CN110936174A - 一种压气机叶片数字化全自动生产线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种压气机叶片数字化全自动生产线设计方法，首先确定叶片主要以铣削加工复合车加工的工艺为主要工艺过程，根据工艺过程选择相应设备；确定工艺的自动化代替方案所需的存储及物流传送设备；根据产品产能要求确定生产节拍；生产线线体规划布局；生产线生产调试试验；生产线能力综合评估；生产线优化；生产线投产，正式执行批量的生产任务。应用该方法可设计压气机叶片数字化生产线，实现压气机叶片全过程的自动化装卸、自动化加工、检测及磨抛，达到线内无人干预；解决了生产计划混线控制问题，可根据生产任务及订单，实现多种不同叶片同时加工。

Description

一种压气机叶片数字化全自动生产线设计方法

技术领域

本发明属于数字化制造技术领域，尤其适用于多品种、小批量的航空发动机压气机叶片零件混线生产线设计及应用。

背景技术

叶片零件是航空发动机的核心零件，压气机叶片更是发动机中对空气进行压缩的主要零部件，其制造品质直接影响发动机的服役性能和寿命。压气机叶片零件由于毛坯一致性差、工艺编排复杂、工序离散，其加工过程存在重复定位精度低、人为误差及生产节拍难以控制等问题，导致叶片零件加工精度差、效率低、废品率高，一直是航空制造业面临的瓶颈问题。

自动化生产线，是指由自动化机器体系实现产品工艺过程的一种组织形式。主要优势在于在大批量生产中采用自动化线能提高劳动生产效率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期，保证生产均衡性，有显著的经济效益。自动生产线在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。在食品饮料制造、塑料制品、芯片制造、电子电路板、汽车制造、电器制造等制造领域上的应用已经取得显著效果。但航空发动机产品工艺复杂、精度要求高、加工难度大、工序相对离散，其自动化生产线方案设计难度高、调试周期长，目前仅实现面向单一工序的自动化加工单元，尚未形成自动化生产线。

发明内容

为解决叶片从毛坯状态进入生产线后物流控制问题，实现无人工干预的物料传递、装卸装配、定位找正、加工、清洗、检验检测，本发明提供了一种压气机叶片数字化全自动生产线设计方法。该方法解决了生产计划混线控制问题，可根据生产任务及订单，实现多种不同叶片同时加工。同时解决了生产突发事件时产线停工问题，实现除产线正常维护停工外，任何单台设备停机，产线不停生产，为小批量离散式的制造提供了一种自动化解决方案。

本发明技术方案如下：

一种压气机叶片数字化全自动生产线设计方法，包括以下步骤：

①依据叶片设计结构要求，以双轴颈、橼板及叶身和微半径的叶肩圆弧的结构特点，确定叶片主要以铣削加工复合车加工的工艺为主要工艺过程，根据工艺过程选择具备五轴铣削复合车削功能的高精度数控加工中心为主要的机械加工设备，其它辅助设备包括清洗机、三坐标测量机、抛光机、激光打标机、热胀仪、对刀仪、读码器、平衡机；

②排除人因影响因素，确定工艺的自动化代替方案所需的存储及物流传送设备，包括塔式料仓、机器手和桁架导轨、自动装卸站、托盘库、机器手夹爪库、护栏、系统控制软件机；

③根据产品产能要求确定生产节拍，以T_produce表示每年实际生产时间，N表示每年零件需求数量，ω表示零件生产合格率，则生产节拍t_per的计算公式可以表达为：

以D_service表示生产线每年需要维护的天数，T_service表示每年服务的次数，t_up表示生产线服务前后启动关闭的时间，则每年生产线实际生产时间计算公式可以表达为：

