基于零点定位系统的自动化壳体生产线设计

李国丛 武素星 单振刚 姚建华 王 佳 王慧玲 叶启付 何 伟



基于零点定位系统的自动化壳体生产线设计

李国丛 武素星 单振刚 姚建华 王 佳 王慧玲 叶启付 何 伟

（航天长征火箭技术有限公司，北京100076）

利用六轴机器人、AGV机器人、桁架机器人等自动化设备，设计了一条自动化壳体生产线，实现零件上下料、机械加工、清洗、检测和数据补偿，零件入库等环节的自动化，从而达到“多品种、小批量”航天产品的自动化生产，提升机床设备的利用率，提高企业制造经济效益，为实现航天产品壳体类零件的自动化生产奠定了基础。

零点定位；自动化生产线；壳体零件

1 引言

随着航天型号的不断增加，航天产品的更新换代周期越来越短，而航天产品为典型的“多品种、小批量”生产，该生产模式下机床设备利用率低，据统计，仅为20%～30%，单纯依靠增加设备已无法满足型号任务需求，且会增加单位固有投资成本。提升机床设备利用率的关键在于减少设备的停机、等待时间[1]，多品种、小批量航天结构件的加工耗时主要为零件的装夹准备时间。

零点定位技术是一种减少机床停工时间设计的夹具系统，基于精益制造思想将大部分装夹时间外移到机床外进行，使得加工和装夹可以同时进行，多应用于批量产品的生产制造[2]。自动化生产线即在无人操作下的生产设备自我生产过程，其在运行过程中按照正常的生产指令控制生产，从而完成生产、加工、检验等一系列流程，自动化生产使企业节省大量人力和物力，加快了企业经营的工作效率[3]，而自动化生产线多用于汽车行业等大规模、批量生产领域，由于航天产品的特点，机械加工未采用自动化生产。

本文基于零点定位系统，利用六轴机器人实现自动上下料、送检，在线集成三坐标测量仪，将四台数控设备组成为壳体类零件自动化生产线，实现“多品种、小批量”航天产品的自动化生产，提升机床设备的利用率，同时提高企业机械制造经济效益。

2 航天产品结构件生产特点和难点

航天产品“多品种、小批量”的特点，决定了产品无法实现大规模、批量生产，传统机加车间采用集群式布局方式，各类设备属于混放状态，随着生产任务的不断增多，主要表现出以下特点和问题。

a. 物流路径长，工艺路线交叉频繁，物流效率低，物料跟踪困难；

b. 作业现场较为混乱，标准化作业程度低，生产过程控制难度大；

c. 零件加工过程换线频繁，生产等待时间长，生产加工效率低；

d. 设备利用率不均衡，平均数控设备利用率仅为20%；

e. 生产加工过程依靠人工完成，没有自动化生产模式的引进；

f. 型号任务的增多，导致产品交付压力越来越大，亟需提升加工效率，提高产能。

3 零点定位系统

零点定位系统由一套零件装夹托盘，护板、工作台卡盘、托盘与卡盘之间连接的拉钉组成。通用零点定位卡盘有4个或多个高精度定位块，各定位块之间的位置公差保证在±0.001mm以内，托盘与卡盘的重复定位精度可达±0.001mm，托盘与卡盘之间通过拉钉可达到10000N的锁紧力，零点定位系统如图1所示。零点定位系统中的卡盘固定在机床工作台上，其位置坐标值固定，加工的零件可在机床外的托盘上进行装夹、找正，并记录工件坐标值，当托盘固定在工作台卡盘上之后，工件的坐标位置可直接确定，利用已有程序和刀具，可开始加工，显著减少了传统加工过程中使用机床进行重复找正的时间，大大提升了机床设备的开机率，同时避免了因装夹导致的零件加工误差，提高了零件的加工精度。

图1 零点定位系统

4 自动化壳体生产线的设计

结合航天产品结构件的生产特点及加工过程中凸显的问题，基于零点定位系统，设计了自动化壳体生产线。自动化壳体生产线由生产准备区、交换流转区、搬运区、加工区、总控区等组成，自动化壳体生产线布局如图2所示。

图2 自动化壳体生产线布局图

4.1 生产准备区

图3 托盘载板图

生产准备区主要由工作台、机外对刀仪、高度仪、计算机、货架等组成，该区域负责完成零件的初步装夹、找正，刀具的准备，被加工零件的信息录入，机外编程、加工仿真等工作。编制完成并经过系统仿真的数控加工程序，上传至终端服务器，以备自动加工过程中机床调用；在托盘上装夹好的零件，放置在托盘载板上，托盘载板如图3所示；生产准备人员在载板上放置托盘时，将托盘上的零件、零件加工所需的程序、托盘在载板上的位置信息与托盘上的RFID芯片绑定。

4.2 交换流转区

图4 载板安放架

交换流转区主要由载板安放架组成，载板安放架如图4所示。交换流转区还包括刀具储存柜、专用叉车、载板交换小推车等，实现生产所需物料的准确、安全送达，同时实现物料、物流的规范化管理。

4.3 机器人搬运区

机器人搬运区主要包括机器人运行导轨和一台六轴机器人。六轴搬运机器人主要完成将系统指定的零件从载板上取出，并放置在后台系统指定的数控机床上；将零件从机床上取出，在清洗机内进行清洗；将清洗后的零件放在三坐标测量仪上进行测量；检测后的零件运送至载板架上，准备下线。搬运机器具有碰撞紧急停止功能，安全系数高，安全隐患小。

