航空结构件自动化生产线及关键技术概述

李 颖 陶文坚 陈学振

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都610092)

制造装备是衡量一个国家制造业水平的直接体现，制造装备的发展直接决定着未来制造水平的发展。

经过多年的发展，航空制造装备已全面进入数字化时代，逐渐发展到自动化制造阶段。数控加工过程无人工干预、机床状态实时监控、零件在线检测、机床精度补偿、加工刀具异常预警等自动化技术的发展，为航空制造装备的发展提供了强劲动力。近年来，飞机的更新换代给航空结构件制造模式带来了革命性的变化，自动化技术的应用已不局限于单个设备的自动化[1]，将多种自动化设备集成到一个生产线系统里，实现航空结构件生产流程的自动化，才是充分发挥自动化技术优势的关键。

多自由度机械手、自动提升装置已在汽车、家电等自动化生产线中成熟应用[2]，由于航空结构件具有批量少、品种多的特点，自动化生产线在航空结构件制造领域的推广受到极大约束。随着自动化技术、制造技术和信息技术的发展，数控加工逐渐从单机加工模式向自动化生产线加工模式转变[3],并正朝着智能化加工模式的方向发展，其发展的核心思想始终是围绕设备的加工效率进行，目标是实现数控加工过程中的无人工干预，最大限度提升设备的产能[4]。

传统单机加工模式主要是通过操作人员对毛坯进行装夹、原点找正、程序调用、中间过程监测等方式进行，该方式下的每一步骤都严重依赖人员经验，随着制造技术的发展，以准备时间长、生产效率低为特点的单机加工模式与高效的经济发展显得格格不入。在此基础上人们提出了一种自动化生产线，该生产线的主要特点是应用自动化、信息化等技术手段开发新功能，以代替单机模式下的体力劳动，尽可能地减少人员工作量，提高生产效率[5-6]。自动化生产线是自动化加工的典型代表，是实现智能化加工的前提条件，本文将从硬件、软件、流程及关键技术等方面对自动化生产线进行全面介绍，为自动化生产线的高效应用及为智能化生产线的发展提供参考。

1 自动化线加工概述

自动化生产线是一套由软件和硬件共同组成的复杂系统，集机械、电气、液压、控制、工艺、机加和检测等方面技术于一体，具有自检测、自判别及自加工的特点，可最大限度减少加工过程中的人工干预，对小批量、多品种的航空结构件加工具有明显优势。

1.1 硬件构成

与传统加工方式不同的是自动化生产线是以组合件(毛坯、工装和工作台三者的组合体)为单位进行，自动化生产线包括组合件加工的数控机床加工区、组合件传输的物流区、组合件存储的缓存区、组合件安装和拆解的装卸区、进行零件测量的测量区，以及保障整个生产线协同运行的控制区，具体构成如图1所示。

装卸区：装卸区的主要功能包括“装”和“卸”两方面：一方面可在此将毛坯、工装装夹在工作台上形成待加工的组合件；另一方面可在此将加工完成后的组合件进行拆解，分离出加工完成的零件。

缓存区：缓存区主要是对装卸区内组装完成的组合件，以及加工区加工完成的组合件进行缓存，也可对生产所需的毛坯和工装进行存储。由于航空结构件相对批量小，类型复杂，应优先满足组合件缓存的需求，毛坯和工装一般不放置于缓存区。

物流区：物流区主要承担组合件在装卸区、缓存区、加工区之间的运输任务，在总控系统的调度下自动执行特定运输任务。

加工区：加工区主要执行组合件的加工任务，组合件运至机床后随即开始加工。机床的加工过程包括找正、加工和测量3个部分，这个阶段数控加工中心会执行程序包，该程序包相对于非自动化加工的程序包，增加了自动化线的专用子程序功能，包括加工前找正程序，加工中特征测量监控程序，加工后在机测量程序，自动换刀、测刀程序等，以及调用一些保证过程质量的辅助程序，实现刀具监控，设备可靠运行。

