多品種變批量產(chǎn)品自動化生產(chǎn)線高效加工技術(shù)

賀瀟強，武曉光，王萌，邢鵬，高旭東

北京星航機電裝備有限公司 北京 100074

1 序言

隨著智能制造技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級，自動化生產(chǎn)線建設(shè)愈加成熟，包括關(guān)節(jié)式機器人、物流叉車等RGV小車的使用越來越廣泛，生產(chǎn)線所加工的對象呈現(xiàn)出批次多、品種多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點，造成生產(chǎn)線和設(shè)備利用率低，零件加工效率低，現(xiàn)有生產(chǎn)線制造模式技術(shù)深度適應(yīng)以上特點產(chǎn)品略顯乏力。針對以上情況，本文圍繞自動化生產(chǎn)線創(chuàng)新多項生產(chǎn)線核心技術(shù)，提出一種復(fù)雜程度各異產(chǎn)品的生產(chǎn)線加工方法，包括全自動無人干預(yù)、半自動、間歇性自動三種生產(chǎn)線運行模式和多工位多轉(zhuǎn)臺裝夾技術(shù)；創(chuàng)新多合一工序設(shè)計技術(shù)，解決了單工序加工時間短暫類零件生產(chǎn)線加工效率低下難題；發(fā)明加工環(huán)境自動復(fù)位技術(shù)，攻克多批次零件首件無人干預(yù)難題。通過發(fā)明新技術(shù)，激發(fā)生產(chǎn)線綜合效能。

2 背景、目的及意義

2.1 研究背景

隨著數(shù)字化、智能化的逐步推廣實施，市場競爭愈發(fā)激烈，傳統(tǒng)制造行業(yè)正面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)，迫切需要進行深刻的轉(zhuǎn)型升級。

然而勞動力成本的上升、產(chǎn)品附加值的偏低、個性化消費需求的增長，這三方面問題正制約著我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。大規(guī)模定制充分利用企業(yè)現(xiàn)有的各種資源，借助現(xiàn)代設(shè)計方法、成組技術(shù)、信息技術(shù)和先進制造技術(shù)等，根據(jù)客戶的個性化需求，以大批量生產(chǎn)的規(guī)模，提供定制化的產(chǎn)品和服務(wù)。同時離散型智能生產(chǎn)線擁有高超的制造柔性和靈活的工藝路線，能在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上改善產(chǎn)品的制造工藝與質(zhì)量檢測，有助于提升管理者的決策效率，并能根據(jù)生產(chǎn)狀況進行動態(tài)實時的排產(chǎn)決策[1]。因此在大規(guī)模定制模式下，建設(shè)更加高效、更加自主、更加精確和更加節(jié)能的離散型智能生產(chǎn)線將是未來我國制造業(yè)的破局之路。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空航天、汽車、造船及模具等工業(yè)領(lǐng)域，生產(chǎn)模式從大批量和單一品種漸漸演變成中小批量和多品種，零部件形狀愈加復(fù)雜，對工藝技術(shù)要求越來越高，且一旦出現(xiàn)廢品，損失難以估計，因此如何提升自動化加工技術(shù)，提升加工效率以及穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，將顯得尤為重要。

2.2 研究目的與意義

在航空航天產(chǎn)品發(fā)展過程中，出現(xiàn)了產(chǎn)品品種多、變批量、周期短、復(fù)雜程度高和零件狀態(tài)更改頻繁等特點，傳統(tǒng)的單機離散加工已不能滿足日益復(fù)雜多元化的航天零部件加工，在單機離散加工向智能化加工轉(zhuǎn)變過程中，自動化生產(chǎn)線的深度應(yīng)用成為了亟待解決的難題[1]。

自動化機械加工生產(chǎn)線一般是由多臺數(shù)控機床、物流系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、線下預(yù)調(diào)系統(tǒng)和在線測量系統(tǒng)組成，將生產(chǎn)線各項系統(tǒng)與產(chǎn)品加工深度融合，將會極大地提高零件自動化加工程度，大量降低人工勞動強度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，保證生產(chǎn)周期。

