航空發(fā)動機零件柔性制造系統(tǒng)技術應用研究

楊杏梅 張 益 宋 文 索鳴陽 周子同

（1.中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司，西安 710082；2.北京航臻科技有限公司，北京 100101；3.西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安 710021）

柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）是一種高度自動化的復雜系統(tǒng)。“柔性”相對于傳統(tǒng)“剛性”而言，具有生產(chǎn)過程自動化程度高、設備利用率高、適用范圍廣等特點。對于具有高度離散生產(chǎn)環(huán)境特點的航空制造業(yè)，它理想地解決了機械制造流水線高度自動化與小批量產(chǎn)品高柔性化需求之間的矛盾。

隨著用戶對機械產(chǎn)品的需求向多樣化和個性化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的剛性自動化生產(chǎn)線已不能滿足生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品要求。在這種情況下，F(xiàn)MS技術作為一種新興制造技術，在汽車、電子等機械制造行業(yè)得到了快速發(fā)展。

1 FMS在航空發(fā)動機制造領域中的應用

1.1 航空發(fā)動機零部件制造特點

航空發(fā)動機具有結構復雜、工作環(huán)境惡劣、對零部件輕量化及可靠性要求高等特點[1]。與傳統(tǒng)民用機械制造業(yè)相比，航空發(fā)動機零部件具有其獨特特征。

1.1.1 多品種、小批量

航空發(fā)動機包含至少數(shù)萬個不同的零部件，幾乎涵蓋了軸類、殼體類、壁板類等所有機械特征。為保證在激烈的航空領域市場競爭中保持優(yōu)勢，飛機型號更新極快，導致同種零部件批量較小，難以適用傳統(tǒng)剛性流水線生產(chǎn)方式。因此，相關的制造工藝需具有高度的柔性適應能力。

1.1.2 結構復雜，制造難度大

為了保證航空發(fā)動機零部件的承力及輕量化性能符合要求，多數(shù)零部件結構復雜。零件薄壁特征、復雜型面等難加工特征較多，制造難度大，對機床、夾具及刀具要求較高。

1.1.3 零件尺寸精度要求高

人們對飛機發(fā)動機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要求隨之增高，導致零件部分尺寸精度要求高、公差小，對加工工藝的精度及一致性提出了更高要求。

1.1.4 生產(chǎn)及制造技術任務艱巨

航空發(fā)動機的制造過程極為復雜。以燃氣渦輪發(fā)動機的核心機為例，壓氣機葉片需承受極高的由離心力產(chǎn)生的載荷，因此氣動、強度和幾何形狀十分復雜，制造周期緩慢，生產(chǎn)任務艱巨。

1.2 FMS的技術優(yōu)勢

FMS是數(shù)控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統(tǒng)等組成的自動化制造系統(tǒng)，可進行零件產(chǎn)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工件、刀具和工裝等的運輸和存儲過程，適用于多品種、中小批量生產(chǎn)[2]。此外，通過編制不同自動化加工工藝，F(xiàn)MS可對具有相同零件特征的多種零件進行柔性化加工。

對于航空發(fā)動機零部件制造領域而言，F(xiàn)MS具有的多種優(yōu)勢可解決零部件制造過程生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問題。

1.2.1 生產(chǎn)準備時間少

FMS中零件生產(chǎn)過程由生產(chǎn)管理系統(tǒng)自動進行排產(chǎn)，根據(jù)自動化加工工藝在FMS中的不同設備上進行零件不同工序的加工，減少了人工排產(chǎn)過程，使設備利用更加合理化。同時，F(xiàn)MS可實現(xiàn)自動上下料、零件自動裝夾找正及自動對刀等功能，大幅縮短了生產(chǎn)準備時間。

1.2.2 產(chǎn)品質(zhì)量高

FMS中的在機檢測系統(tǒng)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(huán)。

通過高精度零點定位系統(tǒng)，F(xiàn)MS不僅保證了裝夾精度符合產(chǎn)品要求，而且避免了人工裝夾過程中可能存在的不穩(wěn)定因素，最終保證零件尺寸具有高度一致性。

FMS的生產(chǎn)過程信息如切削參數(shù)、刀具信息、設備運行情況等均會被采集并存儲于生產(chǎn)管理系統(tǒng)，具有可追溯性，便于進行產(chǎn)品質(zhì)量問題分析和工藝優(yōu)化改進等工作，有利于保證零件質(zhì)量[3]。

