Simulation 仿真分析找出瓶頸資源，針對瓶頸工位提出了三種優化方案：通過設備替代降低成本；通過增加機外預調工作站開展“機外找正機內加工”，實現尋位加工；多種工藝優化手段相結合，通過工序整合改變產線內瓶頸工位的同時，其他設備的利用率也得到了較大程度上的提高。

提出了考慮產能平衡的多品種大型筒類薄壁件智能產線設計優化方法。通過離散事件仿真模型確定瓶頸資源，進而以提高產線產能并產線平衡率為目標，對工藝順序、設備類型、關鍵參數及產品種類進行優化調整，從而實現各設備利用率均衡，產線平衡率大大提升，產能得到充分提高。

設計了面向多品種大型筒類薄壁零件測量找正一體化的綜合式通用機外預調工作站。通過四軸測量設備與測量末端相配合的方式完成多品種大型筒類薄壁件位姿測量。該設備是國內首臺用于多品種大型筒類薄壁件位姿測量與調整的混合式通用設備，目前已進行成功應用。