姬學(xué)莊，高 劍，孫 晗

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.北京漢飛航空科技有限公司，北京 101307）

新一代信息技術(shù)正加速與制造業(yè)深度融合，以信息化和數(shù)字化方式驅(qū)動制造業(yè)產(chǎn)品、裝備、工藝、管理、服務(wù)的智能制造已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要發(fā)展方向[1]。當(dāng)前，我國航空發(fā)動機(jī)的智能制造推進(jìn)尚處于試點示范階段，亟須全面推進(jìn)數(shù)字化車間/生產(chǎn)線建設(shè)來大幅提升生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)周期、降低成本，以滿足航空發(fā)動機(jī)快速研發(fā)和高效低成本制造的要求。在此背景下，開展渦輪葉片氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線的探索研究與建設(shè)，解決渦輪葉片氣膜孔批量加工的“卡脖子”難題，實現(xiàn)渦輪葉片高效低成本制造，對于穩(wěn)步推進(jìn)航空發(fā)動機(jī)制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加速工業(yè)制造能力提升具有重要發(fā)展意義。

1 建設(shè)必要性分析

全球航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈面臨深度調(diào)整，未來新型航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的高技術(shù)、復(fù)雜化對傳統(tǒng)制造模式提出了新挑戰(zhàn)，同時，高效低成本制造已成為未來航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品制造的發(fā)展趨勢。具有復(fù)雜型腔結(jié)構(gòu)的渦輪葉片是新型航空發(fā)動機(jī)的核心部件之一，渦輪葉片擁有數(shù)量多、孔徑小、軸線方向不同的異形氣膜孔（圖1），氣膜孔加工質(zhì)量直接影響葉片的合格率、冷卻效率和工作壽命，加工難度極高、合格率低、難以批量制造是制約航空發(fā)動機(jī)批量生產(chǎn)的瓶頸[2–5]。傳統(tǒng)的渦輪葉片氣膜孔加工模式仍是以集群式布局為主體的粗放式制造模式，自動化程度低導(dǎo)致生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量低下，信息化程度低導(dǎo)致協(xié)調(diào)時間長、生產(chǎn)資源難以優(yōu)化配置，嚴(yán)重制約了渦輪葉片的批量化生產(chǎn)能力，亟須通過電加工數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)提升渦輪葉片的批量生產(chǎn)能力，解決制約航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域多年來的“卡脖子”難題。

圖1 航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片氣膜孔示意圖Fig.1 Schematic diagram of air film holes in aero-engine turbine blades

渦輪葉片氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)既需要突破氣膜孔加工的關(guān)鍵工藝技術(shù)，又需要突破數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)涉及的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口改造、快速換型、生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。通過研究近年來國內(nèi)外文獻(xiàn)，電火花打孔是目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的工藝成熟度高、低成本高效率的氣膜孔加工工藝方法，但電火花加工氣膜孔容易出現(xiàn)重熔層厚度超標(biāo)、微裂紋以及背壁損傷等問題，這些缺陷嚴(yán)重影響葉片的疲勞壽命[6–8]。同時，關(guān)于渦輪葉片氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)方面的文獻(xiàn)較少，但陳貴林等[9]提出了葉片數(shù)字化生產(chǎn)線“集成化、數(shù)字化、自動化、智能化”的“四化”建線原則。張森棠等[10]提出了數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)的兩條主線，一是以工藝為主線的工藝技術(shù)鏈，二是以運行為主線的加工技術(shù)鏈。張明德等[11]提出了數(shù)字化生產(chǎn)線實現(xiàn)的設(shè)備信息采集與監(jiān)控、數(shù)據(jù)建模以及智能調(diào)度算法等關(guān)鍵技術(shù)，為渦輪葉片氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)提供借鑒。

綜上所述，渦輪葉片氣膜孔加工的批量生產(chǎn)難題已成為制約航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一，迫切需要開展渦輪葉片氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線的技術(shù)研究與建設(shè)，實現(xiàn)多型號渦輪葉片共線批量生產(chǎn)，大幅提升渦輪葉片氣膜孔的加工效率和合格率，滿足航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片高質(zhì)量、低成本的制造要求。

