自動化生產線殼體零件加工過程控制技術研究

□ 李 峰 □ 竇 媛 □ 張 童

中國航發西安動力控制科技有限公司 西安 710077

1 研究背景

隨著我國科學技術的發展,先進技術和先進工藝不斷引入,機械加工行業取得了舉世矚目的進步。微電子、傳感器、自動控制等各種技術使機械加工行業產生了質的飛躍,邁上一個新的臺階[1]。近年來,各種各樣的自動化生產線已經在機械制造領域投入使用,不僅提高了產品質量和生產效率,而且在改善工作環境、減少能源消耗、降低原料成本等方面均取得了顯著成效。我國進入十二五、十三五規劃期以來,微電子技術手段不斷創新,各類先進的計算機仿真技術為自動化生產線的改進和完善提供了有力的技術支撐[2]。與此同時,人們對自動化生產線的技術水平、生產效率、產品質量等方面也提出了新的要求。

加工過程控制技術對自動化生產線加工過程的優化和物流交互的完善起到了推動作用,能夠依據當前設備負荷的變化、零件的變形、零件余量的不均、裝夾狀態的不精確等及時做出調整,以適應當前設備或零件的狀態,完成特定加工[3-4]。目前,加工過程控制技術處于機械加工工藝的核心位置,改變了傳統機械加工的生產方式[5-6]。

隨著計算機和網絡技術的不斷進步,將機械自動化和信息技術融合起來,可以使加工過程控制技術得到極大的發展。當前的加工過程控制技術就是計算機技術與傳統機械加工技術的結合體,顯著提高了自動化生產線的精準性和合理性[7]。

在航空制造領域,產品更新換代快,新研項目多,零件加工過程中對工裝使用極為頻繁,產品結構件呈現復雜程度高、精度要求高、加工制造難度大、生產周期短等特點,這些都對自動化生產線和加工過程控制技術提出了更高的要求。目前,迫切需要提高生產效率和產品合格率,以縮短航空產品的研發制造周期[8]。復雜殼體零件是航空發動機系統中典型的結構件和關鍵件,具有結構復雜、易變形、外形余量不均勻、裝夾煩瑣、換裝次數多、刀具種類多等特點,會影響自動化生產線的穩定運行[9]。面對繁雜的產品類別、嚴格的質量要求和較高的生產效率要求,尋求適用于殼體零件自動化生產線的加工過程控制技術是企業需要解決的問題,筆者就此對自動化生產線殼體零件加工過程控制技術進行研究。

2 現有加工流程分析

典型殼體零件加工流程如圖1所示,可見在校準夾具、檢查零件安裝狀態、找正零件、設置加工零點、對刀、程序調用、檢測零件尺寸、識別夾具、檢測裝置自身精度共九個環節存在風險,需要人工介入調整,才能正常加工。鑒于殼體零件的特點,上述九個環節缺一不可,否則不能滿足自動化生產線的運行要求。因此,只能通過加工過程控制技術對風險點進行融合,將需要人工執行調整的環節改為用軟件、程序、檢測裝置、數控系統功能來代替執行,這樣才能確保自動化生產線的連續穩定運行。

▲圖1 殼體零件加工流程

3 加工過程質量控制步驟

將自動化生產線的機加工工序按加工時序分為序前、序中、序后三個階段。對零件在加工開始之前進行序前識別校驗預防性控制,在加工過程中進行序中主動測量補償控制,在加工結束之后進行序后檢測信息性控制,從而對人工介入的九個風險點進行準確的自動化控制,使整個加工過程處于受控狀態,對直接或間接影響產品質量的不良因素起到預防、糾錯、預警的作用。加工過程質量控制步驟如圖2所示。

▲圖2 加工過程質量控制步驟

4 加工過程控制功能

自動化生產線殼體零件加工過程控制技術采用了在機檢測、射頻識別檢測、刀具監控等功能[10],通過刀具監控系統、機內測頭、機內對刀儀、標準刀、標準球、以及數控系統中的刀具管理模塊等硬件系統配合相應功能宏程序來實現過程控制,針對人工介入的九個風險點設計12項自動化生產線過程控制功能,見表1,使生產制造過程運行狀態受控,加工質量穩定。

表1 自動化生產線過程控制功能

4.1 對刀儀自動校正

用標準刀在對刀儀上進行對刀,將測量結果與標準刀的標準長度和直徑進行比較,通過開發相應的宏程序計算差值,進而對數控系統中對刀儀的數據變量進行修正。對刀儀自動校準如圖3所示。