测量区：主要作用是采用三坐标测量机对拆卸后的零件进行测量，重点对机床的各种尺寸进行测量。

1.2 软件构成

要实现自动化生产线各硬件功能模块的协同工作以达到预期功能，必须要在生产管控系统的统一调度下才能完成，按照功能将其分为资源管理系统、物流管理系统和加工控制系统，各系统在生产管控系统的调度指挥下协同作业以完成指定的生产任务，其控制流程如图2所示。

(1)生产线管控系统：自动化生产线管控系统主要是承接生产计划要求，协调线内软硬件资源，进行派工排产。它像大脑一样对生产资源、物流系统和加工控制系统进行联结，实行统一调度管理。

(2)资源管理系统：资源管理系统的主要作用是为生产管控系统提供资源准备，具体包括工装管理、程序管理、刀具管理和物料管理4个子系统，其承担整个生产线的“后勤保障”角色，是生产线顺利运行的基础。

①工装管理系统：作为工装数据检测及存储系统，主要负责管理线上所有区域的工装数量、位置和状态等信息，在接到生产线管控系统的资源信息需求指令后，将工装的状态信息反馈给生产线管控系统。

②程序管理系统：作为加工区内程序的识别、下载和存储管理系统，主要负责接收和执行管控系统的指令，对指定程序进行搜索、下载和存储，并将程序当前的状态信息反馈至生产线管控系统。

③刀具管理系统：作为生产线的刀具数据存储系统，管理中央刀库存储区以及加工中心刀库的刀具数量、位置、状态等信息，根据生产线管控系统发出的刀具准备指令，自行为各加工区域配备相应型号的刀具。

④物料管理系统：作为管控系统物料数据存储管理系统，管理毛坯、工装、组合件的数量、位置、状态等信息，根据生产线管控系统发出的物料准备指令，准备相应的毛坯和工装。

(3)物流管理系统：物流管理系统的主要功能是根据生产线管控系统的指令，将生产资料在加工区、存储区、装卸区之间来回运输。

(4)加工控制系统：在具备生产条件后，加工系统根据生产线管控系统的指令执行零件的加工任务。以生产任务作为自动化生产线的输入，以成品作为自动化生产线的输出，对生产线内各管控系统之间的关系进行梳理，其流程大致可分为任务分解、资源准备、资源确认和任务执行4大步骤，如图3所示。

任务分解主要是由生产线管控系统对生产任务进行分解，分解出执行该项任务所需的生产资源，并形成相应的资源配置指令，发送给资源管理系统；资源管理系统根据资源配置指令，将资源准备任务分配给各子系统，驱动各子系统反馈当前资源状态，并对反馈的资源信息进行判断，将未准备到位的资源进行汇总，给生产线管控系统发送调用物流系统的请求；生产线管控系统结合物流请求，给物流管理系统发送资源运输指令，物流管理系统将指令分配至各子系统执行相应资源运输任务，并将执行结果反馈至资源管理系统；资源管理系统对资源准备情况进行核对确认后，报生产线管控系统进一步资源确认。

待生产线管控系统接收到资源管理系统所反馈的生产资源备齐信号之后，生产线管控系统即可驱动加工控制系统执行相应加工任务，并由加工控制系统协调进行加工过程中的组件测量和监控任务，直至完成组件加工输出成品。

1.3 生产线的工作流程

结合生产线的软硬件构成，生产线的工作流程可梳理为：将零件加工所需的毛坯、工装运至装卸区等待组合；在装卸区将毛坯和工装按照工艺要求安装在工作平台上，形成待加工的组合件；物流小车将待加工组合件运送至缓存区等待加工；根据生产计划，通过物流小车将缓存区的待加工组合件运送至指定机床；机床在确认零件加工所需的刀具和程序准备到位后，进行组合件的加工；组合件加工完成后，由物流小车将其运送至缓存区等待拆卸；在接到生产指令后，物流小车将缓存区的组合件运送至拆卸区；在拆卸区对组合件进行拆解，将零件取出；取出的零件被送至测量区进行测量，测量合格后即形成最终成品,自动化生产线从毛坯至成品的生产作业流程如图4所示。