T_produce＝(365-D_service)×24h-T_service×t_up

生产线维护包括每周调试1次，维护1天；每月额外调试1次，维护2天；每年单独调试1次，为期1天；每年维修天数、每年服务次数分别为：

每次服务前后，系统开关机时间t_up为24h，则生产线年运行总时间为：

T_produce＝(365-77)×24h-65×24h＝5352h

假设年叶片生产需求量为100000片，按照合格率ω为98.5％、每年实际生产时间T_produce为5352h计算，本发明所述生产线的生产节拍为：

④生产线线体规划布局，是对工艺过程所需的全部设备进行排布，依据最少量设备、物流转运距离最短、最低库存、最少排产的原则平衡生产线的产量，以设计线体布局；

所述生产线布局是否合理主要依据生产不平衡最大时间损失值进行衡量，通过对比生产节拍与单道工序的生产时间判断该工序是否为瓶颈环节；

假设某生产线有m道工序，第n道工序所消耗的标准时间为t_n(n＝1,2,3,Λ,m)，生产线节拍为t_per，则：

当t_n＞t_per时，表示第n道工序完成工作所需要的时间大于生产线节拍，则该工序为生产瓶颈环节；

当t_n＝t_per时，即本道工序加工所需要的时间刚好等于生产线的节拍，这种情况是最理想的状态；

当t_n＜t_per时，表示第n道工序在一个生产节拍内完成工作后，还会有一定的剩余时间，说明资源未被充分利用；

⑤生产线生产调试试验，在所有单台设备都满足技术条件要求时，开展组线联调试验工作，验证产线所有程序的正确性，保证所有指令与相应动作的协调统一，生产数据的实时记录与追溯；

⑥生产线能力综合评估，主要考量效率及成本响应程度以及产品技术规格响应程度；对产能指标、加工效率匹配指标、经济性指标、成本指标、交付周期、设备及软件、技术方案、服务保障具体指标进行评价；如满足生产规划要求则跳转到步骤⑧，如不满足生产规划要求则跳转步骤⑦；

⑦生产线优化，对生产线的设计规划进行仿真验证，针对仿真结果进行分析，而后对相应能力指标、生产设备参数、工艺方法、物流传递过程进行调整优化，优化后跳转到步骤⑤；

⑧生产线投产，正式执行批量的生产任务。

利用所述方法设计的压气机叶片数字化全自动生产线，设有线内设备和线外设备，线内设备主要用自动化生产，线外设备主要用于工具准备；

所述线内设备包括：叶片加工中心、塔式料仓、清洗机、机器手和导轨、自动装卸站、托盘库、机器手夹爪库、护栏、生产系统工控机、三坐标测量机、抛光机、激光打标机；

所述线外设备包括：热胀仪、对刀仪、平衡机。

(1)叶片加工中心

立式五轴叶片加工中心，主轴30,000rpm，配有双驱轴，4,000rpm，带车削功能，配备工件自动交换和托盘预选站。配备高精度测头、刀具识别芯片，主轴监控功能、高压内冷、冷却液恒温功能。所有叶片特征，包括圆柄、螺纹、型面、进排气边、叶根、叶冠、转接都在叶片加工中心上加工完成。

(2)塔式料仓

主要对叶片的毛料、成品、废品进行管理。料仓内配备了不同的叶片存放盘，以便存储不同型号的叶片。毛坯和成品在每层竖直放置。一旦叶片所有工序完成(铣削、车削、抛光、清洗、检测、打标)，机器手将成品叶片放回料仓指定位置，不允许有磕碰伤。

(3)清洗机

主要完成叶片在加工前和测量前清洗工件，保证叶片在测量和入库前的整洁。工件进出清洗机由机器手完成。清洗液净化后循环使用。

(4)机器手和导轨

主要负责对叶片和夹具以及叶片托盘进行传送。6轴机器手安装在顶部轨道上，可以沿整条单元移动。顶部轨道居中放置，机器手可以操作所有设备和料仓及装卸站。机器手可以配不同的夹爪，可以抓取托盘、毛坯、预加工或产品叶片。

