柔性線加工模式下航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工藝設計技術(shù)研究

高 鑫，馮 斌，趙中剛，王斌利

（航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，成都 610092）

航空結(jié)構(gòu)件組成了飛機的骨架，是飛機機身的重要組成部分。結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工是飛機制造過程中的重要環(huán)節(jié)，其加工周期直接影響飛機的準時交付。傳統(tǒng)單機加工模式下，結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過程需要工人進行手動裝夾找正，并依賴工人的經(jīng)驗判斷刀具磨損及加工異常情況，零件加工質(zhì)量和效率無法有效保證。此外，隨著飛機性能提升，結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)大型化、復雜化發(fā)展趨勢，加工要求及難度顯著提升，采用傳統(tǒng)單機加工模式，加工質(zhì)量和效率更加難以保證。

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，機械制造業(yè)正經(jīng)歷著一場技術(shù)變革。因具有高效、低成本優(yōu)勢，以自動化、柔性化為特點的柔性生產(chǎn)線加工模式成為飛機結(jié)構(gòu)件制造的發(fā)展趨勢[1]。國內(nèi)外眾多航空制造企業(yè)構(gòu)建了柔性自動化生產(chǎn)線，如美國洛·馬公司組建了F35 座艙生產(chǎn)線，德國Aerotech 公司組建了民機結(jié)構(gòu)件柔性生產(chǎn)線，韓國KAI 公司針對A350 飛機組建了機翼自動化生產(chǎn)線[2]。

為適應制造業(yè)發(fā)展趨勢，國內(nèi)機械制造行業(yè)也陸續(xù)引進了國外先進的數(shù)控機床及柔性生產(chǎn)線，并研發(fā)了國產(chǎn)柔性生產(chǎn)線，開啟柔性自動化加工模式。如寧夏小巨人機床有限公司引進日本山崎馬扎克公司先進制造設備，構(gòu)建柔性生產(chǎn)線并組建智能生產(chǎn)車間[3]；航空工業(yè)昌飛組建了直升機旋翼系統(tǒng)關(guān)鍵零件生產(chǎn)線；大連科德為發(fā)動機葉片研制了國產(chǎn)五軸聯(lián)動數(shù)控機床生產(chǎn)線；北京航智晟研制了用于航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的五軸聯(lián)動數(shù)控機床柔性生產(chǎn)線。

航空結(jié)構(gòu)件屬于多品種、小批量生產(chǎn)模式[4–5]，采用柔性線生產(chǎn)模式加工時，難以通過迭代優(yōu)化方式獲取穩(wěn)定高效的柔性線加工工藝。為保障柔性生產(chǎn)線自動化運轉(zhuǎn)，必須配套柔性生產(chǎn)線自動化工藝、設備智能維保、信息化管控等支撐技術(shù)。本文重點關(guān)注柔性生產(chǎn)線自動化工藝技術(shù)，圍繞數(shù)控加工工藝技術(shù)，行業(yè)內(nèi)學者、專家開展了大量研究工作并取得了顯著成效。

在數(shù)控加工刀具智能優(yōu)選方面，吳寶海等[6]提出了一種基于點可行空間分析的刀具選擇方法，用于解決復雜曲面通道零件加工的刀具優(yōu)選問題；錢德成等[7]提出了一種將實例推理與規(guī)則推理相集成的混合推理方法，實現(xiàn)對數(shù)控加工刀具的智能選擇。在切削參數(shù)決策方面，張明樹等[8]提出一種基于圖論進而模糊逼近理想排序法的高速切削工藝參數(shù)優(yōu)化決策方法；胡瑞飛等[9]提出一種切削穩(wěn)定性約束下的銑削參數(shù)優(yōu)化方法。在數(shù)控加工程序編制方面，李峰等[10]以特征為工藝知識的有效載體，實現(xiàn)基于特征的自動數(shù)控編程。Li 等[11]針對自動化生產(chǎn)線，分析了數(shù)字化工藝框架和流程，實現(xiàn)了數(shù)字化工藝編制。

綜上所述，行業(yè)內(nèi)學者在單點數(shù)控加工工藝技術(shù)方面取得了一系列成果，可在柔性線加工工藝中進行應用，但目前尚缺乏成套的柔性生產(chǎn)線加工工藝技術(shù)用于支撐柔性生產(chǎn)線自動化運行。本文將從柔性生產(chǎn)線加工工藝標準化、加工過程質(zhì)量控制及監(jiān)控指令添加等方面開展研究，形成面向航空結(jié)構(gòu)件的柔性線自動化加工成套工藝技術(shù)。