▲圖3 對刀儀自動校準

4.2 測頭精度自動校正

編制測頭精度自動校正宏程序,然后利用標準球定期對測頭精度進行校正。測頭精度自動校正如圖4所示。

▲圖4 測頭精度自動校正

4.3 自動對刀

編制宏程序,使用機內對刀儀對刀具的長度、直徑進行自動檢測,并將數據自動錄入。這一功能也可用于對關鍵刀具的尺寸進行定期自動測量。

4.4 機外對刀刀具數據程序自動輸入

利用機外對刀儀對批量刀具數據進行程序處理,或開發宏程序進行批量寫入。

4.5 機床自動暖機

開發計時宏程序,自動化生產線運行前自動執行機床暖機功能,以提高設備的重復運行精度。

4.6 機床精度自動校正

編制機床精度自動校正宏程序,配合使用標準球和機內測頭,對機床精度進行定期自動校正。機床精度自動校正如圖5所示。

▲圖5 機床精度自動校正

4.7 夾具自動識別

在夾具上安裝射頻識別芯片,對射頻識別芯片進行信息寫入。在抓取夾具時,機器人通過對射頻識別芯片讀取信息,以判斷夾具調用是否正確。射頻識別芯片安裝位置如圖6所示。

▲圖6 射頻識別芯片安裝位置

4.8 零件加工零點自動設定

利用測頭對夾具基準進行測量,通過宏程序換算設定零件坐標系,再通過宏變量將坐標值更新至數控系統。零件加工零點自動設定如圖7所示。

▲圖7 零件加工零點自動設定

4.9 零件裝夾狀態校驗

使用測頭對零件的基準邊、基準孔進行平面度和角度測量校驗,差值通過宏程序計算后,自動補償至數控系統,進而對坐標系變量進行自動修改。零件裝夾狀態自動校驗如圖8所示。

▲圖8 零件裝夾狀態自動校驗

4.10 刀具數據調用防錯

編制判斷刀具數據宏程序,對更換至主軸上的刀具進行數據判斷,實現刀具的正確調用。

4.11 刀具狀態監控

刀具狀態監控包括刀具壽命管理、刀具破損磨損檢測、異常負載監控和報警。利用刀具壽命管理功能對關鍵刀具進行數據化壽命監控,實現銑削尺寸精度的自動補償。針對新更換刀具,進行試刀檢測補償。利用刀具破損磨損檢測功能,檢測刀具磨損、破損及斷裂情況。針對直徑小于6 mm的鉆頭、銑刀等容易斷裂的小徑刀具,在每次使用后進行刀具檢測,以確保加工質量的穩定。利用異常負載監控和報警功能,在設備發生碰撞時及時響應停機,以減少損失。

4.12 零件關鍵尺寸自動測量及自動補償加工

測量前先通過吹氣、沖洗或風扇吹風等方式將零件及工作臺清理干凈,確保測量的準確性。使用測頭對零件的關鍵尺寸進行自動測量,測量結果通過宏程序計算,差值自動補償至數控系統。零件關鍵尺寸自動測量如圖9所示。

▲圖9 零件關鍵尺寸自動測量

5 軟硬件需求

數控系統具有坐標設置功能,能夠配合自動化軟件安全上傳、刪除加工程序和工件機外補償值。自動化軟件可以直接對控制器中的加工參數,如刀具參數、宏指令參數、工件坐標系等進行遠程讀寫和覆蓋。

數控系統還具有刀具壽命管理功能,并開放數據接口和宏變量,能夠執行特殊加工判斷語句,如If語句、Go to語句。當然,系統內存要滿足各項功能數據交互存儲的要求。

刀具監控功能需要配備刀具監控系統使用,通過刀具監控系統采集主軸負載來判斷刀具狀態。

6 加工過程控制方案應用

將12項自動化生產線過程控制功能按照自動化生產線機加工工序的序前、序中、序后三個階段與加工過程相融合,得到自動化生產線加工過程控制方案,如圖10所示。應用這一加工過程控制方案,對整條自動化生產線的運行起到全方位識別、檢測、反饋、預警作用,實現了制造過程的風險點控制和無人干預,保證了自動化生產線的協同、穩定運行。

▲圖10 自動化生產線加工過程控制方案

7 結束語

筆者對自動化生產線殼體零件加工過程控制技術進行研究,提出自動化生產線加工過程控制方案,為自動化生產線的連續穩定運行提供了有利保障,可推廣應用至各類大中型復雜殼體零件的線內加工,能有效縮短零件裝調時間,控制加工過程質量,降低勞動強度和人工成本。通過對殼體零件加工過程控制技術進行研究,為建設數字化加工車間奠定了基礎,也為將來發展智能制造提供了參考。