2 建設(shè)思路

2.1 建設(shè)目標(biāo)

數(shù)字化生產(chǎn)線主要是解決制造數(shù)據(jù)的精確表達(dá)和數(shù)字量傳遞，實現(xiàn)加工模型的數(shù)字化、生產(chǎn)信息集成化、生產(chǎn)過程自動化及智能化等，使得生產(chǎn)過程呈現(xiàn)出“動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的智能化特征[12]，本文研究的數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)目標(biāo)是遵循自動化、數(shù)字化、集成化、智能化等特征，建設(shè)具備“24 h無人化生產(chǎn)”能力的氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線，實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片氣膜孔加工的多型號共線批量生產(chǎn)以及高效低成本制造。

2.2 生產(chǎn)線特征及解決方案

（1）生產(chǎn)過程自動化。指在生產(chǎn)線自動化物料轉(zhuǎn)運、加工以及自動化控制，主要包括零件型號自動識別、設(shè)備自動加工、自動物料轉(zhuǎn)運以及數(shù)據(jù)的自動采集與傳輸。生產(chǎn)線采用RFID芯片自動識別技術(shù)自動識別零件型號，并自動調(diào)用指令和數(shù)控程序；設(shè)備具備自動找正、加工、檢測及快速換型工裝，實現(xiàn)無人參與的自動化加工、換型；采用機(jī)器人進(jìn)行自動物料轉(zhuǎn)運，并應(yīng)用智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)各環(huán)節(jié)物流信息、制造數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)信息傳遞和交換。

（2）加工模型數(shù)字化。指將以數(shù)字化產(chǎn)品的三維模型作為單一數(shù)據(jù)源，進(jìn)行氣膜孔電加工的工藝設(shè)計、加工、檢測工裝設(shè)計制造。生產(chǎn)線采用三維數(shù)字化在線檢測技術(shù)，構(gòu)建基于實測數(shù)據(jù)的渦輪葉片三維數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)加工全過程的數(shù)字模型信息傳遞。

（3）生產(chǎn)信息集成化。指生產(chǎn)線的信息物理系統(tǒng)集成及信息系統(tǒng)間的集成，生產(chǎn)線采用RFID芯片及PLC集成技術(shù)實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與零件、設(shè)備的信息物理系統(tǒng)集成，采用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與工藝CAPP系統(tǒng)的集成，從而實現(xiàn)毛坯測量、生產(chǎn)加工、檢測、工裝、物料等生產(chǎn)信息的集成化管理。

（4）生產(chǎn)過程智能化。指運用先進(jìn)傳感器和裝置，實現(xiàn)“動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的智能化特征，生產(chǎn)線采用基于數(shù)字孿生技術(shù)的氣膜孔自適應(yīng)加工系統(tǒng)實現(xiàn)加工過程的智能化及差錯預(yù)防，提升渦輪葉片氣膜孔電加工的合格率。

2.3 組成及架構(gòu)

與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比，數(shù)字化生產(chǎn)線主要體現(xiàn)制造數(shù)據(jù)的自動采集、加工模型信息以及集成化管理，氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線組成及架構(gòu)如圖2所示，由資源層、控制層及用戶層3部分組成，資源層主要包括設(shè)備、工裝、機(jī)器人等生產(chǎn)線硬件以及數(shù)據(jù)采集裝置，硬件應(yīng)該開放數(shù)據(jù)接口并具有統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，支持異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制；控制層是生產(chǎn)線的中央控制單元，由交互系統(tǒng)、工藝參數(shù)庫、統(tǒng)一調(diào)度系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等共同形成智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，完成生產(chǎn)線加工任務(wù)分配、運行控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、零件狀態(tài)監(jiān)控等功能，統(tǒng)籌生產(chǎn)線無人化運行管控；用戶層是與ERP集成并通過人機(jī)交互界面導(dǎo)入生產(chǎn)線加工訂單及排產(chǎn)計劃，并實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)狀態(tài)的查詢，支持管理層的決策。

圖2 數(shù)字化生產(chǎn)線組成及架構(gòu)Fig.2 Digital production line composition and structure