1 柔性線加工模式對工藝設計的要求

柔性線加工模式下，零件在機裝夾、找正、換刀、數(shù)控加工、過程檢測等結(jié)構(gòu)件加工全過程無人工干預，因此在加工過程中，應能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r進行識別并及時停機，避免發(fā)生質(zhì)量事故。上述柔性線加工特點對結(jié)構(gòu)件加工工藝設計提出以下要求。

（1）加工工藝標準化。柔性線加工過程涉及的換刀、程序加載、資源調(diào)度等均由管控系統(tǒng)自動實現(xiàn)。為確保上述過程穩(wěn)定可靠，必須對柔性線加工工藝進行標準化。工藝標準化包括資源和加工策略兩個方面。其中資源標準化包括加工刀具、刀套、數(shù)控程序等；加工策略標準化包括典型特征加工走刀策略、切削參數(shù)等。

（2）加工過程檢測。傳統(tǒng)單機加工模式下，為確保零件加工質(zhì)量，在加工過程中由工人對零件裝夾狀態(tài)、中間過程關(guān)鍵尺寸進行檢測。而柔性線加工全過程無人工干預，必須采用探頭自動找正、基于探頭的加工中間狀態(tài)檢測等加工過程質(zhì)量控制手段，確保柔性線加工模式下，零件加工狀態(tài)可控。

（3）加工過程監(jiān)測。在柔性線自動化加工模式下，傳統(tǒng)由工人對加工過程進行值守，并及時發(fā)現(xiàn)刀具斷裂、崩刃、嚴重磨損、干涉等加工異常狀態(tài)的方式已不再適用。為及時發(fā)現(xiàn)異常加工狀態(tài)，避免產(chǎn)生嚴重質(zhì)量問題，必須借助加工狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)實現(xiàn)對加工異常的識別，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動停機。

2 基于熵權(quán)法的工藝標準化因素確定

結(jié)構(gòu)件加工工藝因素繁多，如何確定影響柔性線標準化工藝的主要因素是實現(xiàn)柔性線標準化加工工藝設計的基礎。熵權(quán)法可以用來評價指標的權(quán)重，是一種客觀的加權(quán)方法，采用熵權(quán)法可避免權(quán)重評價過程中人為因素過多的問題，使最終結(jié)果更加真實有效，因此采用熵權(quán)法實現(xiàn)工藝標準化因素的確定。

首先梳理工藝設計各環(huán)節(jié)影響因素，由不同工藝人員對上述因素進行評價，得到各因素的初始評價值，然后各因素評價值進行標準化，即

其中，Yij為標準評價值；Xij為第j個工藝員對第i個因素的評價值。則各因素指標的熵值Ei可由下式進行計算：

其中，n為第i個指標評價值的數(shù)量；Pij可表示為Pij=Yij/則各因素的權(quán)重為：

依據(jù)上述計算得到的各因素權(quán)重，其中選擇大于0.2 的因素，即為在柔性線加工模式下需進行標準化的加工工藝因素。

3 加工工藝標準化

在柔性線加工模式下，為確保航空復雜結(jié)構(gòu)件加工過程中自動換刀、程序加載、物流配送等過程的可靠性，必須對上述過程涉及的加工工藝進行標準化，主要包括加工資源和工藝策略標準化。依據(jù)上文熵權(quán)法計算得到加工資源標準化包括刀具、程序標準化，工藝策略標準化包括走刀方式及切削參數(shù)標準化。

3.1 標準刀具及匹配工藝策略推送

對于結(jié)構(gòu)件而言，可選用加工刀具清單數(shù)量直接影響加工工藝標準化的難易程度。為實現(xiàn)加工工藝標準化，在滿足結(jié)構(gòu)件加工要求的前提下，應盡可能減少可選用刀具規(guī)格數(shù)量。依據(jù)待加工結(jié)構(gòu)件特點，確定柔性線加工常用刀具清單，為確保刀具裝配后的標準化，對每把刀具匹配的刀套進行標準化，同時為標準清單中刀具加工具體特征設定匹配的切削參數(shù)和走刀方式，刀具類型均為立銑刀，實現(xiàn)工藝策略的標準化，如表1所示。

表1 柔性線機床加工標準刀具及匹配工藝策略Table 1 Standard tool and matching process strategy in machine tool processing of flexible line

為更好地實現(xiàn)加工刀具及工藝策略的標準化，在結(jié)構(gòu)件工藝設計環(huán)節(jié)，依據(jù)零件材料、選擇的機床、具體加工特征及加工方式從標準刀具清單中選擇并推送滿足加工要求的刀具及匹配的工藝策略[12]，刀具及工藝策略自動推送模塊如圖1所示。