3 生產(chǎn)線加工的特點與難點

自動化生產(chǎn)線加工具有生產(chǎn)效率高、人工操作少、靈活性強的特點。通過自動化、智能化技術(shù)，可以大幅提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益；對于一些重復(fù)性、危險性較高的工作，可大大減少人工操作，降低質(zhì)量風(fēng)險，提高安全生產(chǎn)；在生產(chǎn)任務(wù)復(fù)雜繁忙時，可以根據(jù)需求進行快速調(diào)整，提高企業(yè)核心競爭力[2]。

同時，自動化生產(chǎn)線加工的實施與生產(chǎn)線運行也存在諸多難點：一是在技術(shù)上需要自主研發(fā)，突破裝配和軟件技術(shù)的瓶頸，同時關(guān)注整個生態(tài)鏈中的核心技術(shù)；二是在管理上需要推動組織和管理的變革，以適應(yīng)信息技術(shù)帶來的管理變化；三是在智能化道路上需要引進系統(tǒng)工程、頂層設(shè)計，才有可能實現(xiàn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和組織管理三者的深度融合[3]。

生產(chǎn)線布局示例如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線布局示例

4 生產(chǎn)線加工新技術(shù)研究與應(yīng)用

4.1 生產(chǎn)線加工新技術(shù)研究

（1）混合運行模式設(shè)計 基于車間已有的多條機械加工生產(chǎn)線，通過對生產(chǎn)線調(diào)試、應(yīng)用、總結(jié)和創(chuàng)新，設(shè)計出一套混合運行模式，包含全自動、半自動、間歇性自動三種模式。

全自動運行模式是對工裝、刀具、零點基準、夾緊位置和在線測量基準全部統(tǒng)一和固化，結(jié)合在線檢測及自動補償技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品全自動24h無人干預(yù)加工的加工模式。此種模式主要針對大批量常規(guī)零件上線加工。

半自動運行模式是對于復(fù)雜程度較高的批產(chǎn)零件，現(xiàn)有手段無法做到無人干預(yù)，需要人工少量干預(yù)的生產(chǎn)線加工模式。例如某零件加工過程中，圓柱銷安裝和拆卸等，需要程序暫停，依靠人工輔助參與，然后繼續(xù)運行；但零件的線下裝夾預(yù)調(diào)和中途自動測量等依然是自動實現(xiàn)。此種方式適用于復(fù)雜零件生產(chǎn)線模式的高效加工。

間歇性自動運行模式，指在人工休息或者下班前，打開托板在線開關(guān)，當(dāng)前程序執(zhí)行結(jié)束后，自動執(zhí)行提前下發(fā)的全自動運行產(chǎn)品任務(wù)，以應(yīng)對研制與批產(chǎn)兩大類零件的交叉排產(chǎn)。對于預(yù)研型號復(fù)雜零件，需要較多的人工干預(yù)，此種情況不利于生產(chǎn)線的的自動化運行，尤其是在中午和后半夜空余時間，會造成機床大量浪費，因此發(fā)明了間歇性自動運行模式。在復(fù)雜零件加工研制階段，白天人工參與測量調(diào)整試切等任務(wù)，同時對全自動運行零件下單操作，在操作人員下班前點亮托板在線按鈕，當(dāng)艙體程序執(zhí)行完畢后，自動啟動白天下單任務(wù)，機床實現(xiàn)連續(xù)運行，設(shè)備利用率達到最大化。

（2）多合一工序設(shè)計及多工位多轉(zhuǎn)臺裝夾設(shè)計 部分零件單工序加工時間較少（＜0.5h），而工件的自動運輸、托板交換等步驟頻繁，占用總加工時間比重較高。因此，通過改變零件裝夾方式，設(shè)計多工序工裝，零件一次裝夾完成多道工序加工，降低零件運輸?shù)容o助時間在總加工時間中的占比，提高零件的加工效率。對于批量較大、工序繁瑣的零件，可以設(shè)計專用多工位工裝，實現(xiàn)零件一“鍋”裝夾即可完成所有工序內(nèi)容加工。