(5)自动装卸站

用于夹具自动夹紧和松开。机器手手臂可将夹具和叶片放置于自动装卸站的装卸区域；装卸机构通过数字电机控制扭矩和速度，将叶片与夹具进行安装和卸载。

(6)托盘库

用于存放托盘，托盘用于所有机床、清洗机、三坐标测量机和抛光机。

(7)机器手夹爪库

用于存储机器手不同的夹爪，如抓取托盘夹爪、抓取毛坯夹爪和抓取成品叶片夹爪。

(8)护栏

主要用于与外界隔离，具备安全急停、权限管理、报警提示等功能。保护相关操作人员安全。

(9)生产系统工控机

上行控制订单生产周期排产，各种零件及工具储备与消耗，采集设备运行数据并存储对产品质量数据进行统计和分析；下行控制设备运行以及各种触发指令，生产系统工控机会按照实际订单需求生成全新的运动控制指令，并发送给线内各台设备，设备接受指令后就会按照程序自动运行。

主要分为上下行控制，上控制订单生产周期排产，各种零件及工具储备与消耗，采集设备运行数据并存储对产品质量数据进行统计和分析。下行控制设备运行以及各种触发指令，生产系统工控机会按照实际订单需求生成全新的运动控制指令，并发送给线内各台设备，设备接受指令后就会按照程序自动运行。

(10)三坐标测量机

三坐标测量机适用于车间环境，上面集成有光学测量头和托盘。测量时，三坐标测量机会同时测量环境温度和工件温度。采用两种专用的软件评估叶片，主要完成叶片叶形、进排气边、橼板等部位的尺寸和形位测量。测量机包含光学扫描头，叶片特征可以采用光学测量方式测量，并自动生成测量报告。

(11)抛光机

主要完成叶片的叶形、进排气边、橼板等部位抛光，抛光后表面粗糙度Ra 0.4。抛光机包含机器手，可以使用不同的磨具，可以进行无人值守加工。

(12)激光打标机

激光打标机，可以打数字、字母或二维码。

(13)热胀仪

主要用于刀具与刀柄加热，用于刀具装卸。

(14)对刀仪

对刀仪带有巴鲁夫读写功能，能够自动在刀柄上的芯片写刀具信息。

(15)平衡机

用于刀具装载完毕后的平衡测量。

生产线建成后已实现航空发动机多种静子叶片同时在线内全过程的自动化加工、检测及磨抛，实现生产运作的自适应控制，满足企业年产叶片产能要求、合格率达到90％以上。

和现有技术相比，本发明的优点及积极效果为：

本发明生产线属于线内无人值守的全自动线体，包含压气机制造工艺全部工序内容，从叶片的毛坯到成品叶片的输出，到测量结果数据的匹配全部融入在自动化线内。压气机叶片是锻造叶片，需机械加工部位较多，包含叶片双侧轴径，叶身，叶身双侧橼板以及叶身与橼板转接部位。整套生产线所需的设备数量以及设计过程也较为复杂。

目前该技术可以实现航空发动机压气机叶片无人工干预的物料传递、装卸装配、定位找正、加工、清洗、检验检测。实现多种不同叶片同时混线加工。实现除产线正常维护停工外，任何单台机械加工以及物料运送设备停机，产线不停生产。

建设压气机叶片数字化生产线，实现了提高劳动生产效率，稳定和提高产品质量，改善劳动条件，缩减生产占地面积，降低生产成本，缩短生产周期等目的，社会经济效益提升显著。

附图说明

图1为本发明生产线方案示意图；

图2为本发明生产线方案线框图。

附图标记：1、叶片加工中心，2、塔式料仓，3、清洗机，4、天轨式机器手，5、自动装卸站，6、托盘库，7、机器手夹爪库，8、护栏，9、生产系统工控机，10、三坐标测量机，11、抛光机，12、激光打标机，13、热胀仪，14、对刀仪，15、平衡机。

具体实施方式

实施例1

一种压气机叶片数字化全自动生产线设计方法，包括以下步骤：

①依据叶片设计结构要求，以双轴颈、橼板及叶身和微半径的叶肩圆弧的结构特点，确定叶片主要以铣削加工复合车加工的工艺为主要工艺过程，根据工艺过程选择具备五轴铣削复合车削功能的高精度数控加工中心为主要的机械加工设备，其它辅助设备包括清洗机、三坐标测量机、抛光机、激光打标机、热胀仪、对刀仪、读码器、平衡机；

