基于零點定位系統的自動化殼體生產線設計

李國叢 武素星 單振剛 姚建華 王 佳 王慧玲 葉啟付 何 偉

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基于零點定位系統的自動化殼體生產線設計

李國叢 武素星 單振剛 姚建華 王 佳 王慧玲 葉啟付 何 偉

（航天長征火箭技術有限公司，北京100076）

利用六軸機器人、AGV機器人、桁架機器人等自動化設備，設計了一條自動化殼體生產線，實現零件上下料、機械加工、清洗、檢測和數據補償，零件入庫等環節的自動化，從而達到“多品種、小批量”航天產品的自動化生產，提升機床設備的利用率，提高企業制造經濟效益，為實現航天產品殼體類零件的自動化生產奠定了基礎。

零點定位；自動化生產線；殼體零件

1 引言

隨著航天型號的不斷增加，航天產品的更新換代周期越來越短，而航天產品為典型的“多品種、小批量”生產，該生產模式下機床設備利用率低，據統計，僅為20%～30%，單純依靠增加設備已無法滿足型號任務需求，且會增加單位固有投資成本。提升機床設備利用率的關鍵在于減少設備的停機、等待時間[1]，多品種、小批量航天結構件的加工耗時主要為零件的裝夾準備時間。

零點定位技術是一種減少機床停工時間設計的夾具系統，基于精益制造思想將大部分裝夾時間外移到機床外進行，使得加工和裝夾可以同時進行，多應用于批量產品的生產制造[2]。自動化生產線即在無人操作下的生產設備自我生產過程，其在運行過程中按照正常的生產指令控制生產，從而完成生產、加工、檢驗等一系列流程，自動化生產使企業節省大量人力和物力，加快了企業經營的工作效率[3]，而自動化生產線多用于汽車行業等大規模、批量生產領域，由于航天產品的特點，機械加工未采用自動化生產。

本文基于零點定位系統，利用六軸機器人實現自動上下料、送檢，在線集成三坐標測量儀，將四臺數控設備組成為殼體類零件自動化生產線，實現“多品種、小批量”航天產品的自動化生產，提升機床設備的利用率，同時提高企業機械制造經濟效益。

2 航天產品結構件生產特點和難點

航天產品“多品種、小批量”的特點，決定了產品無法實現大規模、批量生產，傳統機加車間采用集群式布局方式，各類設備屬于混放狀態，隨著生產任務的不斷增多，主要表現出以下特點和問題。

a. 物流路徑長，工藝路線交叉頻繁，物流效率低，物料跟蹤困難；

b. 作業現場較為混亂，標準化作業程度低，生產過程控制難度大；

c. 零件加工過程換線頻繁，生產等待時間長，生產加工效率低；

d. 設備利用率不均衡，平均數控設備利用率僅為20%；

e. 生產加工過程依靠人工完成，沒有自動化生產模式的引進；

f. 型號任務的增多，導致產品交付壓力越來越大，亟需提升加工效率，提高產能。

3 零點定位系統

零點定位系統由一套零件裝夾托盤，護板、工作臺卡盤、托盤與卡盤之間連接的拉釘組成。通用零點定位卡盤有4個或多個高精度定位塊，各定位塊之間的位置公差保證在±0.001mm以內，托盤與卡盤的重復定位精度可達±0.001mm，托盤與卡盤之間通過拉釘可達到10000N的鎖緊力，零點定位系統如圖1所示。零點定位系統中的卡盤固定在機床工作臺上，其位置坐標值固定，加工的零件可在機床外的托盤上進行裝夾、找正，并記錄工件坐標值，當托盤固定在工作臺卡盤上之后，工件的坐標位置可直接確定，利用已有程序和刀具，可開始加工，顯著減少了傳統加工過程中使用機床進行重復找正的時間，大大提升了機床設備的開機率，同時避免了因裝夾導致的零件加工誤差，提高了零件的加工精度。

圖1 零點定位系統

4 自動化殼體生產線的設計

結合航天產品結構件的生產特點及加工過程中凸顯的問題，基于零點定位系統，設計了自動化殼體生產線。自動化殼體生產線由生產準備區、交換流轉區、搬運區、加工區、總控區等組成，自動化殼體生產線布局如圖2所示。

圖2 自動化殼體生產線布局圖

4.1 生產準備區

圖3 托盤載板圖

生產準備區主要由工作臺、機外對刀儀、高度儀、計算機、貨架等組成，該區域負責完成零件的初步裝夾、找正，刀具的準備，被加工零件的信息錄入，機外編程、加工仿真等工作。編制完成并經過系統仿真的數控加工程序，上傳至終端服務器，以備自動加工過程中機床調用；在托盤上裝夾好的零件，放置在托盤載板上，托盤載板如圖3所示；生產準備人員在載板上放置托盤時，將托盤上的零件、零件加工所需的程序、托盤在載板上的位置信息與托盤上的RFID芯片綁定。

4.2 交換流轉區

圖4 載板安放架

交換流轉區主要由載板安放架組成，載板安放架如圖4所示。交換流轉區還包括刀具儲存柜、專用叉車、載板交換小推車等，實現生產所需物料的準確、安全送達，同時實現物料、物流的規范化管理。

4.3 機器人搬運區

機器人搬運區主要包括機器人運行導軌和一臺六軸機器人。六軸搬運機器人主要完成將系統指定的零件從載板上取出，并放置在后臺系統指定的數控機床上；將零件從機床上取出，在清洗機內進行清洗；將清洗后的零件放在三坐標測量儀上進行測量；檢測后的零件運送至載板架上，準備下線。搬運機器具有碰撞緊急停止功能，安全系數高，安全隱患小。

