針對航空復雜結構件制造從傳統的單機加工向柔性生產線加工轉型過程中，面臨的流程優(yōu)化、柔性化工藝設計問題，通過面向柔性生產控制的工藝流程設計，以及面向無人化柔性加工的工藝方案設計，形成了一套適合航空復雜結構柔性生產的工藝設計總方案，有效提升多品種、小批量生產模式下航空復雜結構件加工效率和質量。
1 序言
我國航空產業(yè)的快速發(fā)展，對航空結構件的加工效率和質量提出了更高的要求。航空結構件作為飛機的重要連接和承力結構，廣泛采用數控機床進行加工。與其他行業(yè)的數控產品相比，航空復雜結構件具有產品結構復雜、品種多和批量小的特點，多采用專用設備和工裝進行加工，專業(yè)化和集成化的程度較低[1]。為了提升航空復雜結構件的生產效率，需要引進更為先進的加工制造技術和工藝設計方案。
柔性制造技術作為一種新的制造技術，已經在機械制造、部件裝配等多個領域開展了相關應用。在我國，柔性制造技術在航空制造領域中的應用尚且處于探索階段[2]，多家國內航空企業(yè)已相繼開展柔性生產線技術的應用研究。柔性生產線是以固定的機床設備為主體，配備相應的物料運輸裝置、計算機控制系統、物料存儲庫等所組成的一條涉及產品數控加工全流程的自動化生產線[3]，具有產品柔性強、生產排產靈活、產品質量穩(wěn)定和自動化程度高等特點。本文以航空復雜結構件為研究對象，分析柔性生產線上加工產品的結構特征及加工流程，針對柔性生產線加工過程中的自動化生產要求，開展了面向柔性生產控制的加工流程設計及工藝方案規(guī)劃，為航空復雜結構件的柔性生產提供一整套的工藝設計總體方案。
2 面向多族類航空結構件柔性生產的工藝流程設計
在柔性生產線運行過程中，產品加工工藝流程的自動化控制是柔性化生產的核心，合理的加工工藝流程設計是生產線工藝設計的關鍵過程。產品的加工工藝流程是定義產品在生產線內全過程的控制文件，柔性生產線的生產管控系統根據計劃訂單需求信息，通過調用相應的加工工藝流程來實現產品的自動排產和無人化加工。
柔性生產線工藝流程設計的第一個方面，由于航空產品生產對于零件制造全流程有嚴格的信息追溯性要求，因此，柔性生產線工藝流程設計初期，首先要制定加工工藝流程控制文件的唯一性控制及變更規(guī)則。以零件圖號為主體，工藝流程控制文件按加工流程的不同，設計不同的編號規(guī)則，并進行版次管理，實現產品的信息追溯性。以圖號為SYJ01的零件為例，規(guī)定單件加工后綴為_DJ，套料加工后綴為_TL，版次由A、B、C……依次類推，該零件的第一版單件加工工藝流程文件命名為：SYJ01_DJ_A，該文件編號在生產線中具有唯一性。
柔性生產線工藝流程設計的第二個方面，是要考慮產品多樣性。由于航空產品結構復雜，類別多樣，因此在上線工藝流程設計中，應根據零件結構的相似性，開展成組化的零件族類劃分，在此基礎上，采用成組工藝進行加工方案的設計。根據工藝相似性，可以設計適用于更多零件族的柔性工裝，解決傳統加工中專用工裝數量多、裝夾耗時且操作復雜的難題[4]。如圖1所示，加強隔板和機加框段2個結構不同的產品族均采用正反2個工位加工，在柔性生產線工藝流程設計中將使用相同的裝夾方案、相同的工裝，并采用同一套工藝流程。
a）加強隔板 
b）機加框段
圖1 基于工藝相似性的產品族合并
柔性生產線工藝流程設計的第三個方面，結合柔性生產線上工藝資源的配置情況，優(yōu)化上線工藝流程設計。制約柔性生產線產品加工的因素包括毛料、工裝、刀具、機床設備和加工程序等，產品上線加工前需要完成相應刀具、工裝和加工程序的準備，當毛料入庫并裝載完成后，生產管控系統需要依據不同產品需求數量和交付時間的差異，自動設計排產的優(yōu)先級并選擇合適的機床進行加工。在滿足加工需求的前提下，減少工裝、刀具的需求數量，提升數控程序的效率，簡化加工工位，可以實現工藝流程設計的優(yōu)化。
柔性生產線上產品的加工以產品的工藝流程為指導，從毛料入庫開始，到零件加工完成出庫結束。單工位加工的產品，在生產線中的流轉過程如圖2所示。對于多工位加工的產品，某一工位加工結束后，半成品狀態(tài)的毛坯作為新的毛料入庫管理，根據生產訂單，重復上述過程，直至全部工位加工完成。