②排除人因影响因素，确定工艺的自动化代替方案所需的存储及物流传送设备，包括塔式料仓、机器手和桁架导轨、自动装卸站、托盘库、机器手夹爪库、护栏、系统控制软件机；

③根据产品产能要求确定生产节拍，以T_produce表示每年实际生产时间，N表示每年零件需求数量，ω表示零件生产合格率，则生产节拍t_per的计算公式可以表达为：

以D_service表示生产线每年需要维护的天数，T_service表示每年服务的次数，t_up表示生产线服务前后启动关闭的时间，则每年生产线实际生产时间计算公式可以表达为：

T_produce＝(365-D_service)×24h-T_service×t_up

生产线维护包括每周调试1次，维护1天；每月额外调试1次，维护2天；每年单独调试1次，为期1天；每年维修天数、每年服务次数分别为：

每次服务前后，系统开关机时间t_up为24h，则生产线年运行总时间为：

T_produce＝(365-77)×24h-65×24h＝5352h

④生产线线体规划布局，是对工艺过程所需的全部设备进行排布，依据最少量设备、物流转运距离最短、最低库存、最少排产的原则平衡生产线的产量，以设计线体布局；

所述生产线布局是否合理主要依据生产不平衡最大时间损失值进行衡量，通过对比生产节拍与单道工序的生产时间判断该工序是否为瓶颈环节；

假设某生产线有m道工序，第n道工序所消耗的标准时间为t_n(n＝1,2,3,Λ,m)，生产线节拍为t_per，则：

当t_n＞t_per时，表示第n道工序完成工作所需要的时间大于生产线节拍，则该工序为生产瓶颈环节；

当t_n＝t_per时，即本道工序加工所需要的时间刚好等于生产线的节拍，这种情况是最理想的状态；

当t_n＜t_per时，表示第n道工序在一个生产节拍内完成工作后，还会有一定的剩余时间，说明资源未被充分利用；

⑤生产线生产调试试验，在所有单台设备都满足技术条件要求时，开展组线联调试验工作，验证产线所有程序的正确性，保证所有指令与相应动作的协调统一，生产数据的实时记录与追溯；

⑥生产线能力综合评估，主要考量效率及成本响应程度以及产品技术规格响应程度；对产能指标、加工效率匹配指标、经济性指标、成本指标、交付周期、设备及软件、技术方案、服务保障具体指标进行评价；如满足生产规划要求则跳转到步骤⑧，如不满足生产规划要求则跳转步骤⑦；

⑦生产线优化，对生产线的设计规划进行仿真验证，针对仿真结果进行分析，而后对相应能力指标、生产设备参数、工艺方法、物流传递过程进行调整优化，优化后跳转到步骤⑤；

⑧生产线投产，正式执行批量的生产任务。

实施例2

为满足5种航空发动机压气机叶片同时在线内全过程的自动化加工、检测及磨抛，实现生产运作的自适应控制，实现年产叶片3.5万片的产能要求、合格率达到90％的生产需求，自动化线体由7台叶片加工中心、2台机器人磨抛机、2台三坐标测量机、2台天轨式机器手、2套自动装卸站、1台塔式料仓、2套托盘库、1台生产系统工控机、1台数控激光打标机、1台热胀仪、1台动平衡机、1台对刀仪组成(如图1、2所示)。

整个产线自动化运动环节就是工件在工序间流转的过程，机器手对工件从料仓中的拾取、机器手对夹具从夹具站内的拾取、自动装卸站中工件与夹具装卸、机器手拾取带有工件的夹具与数控加工中心安装连接、数控加工中心自动拾取和安装带有夹具的工件、机器手拾取加工后的带有夹具的工件到自动装卸站更换夹具、机器手拾取加工后的带有夹具的工件到磨抛设备、机器手拾取加工后的带有夹具的工件到清洗设备、机器手拾取加工后的带有夹具的工件到检测设备、机器手拾取加工后的带有夹具的工件到成品入库等10个重点运动转换环节。