（3）加工環(huán)境自動復(fù)位技術(shù) 對于批量大的零件，通常會分為多個批次排產(chǎn)，無法實現(xiàn)一次性全部排產(chǎn)。因此，在生產(chǎn)線模式運行中，每個批次的首件需要人工介入調(diào)試，并且存在一定質(zhì)量風(fēng)險，通過研究“加工環(huán)境自動復(fù)位技術(shù)”，編制零點賦值程序，對加工零點、加工基準、加工程序和加工刀具進行綁定。當(dāng)下一個批次排產(chǎn)時，系統(tǒng)自動恢復(fù)上個批次的加工環(huán)境。

自動化生產(chǎn)線設(shè)計優(yōu)化思路如圖2所示。

圖2 自動化生產(chǎn)線設(shè)計優(yōu)化

4.2 新技術(shù)的應(yīng)用驗證

間歇性自動運行模式，對批生產(chǎn)零件以及預(yù)研零件的交叉生產(chǎn)，生產(chǎn)線的設(shè)備利用率由47.09%提升至88.17%，提升效果明顯，如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線設(shè)備利用率對比

某零件的精加工包括正反兩面的清根加工和端面精加工，通過多合一工序設(shè)計，設(shè)計了專用工裝和專用加工程序，實現(xiàn)了正面、反面、端面精加工3道工序在機床內(nèi)一次性完成，減少兩次零件轉(zhuǎn)運和入庫出庫時間，加工時間由183min降低至121min，效率提高了33%，設(shè)備運行更加連續(xù)，如圖4、圖5所示。

圖4 零件多合一工序設(shè)計及多工位裝夾

圖5 技術(shù)手段提升后設(shè)備利用率

例如某框類零件，數(shù)銑工序有深腔、淺腔等4道工序，無法一次裝夾完成，因此設(shè)計了多工位工裝，實現(xiàn)零件續(xù)動加工，實現(xiàn)了框類零件4工位、3托盤的連續(xù)加工，每組加工時間為8h，利用3個轉(zhuǎn)臺剛好滿足24h排產(chǎn)，集中了操作人員線下裝夾時間，人工參與次數(shù)由4次降至1次，可實現(xiàn)一人3機。

例如某前連接框零件批量大，一般分為多個批次生產(chǎn)且各批次投產(chǎn)往往不連續(xù)。借助“加工環(huán)境自動復(fù)位技術(shù)”，工藝人員編制了專用的零點賦值程序，在程序開頭將所有偏置值清零，對應(yīng)坐標(biāo)系寫入前連接框加工零點，然后采用測頭精確設(shè)置零點，加工工裝與托盤放置30～33號托位，加工刀具存放到刀庫T36-T40中，主程序名固化為O5001，形成一套固化的加工環(huán)境，可供生產(chǎn)線系統(tǒng)隨時調(diào)取。

5 結(jié)束語

本文通過分析自動化生產(chǎn)線加工中數(shù)控機床利用率低、生產(chǎn)線效率低的主要原因，總結(jié)出多項生產(chǎn)線核心技術(shù)，包括混合運行模式、多合一工序設(shè)計及多工位多轉(zhuǎn)臺裝夾、加工環(huán)境自動復(fù)位法。突破了多批次產(chǎn)品加工首件加工環(huán)境自動恢復(fù)的難題，實現(xiàn)了生產(chǎn)線無縫連續(xù)自動運行。創(chuàng)新生產(chǎn)線多工位多轉(zhuǎn)臺裝夾方式，不僅實現(xiàn)了批產(chǎn)零件續(xù)動加工，而且實現(xiàn)了生產(chǎn)線全自動、半自動運行模式。發(fā)明了間歇性生產(chǎn)線運行模式，實現(xiàn)了批產(chǎn)與研制任務(wù)交叉排產(chǎn)設(shè)備利用率最大化，設(shè)備利用率高達94.48%。