飛機(jī)系統(tǒng)件柔性敏捷制造單元構(gòu)建方法

潘 登，曾德標(biāo)，李國(guó)華，李國(guó)進(jìn)，楊 陽

（1.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092；2.四川省航空智能制造裝備工程技術(shù)研究中心，成都 610092）

飛機(jī)系統(tǒng)件具有尺寸小，品種多的特點(diǎn)，由于飛機(jī)制造的特殊性，對(duì)系統(tǒng)件的需求存在小批量、多批次的特點(diǎn)。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)件生產(chǎn)模式下[1]，生產(chǎn)計(jì)劃由生產(chǎn)管理部門下發(fā)至車間，車間調(diào)度組分配至工段，工段再細(xì)分至數(shù)控工位，信息傳遞及資源配置與協(xié)調(diào)需要大量人工參與，對(duì)生產(chǎn)需求變更的響應(yīng)能力較弱，組織效率較低。此外，數(shù)控加工過程對(duì)人工的依賴程度也較高，裝夾定位、上下料、測(cè)量等環(huán)節(jié)均離不開人工操作，使生產(chǎn)效率、人力成本與質(zhì)量控制等方面的提升存在瓶頸，通過局部的調(diào)整與優(yōu)化難以有所突破。

針對(duì)上述問題，本文以信息化技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，研究如何通過計(jì)算機(jī)與工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備提高生產(chǎn)資源的利用效率，加快生產(chǎn)過程的實(shí)施以及增強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)需求快速響應(yīng)能力，面向飛機(jī)系統(tǒng)件的制造特點(diǎn)，提出具備柔性制造和敏捷制造特性的制造單元構(gòu)建方法，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析闡述。

1 柔性敏捷制造單元總體架構(gòu)

1.1 硬件架構(gòu)

單元的硬件架構(gòu)從功能上分為管理層、控制層與執(zhí)行層，如圖1所示。管理層主要由集成管控系統(tǒng)及其外設(shè)組成，控制層包括邏輯控制器、通訊模塊及傳感器等，執(zhí)行層即是工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工中心和測(cè)量機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的集合。

管理層的輸入來自上游生產(chǎn)計(jì)劃，通過對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行處理生成制造單元指令并輸出至控制層，控制層則依據(jù)指令向各執(zhí)行層的各設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)并采集反饋信號(hào)，執(zhí)行層則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)最終的操作，如物料的傳遞、加工與測(cè)量。

本文研究的柔性敏捷制造單元，除具備傳統(tǒng)柔性制造系統(tǒng)對(duì)多品種加工對(duì)象的良好適應(yīng)性外[2–4]，還在現(xiàn)場(chǎng)布局與組織規(guī)模方面引入了柔性，通過運(yùn)用“模塊化設(shè)計(jì)”思想輔助規(guī)劃布局，以滿足不同生產(chǎn)規(guī)模的需要。并且，在規(guī)模需求發(fā)生變化時(shí)，可便捷地進(jìn)行擴(kuò)展或收縮。圖2為柔性敏捷制造單元的布局方式，其中，機(jī)器人線性導(dǎo)軌、數(shù)控加工中心組與物料庫相互平行排列，構(gòu)成布局核心，此方式不僅便于機(jī)器人快速上下料，還可結(jié)合機(jī)器人線性導(dǎo)軌和物料庫的模塊化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)物料庫容量、機(jī)器人行程與數(shù)控加工中心數(shù)量的快速增減。

1.2 軟件架構(gòu)

制造單元的總體軟件架構(gòu)分為用戶層、數(shù)據(jù)層、邏輯層和運(yùn)行層，如圖3所示。用戶層包含系統(tǒng)的軟件用戶界面，如集成管控系統(tǒng)操作界面、裝夾輔助引導(dǎo)界面以及數(shù)控加工中心監(jiān)視界面等；數(shù)據(jù)層主要由數(shù)據(jù)庫與通訊服務(wù)器組成，數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)了支撐系統(tǒng)運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)表，通訊服務(wù)器則用于存儲(chǔ)設(shè)備或系統(tǒng)間的交互數(shù)據(jù)；邏輯層涵蓋了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行協(xié)同控制的所有邏輯程序；運(yùn)行層是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行程序與配置文件的集合，如機(jī)器人示教程序、數(shù)控加工程序及測(cè)量機(jī)檢測(cè)程序等。

圖1 硬件架構(gòu)Fig.1 Hardware construction

從軟件系統(tǒng)的運(yùn)行方式來看，用戶層是管控整個(gè)制造系統(tǒng)的平臺(tái)，從生產(chǎn)任務(wù)管控、生產(chǎn)過程監(jiān)控至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操控均在此完成，用戶下達(dá)的指令在該層被處理后傳遞至邏輯層，同時(shí)，由數(shù)據(jù)層記錄過程信息，并在設(shè)備之間共享必要的數(shù)據(jù)。邏輯層中的程序根據(jù)接收到的指令，結(jié)合收集到的設(shè)備狀態(tài)，觸發(fā)運(yùn)行層中的對(duì)應(yīng)程序，從而完成系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作。

