柔性制造系統在航空制造領域的應用研究

□ 王煒磊 □ 張 益 □ 劉相國 □ 周一冰 □ 周子同

1.中航國際航空發展有限公司工藝中心 北京 100101

2.中航飛機起落架有限責任公司 長沙 410200

1 研究背景

我國航空工業在20世紀50年代起步之后，經歷了數十年的快速發展，在2010年以后已經進入新階段。雖然我國航空制造業較發展初期有了巨大進步，但是我國航空零部件制造技術水平仍需進一步提高，發動機及部分飛機核心關鍵零部件的制造仍是制約航空工業發展的瓶頸。

自美國麻省理工學院研制出第一臺數控銑床后，柔性制造技術在20世紀70年代進入生產實用階段。柔性制造系統是一種高度自動化的復雜系統，柔性相對于傳統剛性而言，具有生產過程自動化程度高、設備利用率高、適用范圍廣等特點[1]，解決了機械制造流水線高度自動化與小批量產品高度柔性化需求之間的矛盾。

隨著用戶對機械產品的需求向多樣化、個性化方向發展，傳統的剛性自動化生產線已不能滿足生產企業的產品要求[2]。在這種情況下，柔性制造技術作為一種新的制造技術，在汽車、航空等機械制造行業已得到快速發展[3-5]。在我國，柔性制造系統在航空制造領域中的應用尚處于探索階段，筆者以某航空制造廠起落架扭力臂柔性生產線為例，分析柔性生產線應用過程中的核心功能，以促進柔性制造系統在航空制造領域中更加完善、高效的應用。

2 航空零部件制造特點

航空設備存在結構復雜、工作環境惡劣、對零部件輕量化及可靠性要求高等特點。與傳統民用機械制造業相比，航空零部件制造具有以下特點[6]。

（1）小批量，多品種。單架民用飛機包含數萬個不同的零部件，幾乎涵蓋包括軸類、殼體類、壁板類等在內的所有機械特征。同時，為保證國家國防軍事實力，并在激烈的航空領域市場競爭中保持優勢，飛機型號更新較快，這就導致了同種零部件生產批量較小，難以適用傳統剛性流水線生產方式，制造工藝需具有高度的柔性適應能力。

（2）結構復雜，制造難度大。為了保證飛機零部件的承力及輕量化性能符合要求，多數航空零部件結構復雜。零件薄壁、復雜型面等難加工特征較多，制造難度大，對機床、夾具及刀具要求均較高。

（3）尺寸精度要求高。對飛機長壽命的需求呈不斷上升趨勢，對零部件裝配精度及零部件互換性的要求也隨之提高，導致零件部分尺寸精度要求高、公差小，進而對加工工藝的精度及一致性提出了更高要求。

3 航空制造傳統工藝技術缺點

經過數十年的發展，航空制造領域的工藝技術已較成熟，但一些薄壁零件的加工工藝仍需提高。如在薄壁長圓筒零件生產過程中，很多制造廠仍使用塞橡膠、灌鹽水等傳統方法，不僅加工效率極低，而且會導致零件尺寸精度不穩定，同時增大產品中夾雜多余雜質的風險。

另一方面，同類零件的工藝規程規范性較差，導致車間的排產效率低，且容易出現設備利用不合理的情況。

在零部件加工過程中，裝夾找正、余量控制及最終尺寸檢測需要大量高技能工人參與，不僅人工成本較高，而且會導致機床設備停機等待時間過長。零件加工質量對一線操作者技能依賴性強，產品加工過程繼承性差，質量不穩定。

4 柔性制造系統優勢

柔性制造系統是由數控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統等組成的自動化制造系統[7]，可進行零件產品加工過程的自動控制、故障自動診斷和處理，以及制造信息的自動采集和處理，同時可自動控制和管理零件產品、刀具和工裝等的運輸和存儲過程[8]，適用于多品種、中小批量生產[9]。通過編制不同自動化加工工藝，柔性制造系統可對具有相同零件特征的多種零件進行柔性化加工。

對于航空零部件制造而言，柔性制造系統所具有的多種優勢可解決航空零部件制造過程中生產效率低、產品質量一致性差等問題[10]。

（1）產品柔性強。柔性制造系統具有較高的產品柔性，在針對不同零件進行系統開發及自動化工藝集成后，柔性制造系統可在不進行機床設備調整的情況下進行產品換型。同時，不同零件可隨時混合排產，極大地提高了生產效率。

（2）生產準備時間短。柔性制造系統中零件生產過程由生產管理系統自動進行排產，根據自動化加工工藝在柔性制造系統中不同設備上進行零件不同工序的加工，減少了人工排產過程，使設備利用合理化。同時，柔性制造系統可實現自動上下料、零件自動裝夾找正及自動對刀等功能，大大縮短了生產準備時間。