圖1 加工刀具及匹配工藝策略自動推送模塊Fig.1 Automatic decision technology of cutting tool and strategy

3.2 標準化NC 程序

（1）NC 程序標準化命名。為實現(xiàn)柔性線加工過程中加工程序的自動加載，制定NC 程序命名規(guī)范，統(tǒng)一采用“零件編號–工序–工步”的命名方式對NC 程序進行命名，如“0012”號零件、20 工序、第5 工步加工程序的名稱應為“0012–20–05”。

（2）標準帶頭帶尾。柔性線運行過程中，為適應同一零件程序在不同機床上加工的需求，對NC 加工程序帶頭帶尾中包含的壓縮指令、換刀指令、冷卻液開關(guān)、主軸開關(guān)、輔助M 指令等語句進行標準化。圖2為橋式AC 擺角五軸數(shù)控機床加工程序標準帶頭帶尾。

圖2 NC 加工程序標準帶頭帶尾Fig.2 Standard format of NC program

4 過程控制指令標準化

4.1 標準化宏程序指令

在柔性線自動化加工模式下，采用數(shù)控系統(tǒng)宏程序方式替代傳統(tǒng)人工干預環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對加工過程質(zhì)量控制。針對不同機床和數(shù)控系統(tǒng)，宏程序指令存在顯著差異導致指令及參數(shù)繁多，增加了工藝設計宏程序指令添加的工作量和出錯概率，過程控制指令標準化是解決上述問題的有效途徑。

宏程序應用可分為3 個階段，即工藝端、仿真端和加工端。對于工藝端而言，只需工藝人員在程編環(huán)節(jié)添加宏程序指令及匹配的參數(shù)信息即可，工藝人員無須知道宏程序功能如何實現(xiàn)；而在仿真和加工端需將宏程序指令轉(zhuǎn)化為機床可執(zhí)行的語句，以便實現(xiàn)相應的過程控制功能，因此標準宏程序構(gòu)建包括以下兩個方面。

（1）工藝端。梳理結(jié)構(gòu)件加工過程人工干預環(huán)節(jié)，基于柔性線自動化加工需求，梳理形成柔性線標準宏程序清單，并進行規(guī)范化命名，確保在工藝設計環(huán)節(jié)，針對不同機床、不同數(shù)控系統(tǒng)，相同功能宏程序命名一致?？勺畲蟪潭葴p少工藝程編工作量，同時也在一定程度上避免了因宏程序使用錯誤導致的質(zhì)量問題。表2為部分標準宏程序。

表2 部分標準宏程序Table 2 Part of the standard macro programs

（2）仿真和加工端。在仿真和加工端，為確保機床能夠正確識別宏程序指令，并按照預期執(zhí)行相應的過程控制動作，在NC 程序中將工藝員添加的宏程序指令及匹配的參數(shù)信息轉(zhuǎn)換為機床可執(zhí)行的語句；同時在仿真機床庫及機床數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)與機床和數(shù)控系統(tǒng)匹配的子程序驅(qū)動機床運動。表3為測量零件在（X80，Y100）處Z向坐標值時使用“MEASURE_POINT（80，100，50）”宏程序?qū)臋C床可執(zhí)行代碼，其中“L132”為機床數(shù)控系統(tǒng)中基本的點位測量子程序，對于不同機床和數(shù)控系統(tǒng)該子程序存在差異。

表3 宏程序?qū)獧C床可執(zhí)行代碼Table 3 Executable code of machine tool correspond to macro programs

4.2 基于刀具壽命的標準化換刀指令

（1）基于模糊綜合評價的刀具壽命評估。為實現(xiàn)對待加工刀具壽命評估，從歷史加工數(shù)據(jù)庫中選取加工方式與待加工刀具加工方式相同的刀具所對應的歷史數(shù)據(jù)，以該刀具歷史加工壽命值作為待加工刀具壽命，進而以該壽命值作為刀具換刀依據(jù)。為更好地在歷史加工數(shù)據(jù)庫中選取與待加工刀具匹配的相同刀具，本文采用模糊綜合評價法對刀具的匹配度進行評價。將每一個評價因素分為3 個評價等級，本文采用的正態(tài)分布隸屬度函數(shù)如式（4）～（6）所示。

其中，x為評價值；μmin，μmax分別為最低和最高評價值；μ0為預期值。

影響刀具匹配度計算的因素包括切削參數(shù)、走刀方式、加工部位等。采用一致性模糊矩陣計算評價指標權(quán)重。模糊矩陣F=（fij）3×3中的元素可表示為