2 面向敏捷制造的集成管控技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)需求和計(jì)劃變更的快速響應(yīng)，使系統(tǒng)具備敏捷制造能力[5–7]，核心是要解決系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃管控與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制問題。

2.1 生產(chǎn)計(jì)劃管控

生產(chǎn)計(jì)劃管控包括對(duì)生產(chǎn)需求的獲取、生產(chǎn)計(jì)劃的管理、生產(chǎn)任務(wù)的規(guī)劃、生產(chǎn)變化的調(diào)整，以及生產(chǎn)過程與結(jié)果的反饋。現(xiàn)代制造企業(yè)越來越多地引進(jìn)企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning System，ERP）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）來對(duì)生產(chǎn)需求、資源和計(jì)劃進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)部署[8]，這為實(shí)現(xiàn)敏捷制造打下了良好的基礎(chǔ)，柔性敏捷制造單元的管控系統(tǒng)可以看作是將ERP 與MES的敏捷性轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品交付的敏捷性的紐帶。因此，本文基于ERP和MES 研究了面向敏捷制造的集成管控技術(shù)，其簡(jiǎn)要運(yùn)行原理如圖4所示，ERP系統(tǒng)根據(jù)需求制定總體生產(chǎn)計(jì)劃并配置資源，MES 對(duì)總體計(jì)劃進(jìn)行分解，提取產(chǎn)品制造工序并生成詳細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃，柔性敏捷制造單元接收到詳細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃后，可結(jié)合系統(tǒng)的資源準(zhǔn)備情況自動(dòng)規(guī)劃單元生產(chǎn)任務(wù)，操作人員確認(rèn)或根據(jù)需要調(diào)整后，即可啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行零件自動(dòng)加工。

圖2 制造單元布局方式示意圖Fig.2 Manufacturing unit layout diagram

圖3 軟件架構(gòu)示意圖Fig.3 Software architecture diagram

圖4 生產(chǎn)計(jì)劃管控原理示意圖Fig.4 Production plan control principle diagram

該項(xiàng)技術(shù)中，ERP 在企業(yè)層，處理企業(yè)的產(chǎn)品需求，提出對(duì)具體零部件的需求；MES 處在車間層，處理零部件需求，生成零部件的生產(chǎn)計(jì)劃并分配到各車間，并管控生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行情況；集成管控系統(tǒng)處在生產(chǎn)單元層，根據(jù)所分配的生產(chǎn)計(jì)劃，規(guī)劃出柔性敏捷制造單元的生產(chǎn)任務(wù)，若干個(gè)單元生產(chǎn)任務(wù)組合起來滿足一個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃的要求。單元生產(chǎn)任務(wù)界定了一系列作業(yè)所要完成的零件制造工作，包含了零件圖號(hào)、數(shù)量、工序、加工時(shí)長(zhǎng)等確切信息，啟動(dòng)單元生產(chǎn)任務(wù)后，集成管控系統(tǒng)的作用將聚焦于控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備按照既定的運(yùn)行邏輯與流程完成零件加工。

2.2 加工運(yùn)行機(jī)制

在系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)與生產(chǎn)計(jì)劃管控模式確定之后，如何落地實(shí)施零件的加工過程直接決定了制造單元的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。本文以“設(shè)備利用率最大化”為原則，提出了適用于柔性敏捷制造單元的加工運(yùn)行機(jī)制，其核心是盡可能地使數(shù)控加工中心不間斷地工作。如圖5所示，完整運(yùn)行一個(gè)單元生產(chǎn)任務(wù)包含生產(chǎn)任務(wù)建立、物料入庫、零件加工、零件測(cè)量、補(bǔ)償加工與調(diào)整及物料出庫6個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）生產(chǎn)任務(wù)建立：生產(chǎn)任務(wù)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃具有適應(yīng)性，規(guī)模大的生產(chǎn)計(jì)劃可由多個(gè)單元任務(wù)分解完成，規(guī)模小的生產(chǎn)任務(wù)可合并在一個(gè)單元生產(chǎn)任務(wù)中完成。建立單元生產(chǎn)任務(wù)主要是使系統(tǒng)明確所加工零件的圖號(hào)、數(shù)量、批次號(hào)，指定各類零件的加工優(yōu)先級(jí)，測(cè)量方式以及指定的數(shù)控加工中心。