（3）產品質量高。柔性制造系統中的在機檢測系統可對零件進行加工前測試找正、加工工序中余量檢測，以及加工完成后的尺寸最終檢測，同時可對零件尺寸偏差進行自動補償加工，形成完整的加工閉環[11]。通過高精度零點定位系統，柔性制造系統不僅保證了裝夾精度符合產品要求，而且避免了人工裝夾過程中的不穩定性，最終可保證零件尺寸高度一致性。柔性制造系統中的生產過程信息，如切削參數、刀具信息、設備運行情況等均會被自動采集，并存儲于生產管理系統中，具有可追溯性，便于進行產品質量問題分析和工藝優化改進等工作，同樣可保證零件質量。

（4）上線產品自動化工藝規范。上線產品的工藝規范均需進行自動化改進，改進后的產品工藝具有很好的規范性及一致性，便于工藝維護及車間生產管理。

（5）自動化程度高，對操作者依賴性弱。柔性制造系統自動化程度較高，具有一鍵操作即可完成特定工序加工的能力，維持生產過程的運轉只需較少操作者。同時，生產過程對操作者技術水平依賴性較弱，操作者經過短期培訓即可上崗操作，產品制造過程繼承性較好。

5 柔性制造系統在航空制造領域應用現狀

柔性制造系統具有生產準備時間短、產品質量高、上線產品自動化工藝規范、對操作者依賴性弱等優勢，可有效解決國內航空制造中零件批量小、產品質量要求高、加工效率低、機床利用率低等問題，在部分國內航空制造廠家得到了應用。

但是，多數航空制造廠家將機床等自動化硬件設備的配置作為柔性制造系統應用的核心，未圍繞零件自身的自動化裝夾、檢測及加工工藝進行柔性生產線的規劃及功能開發，導致大量由先進設備搭建的柔性生產線未得到高效利用。

6 起落架扭力臂柔性生產線現狀

某航空制造廠承接兩種起落架扭力臂零件的生產任務，但在實際執行過程中發現，廠內實際工藝水平較落后，設備有效運轉工時短于產品所需加工生產工時，無法滿足生產需求，工廠在起落架扭力臂零件的生產供應方面持續處于虧損狀態。

起落架扭力臂零件如圖1所示。針對起落架扭力臂零件加工效率低的問題，根據零件加工工藝，引進國外先進設備，建立了完善的柔性生產線。柔性生產線包含兩臺斗山HM8000型機床、四臺永進TV158B型機床，以及由機器人、軌道、自動化控制箱、安全護欄、機械手、物料庫和軟件系統等組成的自動化物流系統[12-13]。柔性生產線布局如圖2所示。

在柔性生產線規劃完成后，柔性生產線控制系統未開發完善的在線檢測、設備監控、刀具管理等功能，起落架扭力臂零件在線加工過程仍無法完成自動化裝夾找正、在線測量、補償加工等工作，整條柔性生產線運行效率較低，無法真正達到高機床利用率的自動化加工過程。

▲圖1 起落架扭力臂零件

▲圖2 柔性生產線布局

硬件設備配置完善后，整條柔性生產線運行的核心在于自動化加工工藝及系統功能集成方面，必須針對兩種起落架扭力臂零件進行設備監控系統集成，以及在線檢測功能、自動找正功能及自動化加工工藝的開發。

7 柔性生產線自動化功能開發

7.1 異常負載檢測功能

為對機床在自動加工運行過程中的異常現象進行管理，在原機床系統基礎上開發了異常負載檢測功能。利用SERVO GUIDE軟件測定正常加工條件下的負載值，按需設定碰撞及刀具破損等異常負載條件下的報警閾值，控制系統將根據實際負載自動判斷異常負載情況并發出報警，控制機床實現自我停機保護，具體原理如圖3所示。

對原系統參照負載監視標準界面開發定制化異常負載顯示及報警提示界面，實現報警水平快捷設定及基本的刀具壽命統計功能。負載監控標準界面如圖4所示。

7.2 在線檢測功能

起落架扭力臂零件的裝配孔尺寸公差精度要求高，為保證各尺寸公差符合設計圖紙要求，需對起落架扭力臂零件進行反復加工、檢測、補償。而目前柔性生產線上機床缺少一些必要的軟硬件配置，導致機床精度自動校正、刀具長度自動檢測、零件中心自動檢測、零件裝夾自動檢測、關鍵尺寸自動抬刀、自動測量補償加工、刀具破損自動停機等功能無法實現，進而導致在加工過程中仍需大量人工參與，極大地降低了機床設備的有效利用率。