刀具匹配度計算模糊矩陣F可表示為

通過對模糊矩陣進行變換，得到模糊一致矩陣FT。

采用式（10）所示方法對模糊一致矩陣進行歸一化處理，得到影響刀具匹配度計算各因素的權(quán)重WT。

刀具評價結(jié)果ECTool為

其中，EP、EMS、EMF分別表示待加工刀具選用切削參數(shù)、走刀方式及加工部位的評價結(jié)果。

以待加工刀具選用切削參數(shù)為例，影響其評價結(jié)果的子因素包括進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、切深、切寬等。同樣采用模糊一致矩陣及歸一化處理得到各子因素權(quán)重WP。

針對每個子因素，依據(jù)正態(tài)分布隸屬度函數(shù)計算隸屬度，得到切削參數(shù)評價矩陣MP。

通過使用模糊運算計算切削參數(shù)的綜合評價EP。

同樣地，可以得到走刀方式及加工部位的評價結(jié)果，進而依據(jù)式（12）得到待加工刀具與歷史加工數(shù)據(jù)庫中與待加工刀具相同刀具的評價值，依據(jù)式（16）計算待加工刀具與歷史加工數(shù)據(jù)庫中相同刀具的匹配度D。

其中，ETool為待加工刀具的評價值；EDate為歷史加工數(shù)據(jù)庫中與待加工刀具相同刀具的評價值。

基于上述方法可在歷史加工數(shù)據(jù)庫中找到與待加工刀具匹配度最高，且達到一定值的相同刀具，以該歷史加工刀具的壽命作為待加工刀具的壽命值。

（2）基于刀具壽命的標準化換刀指令。自動換刀是實現(xiàn)柔性線加工過程無人工干預的重要支撐技術(shù)。為實現(xiàn)自動換刀，在NC 程序中融入刀具預期壽命，并設置刀具壽命檢查及換刀指令。在每一個刀具壽命檢查點，還需讀取當前程序剩余加工時間，具體流程如圖3所示。

圖3 自動換刀流程Fig.3 Process of automatic tool change

5 加工過程監(jiān)控指令添加

在柔性線加工模式下，結(jié)構(gòu)件加工過程所有環(huán)節(jié)均由系統(tǒng)自動實現(xiàn)，為保證上述過程準確可靠，在程序中增加防錯指令，對零件加工過程進行系統(tǒng)防錯；此外為確保能夠及時發(fā)現(xiàn)加工過程中的異常情況，在加工程序中增加監(jiān)控指令用于加工過程狀態(tài)監(jiān)控。

5.1 防錯指令

直接影響零件加工質(zhì)量的因素包括刀具、程序、加工原點等。結(jié)構(gòu)件自動化加工過程中涉及的刀具調(diào)用及換刀、程序加載、加工原點調(diào)用等均由系統(tǒng)自動實現(xiàn)。為降低零件加工質(zhì)量風險，針對上述過程在加工程序中分別添加包含正確工藝信息的防錯指令，在加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)讀取程序中防錯指令所包含的準確刀具、程序、原點信息，并與當前調(diào)用的刀具、程序、原點信息進行比對。如兩者存在差異，則認為出現(xiàn)錯誤，停止加工，避免質(zhì)量問題的發(fā)生。針對不同加工環(huán)節(jié)，防錯指令所包含的信息及防錯機制有所差異。

（1）刀具調(diào)用防錯指令。刀具調(diào)用防錯指令用于在加工過程中對刀具信息進行檢查，避免刀具使用錯誤，包含理論正確刀具信息及刀具比對指令。加工過程中，運行某條加工程序時，系統(tǒng)從防錯指令中讀取該條程序?qū)恼_刀具信息，并從數(shù)控系統(tǒng)中獲取當前調(diào)用刀具的信息，如當前刀具半徑、底角等信息與理論刀具信息不同，或當前刀具刀長與理論刀具刀長差異值超出允許范圍，則認為當前刀具調(diào)用錯誤，停止加工。

（2）程序調(diào)用防錯指令。程序調(diào)用防錯指令用于在加工過程中保證程序按照加工順序依次調(diào)用，包含本條程序識別碼、下一條待加工程序識別碼及程序碼比對指令。加工某條程序時，數(shù)控系統(tǒng)會記錄本條程序中存儲的下一條加工程序信息，當本條加工程序執(zhí)行完畢后，調(diào)用下一條加工程序加工時，數(shù)控系統(tǒng)從下一條加工程序中讀取程序信息，并與此前存儲的下一條加工程序信息進行比對，以確保系統(tǒng)正確調(diào)用下一條加工程序。