以单个叶片为例，其在产线中的运行过程分解如下：

(1)由天轨式机器手到机器手夹爪库拾取机器手夹抓；

(2)由天轨式机器手拾取塔式料仓中托盘至托盘库；

(3)由天轨式机器手到机器手夹爪库更换机器手夹抓(可同时拾取两套夹抓)；

(4)由天轨式机器手到天轨式机器手拾取夹具；

(5)由天轨式机器手将夹具放置于自动装卸站或托盘库；

(6)由天轨式机器手到托盘库托盘中拾取叶片毛料；

(7)由天轨式机器手将叶片放置于自动装卸站；

(8)由自动装卸站对叶片夹具进行装夹；

(9)由天轨式机器手将自动装卸站中带有叶片的夹具送入叶片加工中心中进行数控加工；

(10)由天轨式机器手将叶片加工中心中带有叶片的夹具取出，并送入自动装卸站进行叶片卸载；

(11)由天轨式机器手将叶片取下；

(12)由天轨式机器手将夹具送回托盘库，并拾取下道工序夹具；

(13)由天轨式机器手将夹具放置于自动装卸站；

(14)由天轨式机器手将叶片放置于自动装卸站；

(15)由自动装卸站对叶片夹具进行装夹；

(16)由天轨式机器手将自动装卸站中带有叶片的夹具送入叶片加工中心中进行第二次数控加工；

(17)由天轨式机器手将叶片加工中心中带有叶片的夹具取出，并送入机器人磨抛机进行叶片磨抛；

(18)由天轨式机器手将机器人磨抛机中带有叶片的夹具取出，并送入清洗机进行叶片清洗；

(19)由天轨式机器手将清洗机中带有叶片的夹具取出，并送入三坐标测量机进行叶片测量；

(20)由天轨式机器手将三坐标测量机中带有叶片的夹具取出，并送入自动装卸站进行叶片卸载；

(21)由天轨式机器手将叶片取下；

(22)由天轨式机器手将自动装卸站中夹具送回托盘库，并拾取下道工序夹具；

(23)由天轨式机器手将叶片放置于自动装卸站；

(24)由天轨式机器手将夹具放置于自动装卸站，并与叶片连接；

(25)由天轨式机器手将自动装卸站中带有叶片的夹具送入叶片加工中心中进行第三次数控加工；

(26)由天轨式机器手将叶片加工中心中带有叶片的夹具取出，并送入清洗机进行叶片清洗；

(27)由天轨式机器手将清洗机中带有叶片的夹具取出，并送入激光打标机进行打标；

(28)由天轨式机器手将激光打标机中带有叶片的夹具取出，并送入自动装卸站进行叶片卸载；

(29)由天轨式机器手将自动装卸站中卸载后的叶片，并送入托盘库缓冲区托盘的合格品区；

(30)由天轨式机器手将托盘库满载叶片的托盘送入塔式料仓完成入库

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压气机叶片数字化全自动生产线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

①依据叶片设计结构要求，以双轴颈、橼板及叶身和微半径的叶肩圆弧的结构特点，确定叶片主要以铣削加工复合车加工的工艺为主要工艺过程，根据工艺过程选择具备五轴铣削复合车削功能的高精度数控加工中心为主要的机械加工设备，其它辅助设备包括清洗机、三坐标测量机、抛光机、激光打标机、热胀仪、对刀仪、读码器、平衡机；

②排除人因影响因素，确定工艺的自动化代替方案所需的存储及物流传送设备，包括塔式料仓、机器手和桁架导轨、自动装卸站、托盘库、机器手夹爪库、护栏、系统控制软件机；

③根据产品产能要求确定生产节拍，以T_produce表示每年实际生产时间，N表示每年零件需求数量，ω表示零件生产合格率，则生产节拍t_per的计算公式可以表达为：