3 關(guān)鍵技術(shù)難點及解決方案

實施智能生產(chǎn)線需要解決生產(chǎn)線規(guī)劃、工藝優(yōu)化、生產(chǎn)線智能管控、裝備智能化和生產(chǎn)線的智能維護(hù)保障等關(guān)鍵技術(shù)[13]。本文研究的渦輪葉片氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線重點需要解決自適應(yīng)加工系統(tǒng)、異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制、智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以及“24 h無人化生產(chǎn)”等關(guān)鍵技術(shù)難點。

3.1 自適應(yīng)加工系統(tǒng)

數(shù)字化生產(chǎn)線采用工藝成熟度較高的電火花打孔工藝方案，但需要對電火花打孔工藝易出現(xiàn)的重熔層厚、微裂紋、灼傷零件后壁等問題開展工藝攻關(guān)。針對重熔層厚、微裂紋問題，研發(fā)具有自適應(yīng)算法的自適應(yīng)加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)在每件渦輪葉片氣膜孔加工前，對每個渦輪葉片的零件形面進(jìn)行特征探測，建立基于零件實測數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生模型，與自適應(yīng)加工系統(tǒng)中的理論數(shù)學(xué)3D模型進(jìn)行多次擬合迭代計算，以達(dá)到最小擬合形面誤差并生成新的加工程序，對渦輪葉片的每個孔位獨立進(jìn)行五坐標(biāo)位置補償，確保即使每個零件存在形面誤差，打孔位置與型面的相對尺寸仍然正確，該自適應(yīng)系統(tǒng)有效解決了氣膜孔加工的重融層厚、微裂紋等問題；針對零件后壁灼傷問題，在設(shè)備上開發(fā)穿透智能化檢測功能，在氣膜孔加工過程中對電流、電壓、水壓、進(jìn)給速率、深度位置5項參數(shù)進(jìn)行實時檢測，再通過工業(yè)軟件對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷和預(yù)警，以保證在≤0.5 mm的型腔內(nèi)不灼傷零件后壁，并保證氣膜孔的出口孔徑符合技術(shù)要求，通過以上攻關(guān)，使氣膜孔加工合格率達(dá)到95%以上，顯著節(jié)約了成本。

3.2 異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)采集與控制

異構(gòu)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制是生產(chǎn)線建設(shè)的難題之一，由于設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)的廠家不同，會造成系統(tǒng)集成困難、數(shù)據(jù)傳輸壁壘以及接口開放不統(tǒng)一的問題。因此，本方案采購的設(shè)備、物料傳輸機(jī)器人及物料庫等均為同一廠家，避免了異構(gòu)設(shè)備集成的難題。

3.3 智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

數(shù)字化生產(chǎn)線的平穩(wěn)運行需要統(tǒng)一的智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，簡稱中央控制單元。本方案通過定制化開發(fā)智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并配合數(shù)控設(shè)備及各類傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置來完成生產(chǎn)線運行控制、節(jié)拍控制、訂單輸入、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、零件狀態(tài)監(jiān)控等功能。

3.4 “24 h無人化生產(chǎn)”能力

數(shù)字化生產(chǎn)線的“24 h無人化生產(chǎn)”需要解決多型號零件共線的快速換型、設(shè)備自動更換電極、物料庫存以及生產(chǎn)線無人干涉運行等問題。針對快速換型問題，采用帶有RFID芯片及重復(fù)定位精度達(dá)到0.005 ～ 0.008 mm的零點定位工裝 （圖3）進(jìn)行多型號零件快速換型及零件識別，實現(xiàn)多型號共線生產(chǎn)；針對自動更換電極問題，在設(shè)備上設(shè)計自動更換裝置實現(xiàn)自動更換電極絲，不僅降低了人力的消耗，而且提高了加工效率；采用兩個能夠存放24 h生產(chǎn)物料的上、下料庫解決物料庫存問題；針對生產(chǎn)線無人干涉運行問題，綜合集成應(yīng)用RFID芯片、零點定位工裝、物料庫、機(jī)器人自動轉(zhuǎn)運、智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等裝置和信息化系統(tǒng)，使數(shù)字化生產(chǎn)線具備多型號共線的“24 h無人化生產(chǎn)”能力。