4.4 零件加工區

六軸搬運機器人在載板區抓取零件，根據后臺系統算法，將零件放置在空閑等待加工的數控機床上或按要求放置在指定的數控機床上進行加工；由于托盤上待加工零件通過RFID已與數控程序關聯，因此在機器人將零件放置在機床內的卡盤上時，卡盤外形如圖5所示，相應的數控程序已由終端服務器傳送至機床，零件安裝完成后即可立即開始加工。

圖5 卡盤外觀圖

4.5 零件的清洗和檢驗

每道工序完成后，零件均由六軸機器人從機床上取出，并放置在三坐標測量儀的卡盤上，三坐標測量儀依據編制好的程序對加工工件進行檢測，當探頭檢測到的數據與設定的數值不同時，數據中心處理器會自動計算刀補量，待所有尺寸檢測完成后，機器人取下工件運送至機床，機床按數據中心計算的刀補量進行二次加工，直至零件尺寸全部滿足設計要求。檢驗合格的零件放回到原來載板位置，準備下線。

由于零件機加過程中會產生大量金屬屑和少量毛刺，如果零件清洗不干凈，金屬屑和毛刺的存在影響三坐標的測量，產生較大的偏差，因此在零件檢測前需要徹底清洗，采用超聲波設備清洗，清洗完成后吹干處理。

5 自動化殼體生產線信息化系統設計

自動化殼體生產線硬件系統及自動化功能實現設計的同時，設計了自動化生產線的信息化系統，自動化殼體生產線信息化系統主要包括制造執行系統和生產線控制系統。制造執行系統由生產計劃管理、制造數據管理、生產作業管理、質量作業管理、生產現場管理、物資管理、電子數據包管理、基礎數據管理和系統管理等功能模塊組成，借助于信息技術實現生產過程信息的全面共享，提升產品生產的整體運作效率，實現生產過程控制和過程優化。生產單元控制系統由物料位置識系統（RFID系統）、物料周轉區、若干五軸機床或三軸機床、清洗單元、機械臂、三坐標檢測儀、安全隔離門、安全視頻監控攝像機等組成，生產單元控制系統是生產單元的控制中樞，負責實時采集各設備的監測數據并報告至制造執行系統。

6 殼體零件自動化生產工藝設計

自動化殼體生產線主要生產的殼體類零件為五面或三面加工，因此針對零件結構特點設計了專門的加工工藝。結合殼體類零件的加工特點，在零點定位托盤上安裝精密虎鉗，需要五面加工的殼體零件，第一次裝夾時可完成正面的加工，之后由機器人轉換到五軸數控機床或者帶有立臥轉化的托盤，實現另外零件兩個側面的加工，三個面加工完成后，零件出線，并在生產準備區將零件旋轉90°后裝夾，然后重新進線，第二次裝夾可完成剩余兩個側面的加工，其裝夾方式如圖6所示。需要三面加工的殼體類零件可實現一次裝夾完成所有面的加工。

圖6 五面加工零件加工工藝設計

7 自動化殼體生產線加工效率分析

以圖6中的五面加工零件為例，分析了傳統加工模式與基于零點定位系統的自動化生產模式下的加工用時，具體加工用時見表1。

通過分析表1中的數據，傳統加工方式生產單件產品用時為12.3h，而基于零點定位系統的自動化生產耗時為5.8h，生產效率提升2.1倍；除去生產準備用時，自動化生產方式的機床實際利用率約為傳統手動生產方式機床利用率的4.8倍，兩種生產方式用時及機床利用率對比如圖7和圖8所示。

表1 不同生產方式加工用時 h

生產準備主視圖俯視圖左視圖右視圖仰視圖檢驗 傳統加工用時23.51.5110.82.5 自動加工用時3.50.80.40.30.30.250.25

圖7 單件生產加工用時

圖8 機床利用率對比

8 結束語

基于零點定位系統，利用六軸機器人、AGV機器人、桁架機器人，設計了自動化殼體生產線，將四臺數控機床串聯為一條殼體零件生產線，實現零件自動上下料、自動加工、自動清洗、自動檢測和補償數據，零件自動入庫等環節的自動化，從而實現“多品種、小批量”航天產品的自動化生產，機床設備利用率提升近5倍，提高了企業機械制造經濟效益。基于零點定位系統的自動化殼體生產線設計為航天零件的自動化生產提供了一定的借鑒意義，有利于推動航天企業從傳統加工向自動化生產的轉變升級。

1 陳思濤，溫良. 基于零點定位系統縮短數控機床停機時間[J]. 制造技術與機床，2015(11)：40～42，57

2 唐林，周良明，劉衛武，等. 基于零點定位技術的中小航空結構件快速換裝技術研究[J]. 制造業自動化，2015，11(37)：19～21

3 蔣雪琴. 自動化生產線上計算機控制系統的應用探析[J]. 自動化與儀器儀表，2016(7)：42～43

Design of Automatic Shell Product Line Based on Zero Point Positioning System

Li Guocong Wu Suxing Shan Zhengang Yao Jianhua Wang Jia Wang Huiling Ye Qifu He Wei

(Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co., Ltd, Beijing 100076)

Based on zero point positioning system，the automatic shell product line was designed by using automatic equipment, such as 6-axis robot, AGV robot and truss robot. The product line can realize automatic process of feeding parts, mechanical processing, cleaning, testing, data compensation and parts storage, and finally achieved the automatic manufacture of multi varieties and small batch of aerospace products. The automatic product line increases the using ratio of the machine tools and improves the economy benefit of the corporation. It lays the foundation for automatic manufacture of aerospace shell products.

zero point positioning；automatic product line；shell part

2017-05-23

李國叢（1985），碩士，材料工程專業；研究方向：生產線設計。