飞机小型复杂结构件柔性化生产线研究与应用.pdf

第5期（总第2 4 0 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 4 13(2 0 2 3)0 5-0 0 4 1-0 4飞机小型复杂结构件柔性化生产线研究与应用周元莉，倪家强，王晓峰，刘（沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳110 0 34)摘要：面向飞机小型复杂结构件加工需求，为满足钛/铝合金小型复杂结构件铣侧平面、外形、内形等典型制造工艺流程要求，采用基于模块化设计、统一软硬件接口的柔性化生产线搭建方式，通过增加转台实现立式加工中心搭建小型复杂结构件柔性化生产线；采用零点定位系统，将加工调整为并行模式，实现机外快装快换，定位和锁紧一步完成，支持多种相似产品混线生产，灵活调整工艺，适应小批量、多品种的生产模式。该柔性化生产线既适应实际加工需要，提升了飞机结构件的加工效率和加工质量，又具备系统的扩充性，以满足未来远期发展目标。关键词：飞机小型复杂结构件；柔性化生产线；创新中图分类号：TH165：V 2 2 9乐，万蕾文献标识码：A0引言柔性制造系统的概念由英国MOLIN公司最早正式提出，是指由若干数控设备、物料运贮装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统，主要强调两个方面的柔性反应能力，即生产能力的柔性反应能力和供应链的敏捷、精准的反应能力1,2。美、德、日等发达国家在航空、航天、汽车等诸多领域的柔性制造均实现了不同程度的成熟应用，然而我国柔性制造生产线的应用在汽车、家电、手机等更新迭代速度快的行业发展迅速，但是在航空领域成熟应用案例不多，可供参考的经验不足3,4。目前国内飞机现有生产线尚处于自动化生产线层面上，自动化生产线主要适用于设计和工艺稳定可靠并能在较长时间内保持基本不变的大批量生产的产品，而针对多品种、小批量的航空结构件加工，没有充分发挥出自动化生产线的优势5.6 。因此，面向飞机小型复杂结构件加工领域，建立飞机结构件柔性化加工生产线，有助于加快航空制造业转型升级，推动智能制造技术的进一步落地。1飞机小型复杂结构件加工现状飞机小型复杂结构件在加工过程中人为因素摄人较多，需多次装夹定位，零件加工批次一致性存在差别，孔系位置精度不易保证，且由于操作失误容易产生产品质量问题。同时现有加工条件未形成专项自动化柔性生产线，混线加工造成不必要的等待排序，零组件准备周转时间长，严重制约生产进度，难以充分发挥铣削加工设备的效率。通过建立飞机小型复杂结构件柔性化加工生产线，支持多种相似产品混线生产，灵活调整工艺，以适收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 3；修订日期：2 0 2 3-0 6-17作者简介：周元莉（198 5-），女，辽宁沈阳人，工程师，硕士，主要从事飞机制造先进工艺与技术的研究和推广工作。应小批量、多品种的生产模式，生产线上如果出现设备故障，能够调整到其他设备生产，从而保证实现停机不停线和停线不停机的柔性化生产线无疑成为航空结构件加工的更理想方式。2柔性化生产线2.1柔性化生产线整体布局面向飞机小型复杂结构件加工需求，以满足钛/铝合金小型复杂结构件数控加工要求，设计并搭建的小型复杂结构件柔性化生产线包括设备执行层及生产线管控层，其总体架构如图1所示（图中信息支撑层只用于说明生产线原始数据的来源及生产线最终制造数据的归属，不属于柔性化生产线的范畴）。图2 为柔性化生产线布置，由两种型号机床、物料管理、集成的机器人单元、仓储功能等构成，使用零点定位系统，实现自动化生产，同时采用模块化设计、统一接口的方式，可根据需要扩展柔性化生产线，以满足远期发展目标。2.2柔性化生产线组成及功能2.2.1设备执行层设备执行层主要包括加工设备、工装夹具、物流设备和辅助设备，执行生产任务及反馈执行信息。（1）加工设备由3台数控加工中心组成，其中1台三坐标加工中心用于线外下料及加工模锻件基准，如图3所示；1台三坐标加工中心用于组线进行粗加工，如图4 所示；1台五坐标加工中心用于组线进行精加工，如图5所示。设备通过交换机与管控系统服务器连接，接收加工指令及NC程序，反馈完成信息。（2）物流设备是一台安川机械手，关节数6 个，抓举重量16 0 kg（如图5所示）。通过交换机与管控系统服务器连接，接收动作指令及NC程序，反馈动作信息。机械工程与自动化（3）辅助设备包括上下料站和工装架。上、下料及标准托盘。站两个工位，上料工位用于安放待加工的零件及托盘、（4）工装夹具包括标准托盘和专用工装。标准托工装，等待机械手抓取；下料工位用于机械手安放完成盘用于安装零件或专用工装，被机械手抓取；专用工装加工的零件及托盘、工装。工装架用于存放零件工装用于模锻件类零件的装夹定位，与标准托盘连接。