圖3 零點定位工裝應(yīng)用示意圖Fig.3 Application diagram of zero positioning tooling

4 生產(chǎn)線建設(shè)步驟

生產(chǎn)線設(shè)計步驟一般包括確定產(chǎn)品對象及目標(biāo)、工藝方案及設(shè)備選型、設(shè)備數(shù)量計算、物料運輸系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)線布局設(shè)計與仿真、生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計及生產(chǎn)線集成運行7個步驟。

（1）確定產(chǎn)品對象及目標(biāo)。

數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計目標(biāo)至少應(yīng)包括產(chǎn)能、綜合效率、合格率等指標(biāo)，依據(jù)渦輪葉片氣膜孔電加工的生產(chǎn)特點以及型號加工需求，確定渦輪葉片氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線的設(shè)計目標(biāo)：生產(chǎn)能力為2000件/年，生產(chǎn)線綜合效率 （OEE）≥85%，一次交檢合格率≥95%，并具備10種型號產(chǎn)品共線的“24 h無人化生產(chǎn)”能力。

（2）工藝方案及設(shè)備選型。

依據(jù)數(shù)字化生產(chǎn)線的智能化特征要求，生產(chǎn)線采用以自動化、數(shù)字化裝備為支撐的工藝方案，通過工藝攻關(guān)解決了電火花打孔工藝引起的重熔層厚、微裂紋、零件后壁灼傷等問題，使一次交檢合格率≥95%，并選擇產(chǎn)量大、包含所有型號工藝特征的典型產(chǎn)品進(jìn)行工藝方案設(shè)計、工序時間測算及設(shè)備選型 （表1），數(shù)字化生產(chǎn)線加工的工序內(nèi)容為5 ～ 25工序，設(shè)備為多維數(shù)控測量設(shè)備和多軸數(shù)控電火花小孔機(jī)兩類設(shè)備。

（3）設(shè)備數(shù)量計算。

在生產(chǎn)線設(shè)計中，一般全年有效工作時間250天，每天雙班有效工作時間按14 h計算設(shè)備數(shù)量，以保證生產(chǎn)線綜合效率 （OEE）≥85%。依據(jù)表1來計算生產(chǎn)線所需的設(shè)備數(shù)量，計算公式如下。

表1 典型工藝方案及工序時間Table 1 Typical process plan and process time

多維數(shù)控測量機(jī)所需臺數(shù)：（年產(chǎn)能×工序時間）/單臺設(shè)備的年有效工作時間，即（ 2000×3.3 h）/（250×14 h）= 1.9臺，因此生產(chǎn)線選用兩臺多維數(shù)控測量設(shè)備。

多軸數(shù)控電火花小孔機(jī)所需臺數(shù)：（年產(chǎn)能×工序時間）/單臺設(shè)備的年有效工作時，即（2000×7.4 h） /（250×14 h）= 4.2臺，為保證生產(chǎn)線綜合效率，生產(chǎn)線選用4臺多軸數(shù)控電火花小孔機(jī)，產(chǎn)能略微不足可以通過加班彌補。

（4）物料運輸系統(tǒng)設(shè)計。

生產(chǎn)線物料運輸系統(tǒng)由上下料機(jī)器人和加工零件庫組成。生產(chǎn)線總長度約8 m，上下料機(jī)器人選用便于長距離移動的桁架機(jī)器人 （圖4），機(jī)械部分包括桁架地軌、旋轉(zhuǎn)軸基座單元、直線軸線臂、機(jī)械夾爪及無觸點檢測模塊等，控制部分包括下位控制機(jī)單元及上位顯示控制機(jī)單元。加工零件庫分為零件毛坯庫和零件成品庫，由多組庫架單元、運動旋轉(zhuǎn)軸單元及無觸點檢測模塊等組成，為滿足“24 h無人化生產(chǎn)”能力，每個零件庫設(shè)計存放10個零件。