4.4 零件加工区

六轴搬运机器人在载板区抓取零件，根据后台系统算法，将零件放置在空闲等待加工的数控机床上或按要求放置在指定的数控机床上进行加工；由于托盘上待加工零件通过RFID已与数控程序关联，因此在机器人将零件放置在机床内的卡盘上时，卡盘外形如图5所示，相应的数控程序已由终端服务器传送至机床，零件安装完成后即可立即开始加工。

图5 卡盘外观图

4.5 零件的清洗和检验

每道工序完成后，零件均由六轴机器人从机床上取出，并放置在三坐标测量仪的卡盘上，三坐标测量仪依据编制好的程序对加工工件进行检测，当探头检测到的数据与设定的数值不同时，数据中心处理器会自动计算刀补量，待所有尺寸检测完成后，机器人取下工件运送至机床，机床按数据中心计算的刀补量进行二次加工，直至零件尺寸全部满足设计要求。检验合格的零件放回到原来载板位置，准备下线。

由于零件机加过程中会产生大量金属屑和少量毛刺，如果零件清洗不干净，金属屑和毛刺的存在影响三坐标的测量，产生较大的偏差，因此在零件检测前需要彻底清洗，采用超声波设备清洗，清洗完成后吹干处理。

5 自动化壳体生产线信息化系统设计

自动化壳体生产线硬件系统及自动化功能实现设计的同时，设计了自动化生产线的信息化系统，自动化壳体生产线信息化系统主要包括制造执行系统和生产线控制系统。制造执行系统由生产计划管理、制造数据管理、生产作业管理、质量作业管理、生产现场管理、物资管理、电子数据包管理、基础数据管理和系统管理等功能模块组成，借助于信息技术实现生产过程信息的全面共享，提升产品生产的整体运作效率，实现生产过程控制和过程优化。生产单元控制系统由物料位置识系统（RFID系统）、物料周转区、若干五轴机床或三轴机床、清洗单元、机械臂、三坐标检测仪、安全隔离门、安全视频监控摄像机等组成，生产单元控制系统是生产单元的控制中枢，负责实时采集各设备的监测数据并报告至制造执行系统。

6 壳体零件自动化生产工艺设计

自动化壳体生产线主要生产的壳体类零件为五面或三面加工，因此针对零件结构特点设计了专门的加工工艺。结合壳体类零件的加工特点，在零点定位托盘上安装精密虎钳，需要五面加工的壳体零件，第一次装夹时可完成正面的加工，之后由机器人转换到五轴数控机床或者带有立卧转化的托盘，实现另外零件两个侧面的加工，三个面加工完成后，零件出线，并在生产准备区将零件旋转90°后装夹，然后重新进线，第二次装夹可完成剩余两个侧面的加工，其装夹方式如图6所示。需要三面加工的壳体类零件可实现一次装夹完成所有面的加工。

图6 五面加工零件加工工艺设计

7 自动化壳体生产线加工效率分析

以图6中的五面加工零件为例，分析了传统加工模式与基于零点定位系统的自动化生产模式下的加工用时，具体加工用时见表1。

通过分析表1中的数据，传统加工方式生产单件产品用时为12.3h，而基于零点定位系统的自动化生产耗时为5.8h，生产效率提升2.1倍；除去生产准备用时，自动化生产方式的机床实际利用率约为传统手动生产方式机床利用率的4.8倍，两种生产方式用时及机床利用率对比如图7和图8所示。

表1 不同生产方式加工用时 h

生产准备主视图俯视图左视图右视图仰视图检验 传统加工用时23.51.5110.82.5 自动加工用时3.50.80.40.30.30.250.25

图7 单件生产加工用时

图8 机床利用率对比

8 结束语

基于零点定位系统，利用六轴机器人、AGV机器人、桁架机器人，设计了自动化壳体生产线，将四台数控机床串联为一条壳体零件生产线，实现零件自动上下料、自动加工、自动清洗、自动检测和补偿数据，零件自动入库等环节的自动化，从而实现“多品种、小批量”航天产品的自动化生产，机床设备利用率提升近5倍，提高了企业机械制造经济效益。基于零点定位系统的自动化壳体生产线设计为航天零件的自动化生产提供了一定的借鉴意义，有利于推动航天企业从传统加工向自动化生产的转变升级。

1 陈思涛，温良. 基于零点定位系统缩短数控机床停机时间[J]. 制造技术与机床，2015(11)：40～42，57

2 唐林，周良明，刘卫武，等. 基于零点定位技术的中小航空结构件快速换装技术研究[J]. 制造业自动化，2015，11(37)：19～21

3 蒋雪琴. 自动化生产线上计算机控制系统的应用探析[J]. 自动化与仪器仪表，2016(7)：42～43

Design of Automatic Shell Product Line Based on Zero Point Positioning System

Li Guocong Wu Suxing Shan Zhengang Yao Jianhua Wang Jia Wang Huiling Ye Qifu He Wei

(Aerospace Long March Launch Vehicle Technology Co., Ltd, Beijing 100076)

Based on zero point positioning system，the automatic shell product line was designed by using automatic equipment, such as 6-axis robot, AGV robot and truss robot. The product line can realize automatic process of feeding parts, mechanical processing, cleaning, testing, data compensation and parts storage, and finally achieved the automatic manufacture of multi varieties and small batch of aerospace products. The automatic product line increases the using ratio of the machine tools and improves the economy benefit of the corporation. It lays the foundation for automatic manufacture of aerospace shell products.

zero point positioning；automatic product line；shell part

2017-05-23

李国丛（1985），硕士，材料工程专业；研究方向：生产线设计。