信息支撑层2023年第5期22企业资源计划工艺设计管理信息资源下发生产线总控系统线内作业计划管理数据查询设备作业计划上下料站作业计划生产线管控层线内制造资源管理线内立体库管理设备管理上下料站物料管理数据反馈执行指令下发设备执行层制造执行系统信息资源反馈数据查询线内工艺管理物料运送作业计划制造工艺及加工程序产线状态监控管理制造资源运行状态制造执行进程其他信息系统数据反馈实时数据反馈加工设备线内立体库机器人控制柜总控柜电器交换机物流设备图1柔性化生产线总体架构辅助设备工装夹具图5精加工五坐标加工中心及安川机械手五轴联动加工中心机器人上下料站组线加工服务器禁器图2 柔性化生产线布置图3线外三坐标图4线上粗加工三坐标加工中心加工中心三轴立式加工中心工作区三轴立式加工中心线外下料2.2.22生产线管控层生产线管控层主要指生产线总控系统，具有线内作业计划管理模块、线内工艺管理模块、线内制造资源管理模块、线内状态监控管理模块等，接收上游指令及向线内配发作业任务，实现更进一步的智能控制。（1）线内作业计划管理模块。主要包括生产计划管理与生产排程管理。生产计划管理主要负责生产计划导入、生产计划创建、生产计划维护以及生产计划查询等，生产计划数据流程如图6 所示；生产排程管理主要包括生产任务下达、工装准备、零件工艺检测、生产任务检测、生产任务调整等功能，生产排程流程如图7所示。2023年第5期（2）线内工艺管理模块。对工艺线路、工艺工序设计的材料定额、工装、图纸等信息进行规范化管理，维护产品图号与工艺路线号之间的关联关系，为后续过程数据采集提供支撑数据，主要包括工艺维护、工艺图文档管理等。工序参数维护界面如图8 所示。计划信息解析EXCELEXCEL格式固定EXCEL导入零件信息计划录入界面周元莉，等：飞机小型复杂结构件柔性化生产线研究与应用2牌编号：SLH-90T-62-C06线内作业计划管理模块导入43命令下发，柔性化生产线网络架构如图14 所示。2%工银配装C工装O无料:45:4922019-10-2811:45:49PLCO零件信息E计划信息手工录入图6 生产计划数据流程保存图9显性化显示线内制造资源属性生产计划计划与排程调度功能规则数据图7 生产排程流程图10生产线监控在制品监控图号：_开始竭：3：57:3当谢工醇：铁当前工装：批程聘：婴件日志工位名路机床2图8 工序参数维护界面机床放（3）线内制造资源管理模块。对物理空间的各设机床啦备包括物料传输设备、加工设备、上下料站及立体库等健康状态、运行状态，以及工装夹具等物料的数量、存储信息及存在位置等进行记录和管理，并且可通过双击设备模型显性化显示线内制造资源的属性变化，如图9所示。（4）线内状态监控管理模块。生产现场可视化主要是动态电子看板、复杂报表功能的实现，解决现场管理中多变的生产需求与软件应用扩展之间的矛盾，确保简单的拖拽定义即可实现持续实时的应用展示，如生产线监控、在制品监控、数据采集与展示等，如图10 图13所示。2.2.3网络架构小型复杂结构件柔性化生产线由加工设备、物流设备和管控系统等组成，建立物理隔离的内部局域网，通过交换机连接，实现数据统一和共享，有效保证系统数据的安全性。由数据和应用服务器负责数据采集和加工土满：0 0:0：0 0当鹤机康：群尚力翼：0 2生产订单号：0 _好上料充成上料开始下科完成图11在制品监控界面3柔性化生产线创新点（1）以应用为牵引实现提效。为满足生产线承担零组件机械加工任务的铣侧平面、外形、内形等典型制造工艺流程的需要，采用五轴联动加工中心1台、三轴立式加工中心2 台（1台组线加工，1台线外下料）、物流系统1套、生产管控系统1套进行组线，在发挥有限资金效益最大化的同时，有效缩短零件加工流程和减少不必要的等待排序。（2）零点定位实现快装快换。为简化装夹的繁琐工作，保证工作的连续性，减轻劳动强度，采用零点定位系统，将加工调整为并行模式，即线上加工、线下装夹的方式，实现机外快装快换，定位和锁紧一步完成，极大地节省机床人工上下料的工作及管理时间，也有效提高了零件加工批次的一致性。2018-05-0823：0 92018-08-0元2：0 号2018-00-0812:0944（3）构建并实现立式加工中心组线。为便于零件自动上下料、装夹和排屑等工作的有效开展，摒弃以往采用卧式加工中心组线经验，通过增加转台的方式采用立式加工中心，具备了翻板功能，实现了卧式加工组线所具备的便于零件自动上下料、装夹和排屑等优点，同时还有效节省了组线布局空间。（4）模块化设计、统一接口向智能制造迈进。为满足公司未来智能制造发展需求，便于生产线运行过程中相关状态数据的监控、提取、分析以及应用等，采用基于模块化设计、统一软硬件接口的柔性化生产线搭建方式，实现柔性化生产线的快速搭建，并为后期生产线在功能模块的丰富与拓展方面提供便利，进而向智能制造迈进。温魔振辐实时傅1007550502525机械工程与自动化4结语因受经费限制，小型复杂结构件柔性化生产线规模不大，只具备柔性制造基础功能，诸如通过机器视觉和多种传感器进行质量检测、自动剔除不合格品、对采集的质量数据进行SPC分析、找出质量问题成因等功能尚未开展研究与验证。