（2）物料裝夾入庫：任務(wù)啟動(dòng)后，集成管控系統(tǒng)將在裝夾工位顯示裝夾輔助界面，用以提示操作人員選擇合適的夾具與毛坯，并通過夾具結(jié)構(gòu)和圖像識(shí)別防止裝夾錯(cuò)誤，其優(yōu)點(diǎn)是操作人員全程依照系統(tǒng)提示工作，無需考慮夾具選擇、毛坯選擇與數(shù)量統(tǒng)計(jì)等問題，裝夾完成的物料由機(jī)器人搬運(yùn)至物料庫。

（3）零件加工：集成管控系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)數(shù)控加工中心運(yùn)行狀態(tài)來判斷是否需要控制機(jī)器人進(jìn)行上下料，一旦機(jī)床處于空閑狀態(tài)，系統(tǒng)則搜索出任務(wù)中的待加工零件進(jìn)行上料。該模式優(yōu)勢(shì)在于邏輯簡(jiǎn)單明確，避免了復(fù)雜的排序算法，在零件種類多、約束條件復(fù)雜的情況下不易出現(xiàn)錯(cuò)誤，且能夠靈活應(yīng)對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的臨時(shí)變化。

圖5 單元生產(chǎn)任務(wù)運(yùn)行機(jī)制Fig.5 Unit production task running mechanism

（4）零件測(cè)量：零件測(cè)量分為首件測(cè)量和自定義測(cè)量?jī)煞N模式，首件測(cè)量時(shí)，單元中相同圖號(hào)的零件加工工作將暫停，依據(jù)測(cè)量結(jié)果決定是否進(jìn)行后續(xù)加工；自定義測(cè)量則是根據(jù)需要設(shè)置選擇待測(cè)的零件圖號(hào)、序號(hào)，并設(shè)置測(cè)量合格前是否暫停后續(xù)加工。

（5）補(bǔ)償加工與調(diào)整：當(dāng)出現(xiàn)不合格零件時(shí)，總控系統(tǒng)將分析測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果文件，從零件的數(shù)控加工程序中提取不合格部位的程序段，通過設(shè)置刀具補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償加工；對(duì)于無法通過切削加工修正的不合格品，需由人工介入，分析原因并采取調(diào)整措施。

（6）物料出庫：物料出庫是指由機(jī)器人將加工完成的零件從物料庫中取出，由工人拆卸夾具并進(jìn)行分揀歸集，物料出庫可與機(jī)器人上下料穿插進(jìn)行，以提高機(jī)器人的使用率。出庫完成后，集成管控系統(tǒng)將向MES系統(tǒng)上傳生產(chǎn)信息，更新生產(chǎn)計(jì)劃的進(jìn)展情況。

3 基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人的柔性裝夾與轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)

解決不同類型零件的高效裝夾、準(zhǔn)確定位與快速轉(zhuǎn)運(yùn)問題是實(shí)現(xiàn)柔性制造的關(guān)鍵，本文提出了基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人的柔性裝夾與轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)。零點(diǎn)定位系統(tǒng)的定位精度通?？蛇_(dá)到±0.005mm，能夠滿足飛機(jī)系統(tǒng)件的制造精度要求，通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化接口的物料托盤可實(shí)現(xiàn)不同零件在數(shù)控加工中心與測(cè)量機(jī)上的快速裝夾定位，而無需重復(fù)對(duì)刀。如圖6所示，托盤用于裝夾毛坯（零件），其底部銷釘與在零點(diǎn)定位系統(tǒng)的鎖緊孔相配合，一旦確定了零點(diǎn)定位系統(tǒng)在數(shù)控加工中心或測(cè)量機(jī)工作平臺(tái)上的位置，托盤的定位銷釘在機(jī)床（或測(cè)量機(jī)）坐標(biāo)系中的位置也隨之確定。

圖6 裝夾定位原理Fig.6 Clamping positioning principle

圖7 托盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Tray structure diagram

在此基礎(chǔ)上，通過在托盤表面設(shè)計(jì)不同的裝夾定位結(jié)構(gòu)可以滿足各種不同零件的裝夾需求，如圖7所示，且定位元素與托盤底部的定位銷相對(duì)位置關(guān)系是明確的，因此，毛坯在機(jī)床（或測(cè)量機(jī)）坐標(biāo)系中的位置是已知的，通過在數(shù)控加工程序中偏置加工坐標(biāo)系即可準(zhǔn)確地完成加工。

