艙門系統件實現數字化柔性生產的工藝設計與應用

俞海洋

（上海智能制造系統創新中心有限公司 上海市 200120）

1 引言

飛機艙門零件主要分為結構件和系統件，系統件具有尺寸小，品種多，結構復雜，工序切換多等特點，由于飛機制造具有節拍性，對零部件的需求存在小批量、多批次的特點。在傳統的生產模式下，加工設備像一座座信息孤島，依靠生產計劃進行控制，生產信息不能及時傳遞到生產管理部門，難以在全局形成統一的、高效的調度。同時，工件品種更換、工序間切換等操作需要人工參與，占用大量機床使用時間，使機床的利用率處于較低水平，特別是面對多品種小批量零件的加工，傳統生產模式的劣勢被無限放大，嚴重制約著企業生產效率的提高。

針對上述問題，本文以信息化和自動化技術為基礎，通過對產線架構、運行機制、設備布局、柔性夾具和智能物流等方面的研究，從零件的工藝分析入手，制定了一種面向艙門系統件的數字化柔性生產線加工方案。

2 產品工藝分析

根據零件結構，本文將艙門系統類零件分為三類，如表1 所示。

從表1 中可以看出，艙門系統件的尺寸均在20-180mm 之間，跨度較大，屬于中小型零件加工。零件結構呈現多樣性，涉及車削、銑削、鉆孔、鏜孔、多軸銑等加工，工序間切換頻繁，工裝使用較多，精度要求較高。因此，在方案的具體設計上需要考慮如何利用通用性的平臺實現不同結構類型、不同工藝要求的零件在多工位加工環境下的高效加工。顯然，數字化柔性生產線是現階段此類加工難題的完美解決方案。

3 柔性制造方案設計

3.1 整體架構

數字化柔性制造產線在系統層面的構架如圖1 所示。該架構垂直分布為3 層：底層為核心裝備層，主要由車削、車銑、五軸加工設備、三坐標檢測設備、無人化倉儲設備、智能搬運小車和工業機器人，以及控制和監測設備執行的獨立控制單元組成；第二層為任務執行層，主要包括生產執行系統MES，物流倉儲管理系統WMS和加工過程數據采集系統；頂層為工藝設計層，由集成控制系統構成，包含資源計劃分解、計算機輔助工藝設計、生產計劃生成和控制等功能。

3.2 運行機制

生產計劃的控制包含對生產需求的獲取、生產計劃的管理、生產任務的派發、任務變化的調整，以及生產過程的跟蹤和反饋。從業務的角度分析，企業獲得訂單后，首先在工藝設計層由集控系統分解出訂單對應的零件需求，包含需求數量、交付日期等；工藝技術人員利用計算機輔助工藝設計規劃零件的整個加工流程，包括設置工序，按工序內容選擇夾具、加工設備、檢測設備和加工刀具，設置工序檢查點，綁定工序圖紙、NC 程序等；集控系統根據工藝編排內容自動生成以工序為單位的加工任務，并將任務分發到任務執行層，由生產執行系統、物流倉儲系統接收并完成。在任務執行過程中，通過打通數據接口，在網絡端實現核心裝備與生產執行系統、物流倉儲系統和數據采集系統的數據交互，傳遞動作指令，實時反映設備的運行狀態和任務的執行情況，并反饋到集成控制系統內，形成數據的閉環運行，產生出如圖2 所示的業務處理流程。

表1：零件工藝分析表

圖1：整體架構

3.3 設備選擇與布局

由于艙門系統件加工具有多品種小批量的特點，為減少設備換產時間，縮短工藝開發周期，提高機床利用率，保持產品質量穩定，本柔性制造方案采用如圖3 所示的設備配置和布局：上下料采用6軸機器人與線性導軌組合的方式。在導軌的一側放置的是加工設備，根據零件工藝多樣性和結構復雜性的特點，主要有車削中心、車銑中心和五軸加工中心。在導軌另一側配置有總控設備，三坐標檢測設備和多個載板架。載板架用于存放毛坯和工序間待轉的工件，在周轉過程中起到緩沖作用。清洗設備用于工件在進行三坐標檢測前的清洗，放置在載板架的附近。立體倉庫和AGV 小車及充電站設置在機器人軌道的后方。整條生產線呈直線式分布，各主要設備間的布局緊湊，靈活性高，并可以根據需要在不改變當前布局的情況增加設備實現擴容，體現了柔性化布局的優勢。