但是柔性化生产线在论证过程中考虑了系统的实用性、可伸缩性、可移植性，具备系统的扩充性，以满足远期发展目标，因此下一步工作是以小型复杂结构件柔性化生产线为平台，研究、开发、应用验证更多柔性化先进制造技术，为未来新一代先进飞机结构高质量加工提供技术支持和储备。五轴联动加工中心机械手三轴立式加工中心下达生信息产指令发馈交换机2023年第5期4图12温度振幅实时值20Value;23.6Categoty:2019-10-2811:45:45-20Category:2019-10-2811:45:45Value:-49.89-40-502019-10-2811:45:49振馨超势留2.5152.512.5052.52.4952019-10-2811:45:49Research and Application of Flexible Production Line for SmallAbstract:In order to meet the processing requirements of small complex structural parts of aircraft and meet the requirements oftypical manufacturing processes such as milling side plane,shape and internal shape of small complex structural parts of titanium/aluminum alloy,the flexible production line construction method based on modular design and unified software and hardwareinterface is adopted,and the flexible production line of small complex structural parts is built by adding a vertical machining center byadding a turntable,and the zero-point positioning system is adopted,adjust the processing to the parallel mode,realize the quickassembly and replacement outside the machine,complete the positioning and locking in one step,support the mixed production ofmultiple similar products,flexibly adjust the process,and adapt to the production mode of small batch and multiple varieties.It notonly adapts to the actual processing needs,improves the processing efficiency and quality of aircraft structural parts,but also has thesystem scalability to meet the future long-term development goals.Keywords:small complex structural parts of aircraft;flexibility production line;innovation应用服务器温底二图14 柔性化生产线网络架构参考文献：1肖茹，钱洪美.FMS柔性制造生产线仿真技术研究J.计算机仿真，2 0 19，36（8）：2 0 4-2 10.2付建林，姜良奎，林蓝，等.基于离散事件仿真的FMS生2019-10-2811:45:432019-10-2811:45:40罐振二猴爆三2019-10-2311:45:432019-10-2813:45:40图13温度及振幅趋势Complex Structural Parts of AircraftZHOU Yuan-li,NI Jia-qiang,WANG Xiao-feng,LIU Le,WAN Lei(AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110034,China)数据服务器产策略优化J.现代制造工程，2 0 2 0（8）：2 7-31.3刘宏伟，杨锐，向华.汽车法兰盘柔性生产线的设计J.机床与液压，2 0 18,4 6(16)：7-9.4毕岩，房长兴.发动机缸体柔性生产线自动上下料装置研究J.制造技术与机床，2 0 18（2）：30-32.5俞鸿均，汪裕杰，熊航，等.飞机结构件生产线加工关键技术研究与应用J.航空制造技术，2 0 19，6 2（18）：8 3-10 1.6李杰，夏远猛，宋智勇，等.飞机结构件柔性生产系统设备布局分析与优化J.航空制造技术，2 0 2 0，6 3（6)：51-56.