為使起落架扭力臂零件在柔性生產線的加工過程中具有自動化找正、在線檢測及補償加工的功能，根據需求對斗山和永進機床配置了機內對刀儀、接收器、測頭及刀具全方位檢測系統，開發出機床精度自動校正、零件安裝狀態自動檢測、零件中心自動設定、零件尺寸自動測量、自動清洗等宏程序，并使各宏程序可被柔性生產線管理系統方便調取。

最終使柔性生產線上機床具有以下集成功能：①機床精度自動校正功能；②零件安裝狀態自動檢測功能；③零件中心自動設定功能；④ 對刀儀自動校正功能；⑤ 刀具長度、直徑自動檢測功能；⑥ 加工過程中刀具磨損自動補償功能；⑦加工過程中主軸過載保護功能；⑧加工后零件自動測量功能；⑨加工后零件自動清洗功能。

7.3 自動化加工工藝

兩種起落架扭力臂零件均為模鍛件材料，且起落架扭力臂零件外形不規則，夾持較困難，在原加工工藝中大量使用傳統壓板夾持方式，為避免加工干涉需多次裝卸零件。

▲圖3 異常負載檢測功能原理

▲圖4 負載監控標準界面

為使起落架扭力臂零件適用于柔性生產線自動上下料系統，應用了含零點定位模塊的裝夾托板，不僅減少了零件裝夾次數，同時降低了操作難度。零點定位模塊如圖5所示。

為減少起落架扭力臂零件翻面裝夾次數，避免零件多次上下料，采用了高精度內脹夾具，如圖6所示。

為增強起落架扭力臂零件的裝夾剛性，保證起落架扭力臂零件加工及測量精度，采用了高強度螺栓作為夾具緊固件，如圖7所示。

同時，針對兩種起落架扭力臂零件，調整并合并部分工序使生產節拍合理化。根據粗、精加工特征優化加工刀具及數控程序，減少刀具重復調用次數及程序間跳刀次數，最終固化加工工藝，并將其集成于柔性制造系統中。

7.4 調試驗證

對起落架扭力臂零件加工工藝逐步進行上線調試，驗證加工工藝、刀具、檢測及自動化物流系統的有效性與高效性。在經過連續16 h自動加工驗證無誤后，這一起落架扭力臂零件小批量產品的柔性化生產得以實現。

8 柔性制造系統應用效果

對起落架扭力臂零件應用具備完善功能的柔性制造系統后，在縮短零件加工工時的同時提高了機床利用率，使工廠產能完全滿足起落架扭力臂零件產量，并實現盈利。

（1）零件加工工時縮短。對兩種起落架扭力臂零件工藝進行自動化改造后，零件裝夾次數減少，數控程序運行時間縮短，自動化裝夾找正及在線檢測功能的應用還縮短了零件裝夾時間及工序中檢測時間。優化前后零件加工工時對比見表1。

表1 優化前后零件加工工時對比

由表1可看出，兩種起落架扭力臂零件在柔性生產線上進行加工后，單件加工效率最高提高為42.9%。

（2）設備利用率提高。在應用柔性制造系統后，機床設備利用率大幅提高。航空制造領域大多數單臺機床有效利用率僅為30%左右，而通過縮短裝夾找正和工序中人工測量、換刀、對刀等機床停機等待時間，起落架扭力臂零件的加工過程已可實現全天不間斷加工，機床設備利用率可達70%左右。

（3）產品質量一致性提高。在應用柔性制造系統后，大量減少裝夾找正、檢測等人工參與環節，避免了人工操作一致性差的問題。上線產品質量穩定，同時尺寸精度一致性較高。經統計，產品報廢率從應用柔性制造系統前的1.5%降低至1%以下。

9 總結

針對某航空制造廠現有柔性生產線無法高效自動化運轉的情況，對其進行了系統功能開發與針對起落架扭力臂零件的自動化加工工藝集成，使這一柔性生產線可正常高效運轉，并使起落架扭力臂零件單件加工效率提高42.9%，機床設備使用率達70%。同時，產品報廢率從應用柔性制造系統前的1.5%降低至1%以下。

▲圖5 零點定位模塊

▲圖6 內脹夾具

▲圖7 高強度螺栓

柔性制造系統作為當今制造自動化技術發展的先進成果，具有生產準備時間短、產品質量高、上線產品自動化工藝規范、對操作者依賴程度弱等優勢，可有效解決國內航空制造領域中零件批量小、產品質量要求高、加工效率低、機床利用率低等問題，在部分國內航空制造廠商中得到了應用。

在應用柔性制造系統過程中需立足于自動化加工工藝集成與系統開發集成，缺少系統開發集成、在線檢測、自動裝夾及自動化加工工藝的柔性制造系統無法真正實現高效自動化加工。同時，自動化加工工藝、刀具管理系統、在線檢測系統等并不具有普適性，需針對特定零件進行開發，同時應保證系統規范、有效。