1.2.3 上線產(chǎn)品自動化工藝規(guī)范

2 某廠航空發(fā)動機殼體零件生產(chǎn)現(xiàn)狀

某廠承接某系列航空發(fā)動機殼體零件的生產(chǎn)任務，但在實際執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)，廠內(nèi)實際工藝水平較落后。由于設備有效運轉(zhuǎn)工時低于產(chǎn)品所需工時，無法滿足生產(chǎn)需求，工廠在此零件的生產(chǎn)供應方面持續(xù)處于虧損狀態(tài)。

現(xiàn)有加工中心內(nèi)的在線檢測、機床監(jiān)控等功能處于閑置狀態(tài)，零件的加工過程無法實現(xiàn)自動裝夾找正、在線測量以及補償加工等功能，單機設備運行效率較低[4]。

現(xiàn)加工工藝中大量使用傳統(tǒng)壓板夾持方式，加工過程中需多次裝卸工件，加工效率低下且裝夾難度大。

3 FMS在航空發(fā)動機殼體零件制造中的應用

針對該類零件加工效率低、設備利用率低等問題，根據(jù)零件加工工藝，引進國外頂尖設備供應商，建立完善的柔性生產(chǎn)線。柔性生產(chǎn)線中包含3臺HERMLE哈默C43U、2臺HELLER恒輪H2000機床以及自動化物流系統(tǒng)（包括機器人、軌道、預調(diào)/裝載站、架式料倉、防護圍欄及安全門等）、三坐標測量機、清洗機、對刀儀、零點定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及信息化系統(tǒng)等軟硬件。柔性生產(chǎn)線布局如圖1所示。

圖1 柔性生產(chǎn)線布局圖

3.1 機床改造

為滿足柔性自動生產(chǎn)，需針對線內(nèi)工廠原有一臺四軸臥式加工中心進行自動化改造。增加與柔性加工單元控制系統(tǒng)的通信接口，實現(xiàn)程序調(diào)用、夾具自動驅(qū)動控制和狀態(tài)信息處理、加工過程刀具的自動調(diào)用、加工時的異常處理、刀具管理功能，開發(fā)機器人裝、卸料時的握手信號處理，通過宏程序?qū)崿F(xiàn)自動對刀、自動暖機等功能。

3.1.1 工作臺供氣改造

通過接口給零點定位卡盤底座提供氣源動力。交換托盤底部安裝有快拆接頭組件，在交換托盤落下的時候可以和工作臺中央的分配器連接（相當于插頭插座），此時氣源管路接通。當交換托盤被交換裝置托起時，交換托盤底部的快插接頭組件氣源斷開。

綜上所述，籽粒灌漿特性在深松45 cm，D1密度下的各項參數(shù)表現(xiàn)最好，說明深松可以有效促進籽粒的灌漿，雖然種植密度的增加對籽粒的灌漿具有一定的減緩作用，但深松條件下可以有效降低向日葵高低密度間的差值，促進向日葵的灌漿。

3.1.2 自動化接口改造

為滿足柔性生產(chǎn)系統(tǒng)對零點定位系統(tǒng)的夾緊/松開、自動門開關信號、檢測信號接收等功能需求，加工中心需具備數(shù)據(jù)通信模塊和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的輸入/輸出（Input/Output，I/O）通信能力，實現(xiàn)機床、刀具的狀態(tài)信息采集，同時使機床、夾具等設備可接收并反饋控制系統(tǒng)的各項指令與信號，加工程序、刀具信息等在柔性加工單元系統(tǒng)與機床間相互傳輸與遠程調(diào)用。

3.2 功能開發(fā)

3.2.1 機床暖機功能

停機較長時間后的機床再次啟動時，機床部件多處于冷溫狀態(tài)，需要在開機后讓機床空運行一段時間，使機床部件達到正常運行時的狀態(tài)，避免在后續(xù)加工過程中由于機床零部件溫度變化過大而導致精度變差[5]。開發(fā)自動暖機運動程序并集成于管控系統(tǒng)，在每次開機后由系統(tǒng)自動執(zhí)行，實現(xiàn)機床自動暖機。暖機程序以固定進給控制各軸沿全行程往返運動，同時主軸以低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。

3.2.2 機床精度自檢功能

受溫度變化、重載切削以及機床磨損等影響，機床旋轉(zhuǎn)軸中心位置容易發(fā)生偏差。使用機床自帶的測頭精度校準工具自動檢測偏差值，并運用機床刀尖點自動校正功能實現(xiàn)自動校正，自動補償偏差值，保證加工中心運動精度。該過程不需要人工干預，由系統(tǒng)自動完成。

3.3 自動化夾具定位系統(tǒng)設計

航空發(fā)動機殼體零件均為鑄件材料，且零件外形不規(guī)則，夾持較困難。在原加工工藝中大量使用傳統(tǒng)壓板夾持方式，以避免加工干涉需多次裝卸工件。