圖2 單工位加工產品的流轉過程
3 面向航空復雜結構件無人化柔性加工的工藝方案設計
柔性生產線上產品的自動化加工，依賴于柔性化的工藝方案設計。以產品數控加工程序的穩(wěn)定可靠為前提，包含了柔性工裝的設計、毛料的機外裝夾方案、自動找正方案、刀具管理方案、自動化連續(xù)加工方案、機內檢測和機內清屑等環(huán)節(jié)[5]，將全流程寫入工藝流程文件，實現航空復雜結構件的無人化柔性加工。
3.1 機外裝夾及快速換裝
在柔性生產線中，零件的裝夾準備需要在生產線外完成。在裝載完成后，需要將毛料和工裝一起送入機床，工裝和毛料作為一個整體，在機床內應實現準確快速的定位和夾緊。目前，廣泛采用零點定位技術，解決工裝快速拆卸、精度定位的問題。零點托盤裝配如圖3所示，可以設計一組基于零點定位結構的組合式工裝，基礎底板通過墊高塊固定在機床臺面上，裝有毛料或其他夾具的基礎托盤，通過導銷引導，使用零點定位夾頭，快速與基礎底板定位和夾緊，實現快速換裝。
圖3 零點托盤裝配示意
3.2 自動找正及在線測量
柔性生產線的加工過程中，需要將操作人員手動操作手輪、按鍵以及應用尋邊儀、千分表和探頭等手動找正設置工件坐標系的過程轉化為程序的自動操作。在自動化生產線中，機床配備了機用測頭，通過開發(fā)后處理軟件，用數控程序驅動測頭對毛料的直邊、孔和平面等不同特征進行測量，完成加工坐標系的設定。
在線測量功能通過引入測量宏程序，對半精加工后的尺寸位置進行測量，將測量值寫入機床中對比差值，進行動態(tài)加工補償。加工完成后，在線測量功能可對零件實際加工尺寸進行測量和記錄，當尺寸超差時進行質量預警。
3.3 刀具管控方案
在柔性生產線中，對加工所使用刀具的規(guī)格、數量有著特殊要求。為了便于刀具管理和檢測，根據刀具類型和規(guī)格，對刀具名稱進行統一規(guī)定，保證刀具名稱的唯一性，形成標準化刀具數據庫。柔性生產線同時配備了專用的刀具監(jiān)控系統，可以對刀具切削振動、使用壽命進行統計分析，提示刀具更換，有效避免刀具磨損、損壞造成的產品質量問題。常規(guī)的刀具選型，僅考慮了零件結構特征及加工特性。由于機床刀庫中可存儲的刀具數量有限，所以在工藝方案設計中需合并刀具規(guī)格。在實際使用中，只有當程序調用的刀具名稱與機床刀庫存儲的刀具名稱相同時，才能完成刀具的自動調用。
3.4 自動清屑方案
在數控加工過程中，切屑的積累會導致產品最終表面質量變差，甚至會引起刀具粘刀，造成產品質量問題。選用某型強力機用風扇，將風扇作為刀具入庫管理，在加工過程中調用吹屑程序，清除零件加工過程中的切屑，保證加工的連續(xù)性。同時，由于托盤出線時不能將切屑帶出，根據現場加工的實際工況，編制清屑宏程序，將風扇固定角度后機床C軸旋轉運動，可以將工件、托盤及機床上的切屑清潔到位。
3.5 自動加工串聯方案
程序的自動調用依托于西門子840D數控系統功能，同時需要與生產管控系統相關聯。編制與生產管控系統相匹配的數控加工主程序，應用子程序調用功能，可以實現各類子程序的調用，同時需添加程序信息、子程序名和刀具名等信息注釋行，用于生產管控系統對主程序的預讀。通過信息預讀，生產管控系統可以判斷子程序是否存在，刀具名稱是否對應，只有信息一一匹配時，主程序才能被正確調用，生產訂單方可正常運行，完成加工過程。
4 案例應用
選取飛機的加強肋零件，開展柔性生產線的上線加工測試。編制典型件的工藝流程文件，導入柔性生產線的生產管控系統中，用于自動化的產品工序調用。從毛坯的線外裝夾（見圖4）開始，到產品加工結束，驗證了產品在柔性生產線中全流程無人化柔性加工的可行性。該方案能夠大幅提升機床利用率，同時顯著提高產品的加工效率。
圖4 毛坯的線外裝夾
5 結束語
從傳統的單機加工向柔性自動化加工的轉型，是航空結構件加工技術的一大飛躍。本文通過面向多族類航空結構件柔性生產控制的工藝流程設計，為實現從人工工序控制向自動化控制系統的工序控制轉型奠定了基礎。在此基礎上，通過機外裝夾和快速換裝方案設計，以及自適應找正、刀具管理、自動清屑控制以及自動過程檢測控制等面向復雜結構無人化柔性加工的工藝開發(fā)設計，將使航空復雜結構件的自動化柔性加工成為可能。