圖2：業務處理流程

圖3：柔性生產線布局

3.4 柔性夾具設計

為解決不同類型零件的高效裝夾、不同機床間的快速切換和高效率搬運等問題，本方案采用了基于工業機器人和零點定位系統的柔性裝夾與搬運技術。零點定位系統的重復定位精度可以達到±0.005mm，能夠滿足艙門系統件的制造精度要求，通過設計標準化接口實現了零件在不同機床間切換工序加工的快速裝夾和定位，而不需要重新設置原點坐標，保證了加工時的柔性切換和質量的穩定性。

零點定位系統的主要結構由定位底座、拉釘和托板組成。定位底座用于固定拉釘，在拉釘連接托板，在托板上可以設置通用型或定制型夾具用于固定不同的工件。定位底座采用不同接口，可以靈活放置在加工中心和車削中心等不同類型設備上，實現工序間柔性切換。零點定位系統的托板采用統一的夾持結構設計，與機器手的卡爪相配合，實現精準的抓取動作，如圖4 所示。

3.5 物流倉儲

圖4：柔性夾具系統示意圖

圖5：AGV 通過掃描完成地圖建模

在產線布局中加工設備的另一側，設置的是工件中轉區域。當機床正在執行加工任務時，等待的工件可以暫時存放在中轉區域。已經完成加工并檢測合格的零件，由機器人放置到中轉區的載板上，通過AGV 小車運送至立體倉庫進行保存或直接運送到生產準備區進行零件拆卸和下架。

倉儲系統包括立體倉庫、交換平臺（圖5）和倉儲控制軟件。立體倉庫為立式結構，用于存放待加工零件、已完成零件和其他輔助用品。通過設置大小不同的隔斷，來滿足不同產品高度所需要的空間，在使用上體現了存儲的多樣性和柔性化。工件的轉運采用標準載板。在加工周轉區與立體倉庫之間，載板起到中間載體的作用，一方面工件不需要再進行機器人搬運，減少機器人的占用時間，直接由載板運輸；另一方面，載板自身通過零點定位技術，實現在中轉區與AGV、AGV 與立體庫之間的無縫對接，在不接觸工件的情況下，直接將工件搬運至倉儲位置。載板采用統一的結構和規格，與工件不形成綁定關系，可任意組合搭配使用。

本方案采用自主式AGV 小車，使用混合探測技術，包括地圖建模（圖5），SLAM 掃描對比，聲吶傳感器測障，磁條傳感器精確定位等，在不同的應用場景下使用不同的傳感器技術進行AGV小車的運動控制，姿態位置確認和邏輯運行等。獨立控制的AGV軟件系統通過無線連接方式實時進行生產執行系統任務的下發和AGV 小車運行狀態的反饋。多臺AGV 小車同時運行時，軟件將不停收集所有小車的狀態信息，對任務進行統一的協調分配，起到調度的作用，并可以根據生產情況的需要，在無人自動化運行和單機手動操作間自由切換，實現物流系統的柔性化、智能化運行。

4 生產流程

柔性生產線的生產過程通過生產執行系統對任務指令分解，依靠機器人自動上下料、AGV 物流平臺和設備控制單元驅動機床，完成無人值守的自動化加工。其工作流程如圖6 所示。

工件毛坯通過手工方式裝夾到標準托盤上，在生產準備站進行預調工作，確定毛坯的安裝狀態符合加工要求。RFID 芯片將托盤信息與系統任務和載板位信息對應綁定，由AGV 小車運送至產線工作區域，完成生產準備。加工過程主要有機器人完成搬運，接到任務指令后，產線系統首先對即將進行的設備進行判斷，是否具備加工條件，條件滿足情況下，機器人將工件放入機床中，機床的控制單元利用零點定位系統夾緊工件托盤，然后啟動機床執行NC 程序。程序結束后，機床與控制系統通訊，執行機器人取出動作，并執行清洗工序。具有檢測工序的工件，在清洗結束后有機器人放入三坐標中進行檢測，合格后將判斷是否運送至生產準備區拆卸。夜間工作時，AGV 將工件直接放入立體倉庫，實現夜間無人值守的自動化加工。進入白天工作時，由AGV 將加工完成的工件取出運至生產準備區，進行最終的拆卸、成檢、包裝、入庫等工作

5 結語

綜上所述，以上方案的應用實現了多品種小批量艙門系統件在數字化柔性生產線的無人化生產。生產過程數據通過車間智能采集系統完整收集，建立起加工狀態數據庫，實現了工藝設計、生產制造和檢測入庫等環節的數字化、柔性化和智能化應用，顯著提高了生產過程的靈活性、可控性以及設備的利用率和和產品加工合格率，滿足未來制造業對“快速響應、準時交付”的要求，形成了制造業新的柔性制造模式，適合在高端制造行業進行推廣。