由于統(tǒng)一了物料托盤的外形，物料轉(zhuǎn)運(yùn)問題也得以簡(jiǎn)化，采用六軸工業(yè)機(jī)器人與線性導(dǎo)軌的組合方式可高效可靠地完成物料運(yùn)送工作，但如何保證準(zhǔn)確穩(wěn)定的物料抓取是轉(zhuǎn)運(yùn)問題的關(guān)鍵。機(jī)器人抓取末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方案有很多，如依靠摩擦力夾緊、真空吸附、鎖緊銷釘?shù)?，由于零點(diǎn)定位系統(tǒng)鎖緊孔和托盤底部銷釘?shù)呐浜祥g隙通常在0.3mm 以內(nèi)，而機(jī)器人的重復(fù)定位誤差通常在±0.2mm 之內(nèi)[9]，前述抓取方式容易在抓取與放置過程中產(chǎn)生強(qiáng)迫，甚至碰撞。針對(duì)此問題，本文提出了一種結(jié)合“托舉”與“夾緊”兩級(jí)動(dòng)作的抓取技術(shù)。如圖8所示，機(jī)器人末端執(zhí)行器有兩塊固定的托板和兩支活動(dòng)的夾臂，抓取托盤時(shí)，機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)使末端執(zhí)行器的固定托板伸入托盤兩側(cè)的臺(tái)階結(jié)構(gòu)下方，到達(dá)預(yù)設(shè)位置后豎直向上抬起托盤，當(dāng)托盤完全離開零點(diǎn)定位系統(tǒng)后，夾臂向中間合攏夾緊托盤。放置托盤時(shí)，動(dòng)作順序相反，機(jī)器人移動(dòng)至零點(diǎn)定位系統(tǒng)上方，夾臂打開后豎直向下運(yùn)動(dòng)，直至托板與托盤脫離接觸，最后退出托盤區(qū)域。

該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在抓取與放置過程中，托盤在水平方向上僅受因其自重產(chǎn)生的摩擦力，該約束力很小不會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)迫或碰撞。并且，定位孔孔口與銷釘端頭均有倒圓結(jié)構(gòu)，可提升對(duì)機(jī)器人定位偏差的容忍度，偏差較大時(shí)，在重力的作用下，倒圓結(jié)構(gòu)會(huì)引導(dǎo)銷釘進(jìn)入。

4 示例

依托航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的生產(chǎn)資源與設(shè)備資源，基于本文所研技術(shù)，構(gòu)建了飛機(jī)系統(tǒng)件柔性敏捷制造單元，如圖9所示。該制造單元由三臺(tái)數(shù)控加工中心、一臺(tái)工業(yè)六軸機(jī)器人（含線性導(dǎo)軌）、一組模塊化物料庫、裝夾工位以及總控系統(tǒng)組成，具備生產(chǎn)任務(wù)管控、視覺裝夾防錯(cuò)、自動(dòng)上下料與自動(dòng)數(shù)控加工等功能。

運(yùn)用該制造單元完成了對(duì)5000余件法蘭類、搖臂類和支座類飛機(jī)系統(tǒng)件的加工，驗(yàn)證了本文所研構(gòu)建方法的有效性，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)24h 無人值守加工，期間所加工的零件質(zhì)量全部合格。通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，與人工操縱數(shù)控加工中心的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式相比，柔性敏捷制造單元在生產(chǎn)效率、生產(chǎn)時(shí)間、殘次品率、人力成本的方面均有顯著優(yōu)勢(shì)，具體的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見表1。

5 結(jié)論

本文針對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)件制造過程中，傳統(tǒng)數(shù)控加工在生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制與人力成本等方面的問題，研究了制造單元的集成管控技術(shù)，針對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)件生產(chǎn)批量小、批次多、需求變化快等特點(diǎn)，提出了通過與企業(yè)ERP、MES 協(xié)同工作的敏捷制造方案；同時(shí)，針對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)件尺寸小、品種多的特點(diǎn)，研究了基于零點(diǎn)定位系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人的柔性裝夾與轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)，解決了不同類型零件的快速準(zhǔn)確裝夾定位與轉(zhuǎn)運(yùn)問題；結(jié)合圖像識(shí)別、模塊化設(shè)計(jì)、工業(yè)自動(dòng)化等技術(shù)提出了柔性敏捷制造單元構(gòu)建方法，并建設(shè)了一套制造單元。通過10000余項(xiàng)零件的加工測(cè)試，驗(yàn)證了技術(shù)可切實(shí)提升零件的生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量并降低人力成本。然而，在智能制造蓬勃發(fā)展的工業(yè)背景之下，本文的研究成果在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)與智能物流等技術(shù)的應(yīng)用方面還存在較多不足與缺失，需在繼續(xù)深入開展研究，探索相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的集成與應(yīng)用方法。

圖8 機(jī)器人末端執(zhí)行器原理示意圖Fig.8 Robot end-effector principle diagram

圖9 制造單元整體布局Fig.9 Manufacturing unit overall layout

表1 制造單元與傳統(tǒng)加工模式的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較Table1 Manufacturing unit compared with traditional processing mode of production statistics