（3）原點調(diào)用防錯指令。原點調(diào)用防錯指令用于保證零件加工原點設置的正確性，包含存儲的零件原點信息及原點比對指令。加工某條程序時，如該程序為首件加工，則將當前程序?qū)牧慵霸c信息進行存儲；如該零件為非首件加工，則將當前程序的原點信息與備份的該零件對應的原點信息進行比對，如原點坐標差異值超出閾值或者當前坐標系使用鏡像、比例縮放功能則認為當前原點信息設置錯誤，停止加工。

5.2 加工監(jiān)控指令

結(jié)構(gòu)件加工過程狀態(tài)實時監(jiān)控是實現(xiàn)柔性線無人工干預加工的重要支撐技術(shù)。飛機結(jié)構(gòu)件屬于多品種小批量加工模式，不同零件之間差異巨大。以零件為單位進行加工狀態(tài)監(jiān)控存在監(jiān)控樣本數(shù)據(jù)不足的問題，監(jiān)控效果難以達到預期。雖然不同結(jié)構(gòu)件之間存在差異，但結(jié)構(gòu)件都是由槽、筋、孔等基礎加工特征組成，以加工特征為單位進行狀態(tài)監(jiān)控可有效解決監(jiān)控樣本不足的問題。

為確保對結(jié)構(gòu)件加工過程進行有效監(jiān)控，依據(jù)零件加工特征及其工藝信息在加工程序中添加監(jiān)控指令。監(jiān)控指令中包含零件材料、加工特征、加工刀具、加工方式、監(jiān)控閾值等信息。其中，監(jiān)控閾值主要用于判斷當前零件加工狀態(tài)是否存在異常，包括最大加工主軸功率、最大瞬時功率突變值、機床各運動軸最大電流等多個評判閾值。當零件加工狀態(tài)數(shù)據(jù)超出監(jiān)控閾值中任何一個評判閾值，則認為當前零件加工存在異常情況。如監(jiān)控指令“Monitor（TC4,Corner，T12_45R3Z4，ID007，7.3，5.5，8.8，6.6，10.9，15.6，17.9）”表示采用T12_45R3Z4刀具側(cè)銑加工鈦合金零件轉(zhuǎn)角特征時，主軸最大功率為機床主軸最大輸出功率的7.3%，最大瞬時功率突變值為機床主軸最大輸出功率的5.5%，X、Y、Z、A、C5 個運動軸的最大允許電流分別為各自運動軸最大輸出電流的8.8%、6.6%、10.9%、15.6%和17.9%。

6 典型結(jié)構(gòu)件應用實例

圖4為飛機結(jié)構(gòu)件為例說明本文提出柔性線加工工藝設計方法的實現(xiàn)流程。

圖4 典型飛機結(jié)構(gòu)件（mm）Fig.4 Typical aircraft structure part (mm)

該零件為典型鈦合金單面框類結(jié)構(gòu)件，槽深30mm，轉(zhuǎn)角半徑6.5mm，槽底角半徑3mm，毛坯尺寸310mm×420mm×40mm。框面加工順序為“粗加工–筋頂精加工–腹板精加工–轉(zhuǎn)角插銑–轉(zhuǎn)角側(cè)銑精加工”。首先從柔性線標準刀具清單中選擇每個工步對應的加工刀具及匹配的切削參數(shù)，對于每個加工工步采用標準化NC 程序命名規(guī)則進行命名，各工序工步信息如表4所示。

表4 零件加工工藝信息Table 4 Machining technology information of the part

在加工過程中，為減少人工干預，采用探頭對零件裝夾狀態(tài)和加工狀態(tài)進行復查及檢測，標準化探頭檢測宏程序指令如表5所示。

表5 零件加工探頭宏程序Table 5 Probe macro program of parts processing

此外在加工程序中增加防錯、監(jiān)控及換刀指令，減少人工干預。如圖5所示，以“02–腹板精加工”工步加工程序為例，在NC 程序中，使用柔性線機床標準帶頭帶尾，并在程序開頭添加刀具、程序、原點調(diào)用防錯指令，加工過程監(jiān)控指令。在程序加工過程中添加刀具壽命檢查及換刀指令。

圖5 包含各種控制指令的NC 加工程序Fig.5 NC program containing various control instructions

7 結(jié)論

（1）形成了涵蓋標準刀具及工藝策略，融合刀具壽命管理的標準NC 程序在內(nèi)的標準化柔性線加工工藝技術(shù)。

（2）構(gòu)建了標準化加工過程控制指令及加工狀態(tài)監(jiān)控指令。

（3）形成了涵蓋標準化加工工藝、標準化過程控制指令、加工狀態(tài)監(jiān)控指令在內(nèi)的成套柔性線加工工藝技術(shù)。