2 自动化生产线应用的关键技术

从自动化生产线的硬件及软件构成来看，自动化生产线是一个集物流、自动排产、自动加工、协同控制等技术于一体的综合系统，要保障自动化生产线能够充分发挥预期效能，达到准时、高质交付航空结构件的目的，从工艺、生产和设备等方面开展系列应用技术研究是必不可少的环节。文章从设备和工艺的角度对自动化生产线的几项关键应用技术进行梳理，为后续顺利开展生产线的应用提供参考。

2.1 生产线自动化加工技术

生产线的自动化加工，一个显著的特点就是加工过程无人工干预，根据组合件在生产线中的物流过程，其涉及的两个重要的无人工干预点包括组合件与工作台间的零点自找正技术和加工过程中关键尺寸自检测技术。

(1)组合件与工作台间的零点自找正技术

在装卸区域内将毛坯、工装和托盘进行组装形成组合件，组合件作为一个整体待加工单元需要准确安装在机床工作台上才能进行加工，组合件与工作台之间的零点定位是关键，其定位精度直接决定了后续加工中零件的质量。利用测头对工装或毛坯关键定位特征进行测量，并将测量误差自动补偿进入坐标系，以建立新的坐标系。根据加工中心的结构，零点找正方式有不同的要求，在找正程序运行中存在的坐标轴静态、动态误差，应考虑将误差补偿值赋在找正程序中，以保证原点坐标系基准的精确，如图5所示。

(2)加工过程中关键尺寸自检测技术

在加工坐标系建立后，机床即可执行NC程序进行零件加工，这部分占自动化加工时间最长，在加工过程中进行测量，及时掌握零件的加工精度，是保证零件加工过程顺利进行的关键。加工中的测量主要是在加工过程中对关键特征进行测量，即在加工中间阶段自动调用测头对零件关键特征的形状、轮廓进行测量判断，若无问题则继续执行加工程序，属于过程质量保障，如图6所示。

2.2 设备状态监控及应用技术

生产线在自动化加工过程中，需要对设备的健康状态进行实时监控，设备人员掌握设备状态第一手资料，以便在计划内协调停工解决存在隐患，最大程度避免计划外的停工对生产造成影响，设备状态监控主要包括两方面，即机床的机械状态监控和机床的精度状态监控。

(1)机械状态监控技术

机械状态监控技术的基本思想是通过采集机床运行过程中的基础数据(如电流、扭矩、功率、振动和温度等)，进而对数据进行转换提取特征值(如有效值、方差、峭度、频谱等)，在此基础上开展数据处理和运算深度挖掘特征值所隐含的设备故障信息，并通过软件集成相关算法，从而实现基于数据的设备机械状态直观表达与诊断，如表1所示为电流评价指标。

表1 基于电流的机械状态评价指标

(2)精度状态监控技术

基于设备基础运行数据进行精度状态监控的方法，较传统通过检测仪器和手段具有监控效率高、监测便捷的特点。其基本思路是采集机床运行特定轨迹过程中各轴光栅尺的位置，通过对数据进行筛选处理后，经多体运动学理论，将各轴的位置集成到机床刀尖点，通过对比刀尖点理论和实际轨迹计算出机床的联动误差，从而实现对机床精度状态的监控，如图7所示为采集机床空运行S轨迹所计算出的刀具轨迹误差和实际切削S试件所得刀尖误差的对比图。

2.3 刀具状态监控及应用技术

在加工过程中，因刀具磨损、刀具断裂、切削力异常等因素引起的零件质量问题较为突出，其根本原因是无法对加工过程中刀具的异常情况进行报警并停机，开展刀具状态实时监控并及时对异常情况进行报警停机，是避免因刀具问题造成零件质量事故的关键。

(1)刀具寿命监控技术

刀具预期寿命评估是自动化线稳定可靠运行的保障，但受制于航空结构件的复杂性，该功能应用较少。航空结构件加工刀具寿命的影响因素较多，有加工参数、加工材料、加工环境、辅助加工材料和刀具类型等等，因此直接推算刀具寿命难度较大，采用大数据统计法得到刀具寿命参考值，并在应用实验中进行迭代优化，已成为刀具寿命监控的发展趋势。