為使零件適用于柔性線自動上下料系統(tǒng)，應用含零點定位模塊的裝夾托板，不僅減少了零件裝夾次數(shù)，而且降低了操作難度。零點定位模塊如圖2所示。

圖2 零點定位模塊

3.4 加工工序分配設計

上線的加工特征多為半精加工，主要加工殼體的異性特征、孔系、空間孔系、油路孔以及螺紋孔等復雜的孔類特征[6-7]。結合工藝設計輸入的技術要求、進線產(chǎn)品圖紙、出線產(chǎn)品圖紙、三維模型以及符合加工的各種標準文件等來制作和分配工序。為了滿足自動柔性的節(jié)拍合理性，需要對不規(guī)則零件進行線下工序準備，以滿足上線需求。對零件加工工序進行有序的節(jié)拍劃分，需充分考慮產(chǎn)線的平衡、高效、穩(wěn)定以及降低人工勞動強度等多種因素。

3.5 加工程序編制及調(diào)試

合理分配機床設備，使其滿足零件特征全部穩(wěn)定在線加工的需求。根據(jù)夾具和機床對特征進行分配處理，滿足3臺五軸加工中心和2臺四軸加工中心設備可以同時加工上線零件的需求。

經(jīng)分析可以確定，上線零件優(yōu)先進行五軸加工中心斜孔加工后加工四軸特征位置，根據(jù)設備及刀庫配置對零件進行工序劃分（出具相關的PMI文件或3D數(shù)模標注），并配置零件加工刀具，配置加工刀頭，配置各個刀具的加工參數(shù)。確認完數(shù)據(jù)后，利用UG NX12.0軟件對特定的零件進行定制化編程。

在分配工序、編制加工程序后，根據(jù)機床系統(tǒng)配置，需要輸出對應的加工程序進行實際的加工驗證，以確認實際加工的尺寸數(shù)據(jù)。要輸出相關的程序文件之前，需要一個重要的對應設備系統(tǒng)的后處理文件。只有存在對應的后處理文件才能夠輸出相對應正確的加工程序，以滿足對應機床的加工要求。

3.6 FMS應用效果

對航空發(fā)動機殼體零件應用具備完善功能的FMS后，實現(xiàn)了在縮短零件加工工時的同時提高了機床利用率，使工廠產(chǎn)能完全滿足殼體零件產(chǎn)量并實現(xiàn)盈利。

3.6.1 零件工時減少

對殼體零件工藝進行自動化改造后，零件裝夾次數(shù)減少和數(shù)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也縮短了零件裝夾時間和序中檢測時間。優(yōu)化前后零件單件工時，如表1所示。

表1 上線前后零件工時對比

從表2可看出，兩種殼體零件在柔性生產(chǎn)線上進行加工后，單件加工效率最高提效45.0%。

3.6.2 設備利用率提高

應用FMS后，機床設備利用率大幅提高。航空制造領域大多數(shù)單臺機床有效利用率僅為30%左右，而通過縮短裝夾找正、序中人工測量、換刀、對刀等機床停機等待時間，扭力臂零件的加工過程已可實現(xiàn)全天不間斷加工，機床設備利用率可達80%左右。

3.6.3 產(chǎn)品質(zhì)量一致性提高

應用FMS后，大量減少了裝夾找正、檢測等人工參與環(huán)節(jié)，避免了人工操作一致性差的問題。上線產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，尺寸一致性較高。經(jīng)統(tǒng)計，產(chǎn)品報廢率從應用FMS前的1.5%降低到1.0%以下。

4 結論

通過對航空發(fā)動機制造領域某廠柔性生產(chǎn)線進行系統(tǒng)集成及自動化工藝集成等，使該柔性生產(chǎn)線可正常高效運轉(zhuǎn)，并得出以下結論。

（1）FMS作為當今制造自動化技術發(fā)展的先進成果，具有生產(chǎn)準備時間少、產(chǎn)品質(zhì)量高、上線產(chǎn)品自動化工藝規(guī)范、對操作者依賴程度低等優(yōu)勢，可有效解決國內(nèi)航空制造領域中零件批量小、產(chǎn)品質(zhì)量要求高、加工效率低、機床利用率低等問題，已在部分國內(nèi)航空制造廠商得到應用。

（2）在應用FMS過程中，需立足自動化加工工藝集成與系統(tǒng)開發(fā)集成。缺少系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)技術，無法真正實現(xiàn)高效自動化加工。自動化加工工藝、刀具管理系統(tǒng)、在線檢測系統(tǒng)等并不具有普適性，應針對特定零件進行開發(fā)，同時應該保證其規(guī)范性和有效性。