圖4 上下料機(jī)器人示意圖Fig.4 Diagram of loading and unloading robot

（5）生產(chǎn)線布局設(shè)計與仿真。

數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)備包括多維數(shù)控測量設(shè)備兩臺、多軸數(shù)控電火花小孔機(jī)4臺、物料運輸系統(tǒng)一套、線邊零件庫兩套以及一套安全護(hù)欄。按照物流距離最短、占地面積最小的精益原則，生產(chǎn)線采用精益“U型”布局，并運用設(shè)備及裝置三維模型進(jìn)行了運行過程干涉仿真以及多型號產(chǎn)品的節(jié)拍仿真，最終確定數(shù)字化生產(chǎn)線布局圖，如圖5所示。

圖5 數(shù)字化生產(chǎn)線布局圖Fig.5 Digital production line layout diagram

（6）生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計。

生產(chǎn)線控制系統(tǒng)是由一套生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件和一臺中央數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成的智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，具有多設(shè)備互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、加工自動完成、工序自動流轉(zhuǎn)、工序節(jié)拍控制、自動物料傳遞等功能，實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與控制系統(tǒng)、物料與設(shè)備及控制系統(tǒng)等系統(tǒng)間的集成與信息交互，由智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理分發(fā)作業(yè)指令，并對各設(shè)備執(zhí)行狀態(tài)、執(zhí)行結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，將必要數(shù)據(jù)傳遞至下一道工序，完成生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)以及節(jié)拍控制。

（7）生產(chǎn)線集成運行。

數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)周期為10個月，設(shè)備采購到廠后，按照仿真過的生產(chǎn)線布局進(jìn)行設(shè)備調(diào)整，并開展設(shè)備與設(shè)備集成、設(shè)備與信息系統(tǒng)集成以及生產(chǎn)線試運行與驗收。生產(chǎn)線已經(jīng)過兩年的批產(chǎn)運行，完全滿足生產(chǎn)線規(guī)劃的設(shè)計目標(biāo)。

5 結(jié)論與展望

渦輪葉片氣膜孔電加工數(shù)字化生產(chǎn)線經(jīng)過兩年的運行和優(yōu)化，經(jīng)過5000余件零件的生產(chǎn)驗證，已實現(xiàn)10種以上型號產(chǎn)品共線的“24 h無人化生產(chǎn)”，各項技術(shù)指標(biāo)顯著提升。

（1）生產(chǎn)線已實現(xiàn)10種以上型號共線生產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)到2000件以上，一次交檢合格率達(dá)到99%，生產(chǎn)線綜合效率 （OEE）達(dá)到88%，各項指標(biāo)達(dá)到數(shù)字化生產(chǎn)線的設(shè)計目標(biāo)。

（2）生產(chǎn)線實現(xiàn)“24 h無人化生產(chǎn)”能力。通過智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)管理整個生產(chǎn)線，自動完成生產(chǎn)派工、加工節(jié)拍分配，自動調(diào)用夾具、刀具、程序，自動開展測量、自適應(yīng)加工和異常報警、SPC分析監(jiān)控、檢測報告等功能。

（3）基于自主知識產(chǎn)權(quán)的航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片電加工數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)打破了發(fā)達(dá)國家對航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片加工技術(shù)和先進(jìn)裝備的壟斷地位，解決了發(fā)動機(jī)渦輪葉片加工領(lǐng)域多年來的“卡脖子”難題，積累了專業(yè)化的建線經(jīng)驗，為電加工數(shù)字化生產(chǎn)線在航空領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必選題，數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用必將催生制造業(yè)生產(chǎn)組織模式和商業(yè)模式變革。未來，將規(guī)劃和建設(shè)渦輪葉片數(shù)字化車間，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛擬車間的資源數(shù)字孿生模型與物理實體車間的產(chǎn)品和生產(chǎn)設(shè)備集成，打通虛擬車間與物理實體車間的數(shù)據(jù)傳遞渠道，實現(xiàn)制造過程中ERP、MES等信息系統(tǒng)與設(shè)備和產(chǎn)品之間的信息交互，對整個制造過程進(jìn)行全面建模分析與優(yōu)化。同時，構(gòu)建基于渦輪葉片實測數(shù)據(jù)的全生命周期三維模型及數(shù)據(jù)包，支持開展航空發(fā)動機(jī)基于實測三維模型的裝配仿真和維修仿真，顯著提升航空發(fā)動機(jī)的裝配效率和產(chǎn)品質(zhì)量。