(2)主轴振动监控技术

以主轴振动状态拟合刀具状态，在每项零件的加工过程中，检测主轴内置传感器的振动、电流等信号并实时绘制曲线，形成该项零件对应的基础数据曲线图，并以此编写形成子程序。在自动化线每次加工该项零件时候，调用该子程序，若基础数据曲线和实时曲线相差到一定阈值，触发报警。这种方法，可以避免刀具损坏继续加工带来的产品质量风险。

(3)激光测刀仪自动测量技术

数控加工中心通常配有激光测刀硬件系统，作为刀具长度测量和破损检测的工具。自动化生产线加工中提出了一些新的应用方案，在加工某些占机时间较长的结构件程序中加入刀具参数自动测量子程序，通过调用该子程序来对刀具状态进行检查，以避免因刀具磨损带来的零件质量事故；在加工某些关键复杂工序前后进行调用执行，保障关重零件正常加工；也可和过程监控及刀具寿命监控协同使用，在触发某些阈值前自动进行该子程序调用。

2.4 离线测量技术

在机床内对加工中的零件进行在机测量能够对最终成品结构件进行测量评估，这种方式主要使用机床自带测头，能够快速形成结果，保证线长时间加工的连续性。但这种自带的测头在使用过程中受标定方式、使用环境、装夹方式等因素的影响，容易出现测量误差，再加上其所属数控加工中心的精度影响，在机测量准确度不高，仅适用于公差带要求不高的结构件产品，要对零件实行最终尺寸精度评价还得通过下线测量来实现。离线测量是指零件程序执行完后通过物流转到三坐标测量机进行测量，三坐标测量机本身精度能力高于数控加工中心，因此部分关重零件的尺寸精度得通过下线测量的方式进行，并出具零件尺寸精度报告。

3 自动化线加工的发展趋势

航空结构件具有小批量,多品种的典型特点,在生产制造过程中毛坯/成品的频繁装卸占据了零件的加工时间，是制约生产效率提升的关键因素。自动化生产线的引入解决了这一核心问题，其通过设置专门的装卸区对零件进行安装和拆卸，减少了零件装卸的占机时间，并通过生产管理系统协同控制实现了零件在装卸区、存储区和加工区的流动，最大化提升了设备的生产效率。

然而，一种硬件结构的自动化线所加工的零件类型是相对固定的，要实现多种机型上千种结构和种类零件的加工，仅靠一条自动化线是不够的，智能制造模式下的多条自动化线协同工作已成为自动化线在小批量、多品种航空结构件加工领域的发展趋势，通过智能制造技术推进，实现在对生产过程的设备、原材料、工艺全面监控的基础上进行智能优化决策，最大限度提升航空结构件的生产效率与加工质量。

4 结语

传统航空结构件在小批量、多品种航空加工过程中零件装卸占机时间长，影响设备的生产效率，自动化生产线解决了这一难题。本文从软件、硬件两方面系统介绍了一种自动化生产线，并结合软硬件功能系统分析了生产线的工作和作业流程，在此基础上从设备和工艺的角度提出了保障生产线顺利运行的4项关键技术，得出生产线组网协同运行是未来航空结构件高效加工和智能制造的发展趋势，主要结论如下。

(1)从软件系统和硬件系统两方面对自动化生产线的工作流程进行了全面介绍，生产线的自动化运行是软件和硬件协同的结果，生产效率高。

(2)自动加工技术、设备状态监控技术、刀具状态监控技术以及离线测量技术，是保障自动化生产线高效运行的关键，文章从工艺和设备角度指出并简要分析了各项技术的要点。

(3)在国家强国战略的背景下，发展自动化生产线技术是推进智能制造技术的基础，在尝试进行多条自动化生产线交互组网应用的同时，开展智能化应用探索是未来生产线发展的趋势。