④生产线线体规划布局，是对工艺过程所需的全部设备进行排布，依据最少量设备、物流转运距离最短、最低库存、最少排产的原则平衡生产线的产量，以设计线体布局；

⑤生产线生产调试试验，在所有单台设备都满足技术条件要求时，开展组线联调试验工作，验证产线所有程序的正确性，保证所有指令与相应动作的协调统一，生产数据的实时记录与追溯；

⑥生产线能力综合评估，主要考量效率及成本响应程度以及产品技术规格响应程度；对产能指标、加工效率匹配指标、经济性指标、成本指标、交付周期、设备及软件、技术方案、服务保障具体指标进行评价；如满足生产规划要求则跳转到步骤⑧，如不满足生产规划要求则跳转步骤⑦；

⑦生产线优化，对生产线的设计规划进行仿真验证，针对仿真结果进行分析，而后对相应能力指标、生产设备参数、工艺方法、物流传递过程进行调整优化，优化后跳转到步骤⑤；

⑧生产线投产，正式执行批量的生产任务。

2.按照权利要求1所述压气机叶片数字化全自动生产线设计方法，其特征在于：步骤③中，以D_service表示生产线每年需要维护的天数，T_service表示每年服务的次数，t_up表示生产线服务前后启动关闭的时间，则每年生产线实际生产时间计算公式可以表达为：

T_produce＝(365-D_service)×24h-T_service×t_up

生产线维护包括每周调试1次，维护1天；每月额外调试1次，维护2天；每年单独调试1次，为期1天；每年维修天数、每年服务次数分别为：

每次服务前后，系统开关机时间t_up为24h，则生产线年运行总时间为：

T_produce＝(365-77)×24h-65×24h＝5352h。

3.按照权利要求1所述压气机叶片数字化全自动生产线设计方法，其特征在于：步骤④中，所述生产线布局是否合理主要依据生产不平衡最大时间损失值进行衡量，通过对比生产节拍与单道工序的生产时间判断该工序是否为瓶颈环节；

假设某生产线有m道工序，第n道工序所消耗的标准时间为t_n(n＝1,2,3,Λ,m)，生产线节拍为t_per，则：

当t_n＞t_per时，表示第n道工序完成工作所需要的时间大于生产线节拍，则该工序为生产瓶颈环节；

当t_n＝t_per时，即本道工序加工所需要的时间刚好等于生产线的节拍，这种情况是最理想的状态；

当t_n＜t_per时，表示第n道工序在一个生产节拍内完成工作后，还会有一定的剩余时间，说明资源未被充分利用。

4.一种采用权利要求1所述方法设计的压气机叶片数字化全自动生产线，其特征在于：所述生产线设有线内设备和线外设备，线内设备主要用自动化生产，线外设备主要用于工具准备；

所述线内设备包括：叶片加工中心、塔式料仓、清洗机、机器手和导轨、自动装卸站、托盘库、机器手夹爪库、护栏、生产系统工控机、三坐标测量机、抛光机、激光打标机；

所述线外设备包括：热胀仪、对刀仪、平衡机。

5.按照权利要求4所述压气机叶片数字化全自动生产线，其特征在于：所述叶片加工中心为立式五轴叶片加工中心，主轴30000rpm，配有双驱轴，4000rpm，带车削功能，配备工件自动交换和托盘预选站，配备高精度测头、刀具识别芯片，主轴监控功能、高压内冷、冷却液恒温功能；所有叶片特征，包括圆柄、螺纹、型面、进排气边、叶根、叶冠、转接都在叶片加工中心上加工完成。

6.按照权利要求4所述压气机叶片数字化全自动生产线，其特征在于：所述生产系统工控机分为上下行控制，上行控制订单生产周期排产，各种零件及工具储备与消耗，采集设备运行数据并存储对产品质量数据进行统计和分析；下行控制设备运行以及各种触发指令，生产系统工控机会按照实际订单需求生成全新的运动控制指令，并发送给线内各台设备，设备接受指令后就会按照程序自动运行。

Images