多品种变批量产品自动化生产线高效加工技术

以两条自动化生产线为基础，阐述了生产线加工中零件种类多状态复杂、单工序加工时间少、品种变换频繁及生产线运行节拍卡顿不流畅等情况，并分析导致数控机床利用率低、生产线效率低下的主要原因；基于制造痛点创新研究了多品种变批量产品在生产线高效加工技术，实现了自动化智能生产线的高效加工和设备利用率最大化，对于发展智能制造技术、构建自动生产线和落实智能制造在生产中的应用具有较好的参考价值。1

序言随着智能制造技术发展，传统制造业不断转型升级，自动化生产线建设愈加成熟，包括关节式机器人、物流叉车等RGV小车的使用越来越广泛，生产线所加工的对象呈现出批次多、品种多、结构复杂等特点，造成生产线和设备利用率低，零件加工效率低，现有生产线制造模式技术深度适应以上特点产品略显乏力。针对以上情况，本文围绕自动化生产线创新多项生产线核心技术，提出一种复杂程度各异产品的生产线加工方法，包括全自动无人干预、半自动、间歇性自动三种生产线运行模式和多工位多转台装夹技术；创新多合一工序设计技术，解决了单工序加工时间短暂类零件生产线加工效率低下难题；发明加工环境自动复位技术，攻克多批次零件首件无人干预难题。通过发明新技术，激发生产线综合效能。2

背景、目的及意义2.1研究背景随着数字化、智能化的逐步推广实施，市场竞争愈发激烈，传统制造行业正面临着巨大的机遇和挑战，迫切需要进行深刻的转型升级。

然而劳动力成本的上升、产品附加值的偏低、个性化消费需求的增长，这三方面问题正制约着我国制造业的转型升级。大规模定制充分利用企业现有的各种资源，借助现代设计方法、成组技术、信息技术和先进制造技术等，根据客户的个性化需求，以大批量生产的规模，提供定制化的产品和服务。同时离散型智能生产线拥有高超的制造柔性和灵活的工艺路线，能在数据基础上改善产品的制造工艺与质量检测，有助于提升管理者的决策效率，并能根据生产状况进行动态实时的排产决策[1]。因此在大规模定制模式下，建设更加高效、更加自主、更加精确和更加节能的离散型智能生产线将是未来我国制造业的破局之路。随着科学技术的发展，航空航天、汽车、造船及模具等工业领域，生产模式从大批量和单一品种渐渐演变成中小批量和多品种，零部件形状愈加复杂，对工艺技术要求越来越高，且一旦出现废品，损失难以估计，因此如何提升自动化加工技术，提升加工效率以及稳定产品质量，将显得尤为重要。2.2研究目的与意义

在航空航天产品发展过程中，出现了产品品种多、变批量、周期短、复杂程度高和零件状态更改频繁等特点，传统的单机离散加工已不能满足日益复杂多元化的航天零部件加工，在单机离散加工向智能化加工转变过程中，自动化生产线的深度应用成为了亟待解决的难题[1]。

自动化机械加工生产线一般是由多台数控机床、物流系统、调度系统、线下预调系统和在线测量系统组成，将生产线各项系统与产品加工深度融合，将会极大地提高零件自动化加工程度，大量降低人工劳动强度，稳定产品质量，保证生产周期。3

生产线加工的特点与难点自动化生产线加工具有生产效率高、人工操作少、灵活性强的特点。通过自动化、智能化技术，可以大幅提高生产效率，降低生产成本，提高企业的经济效益；对于一些重复性、危险性较高的工作，可大大减少人工操作，降低质量风险，提高安全生产；在生产任务复杂繁忙时，可以根据需求进行快速调整，提高企业核心竞争力。同时，自动化生产线加工的实施与生产线运行也存在诸多难点：一是在技术上需要自主研发，突破装配和软件技术的瓶颈，同时关注整个生态链中的核心技术；二是在管理上需要推动组织和管理的变革，以适应信息技术带来的管理变化；三是在智能化道路上需要引进系统工程、顶层设计，才有可能实现制造技术、信息技术和组织管理三者的深度融合。生产线布局示例如图1所示。图1生产线布局示例4

生产线加工新技术研究与应用4.1

生产线加工新技术研究

（1）混合运行模式设计

基于车间已有的多条机械加工生产线，通过对生产线调试、应用、总结和创新，设计出一套混合运行模式，包含全自动、半自动、间歇性自动三种模式。全自动运行模式是对工装、刀具、零点基准、夹紧位置和在线测量基准全部统一和固化，结合在线检测及自动补偿技术，实现产品全自动24h无人干预加工的加工模式。此种模式主要针对大批量常规零件上线加工。

半自动运行模式是对于复杂程度较高的批产零件，现有手段无法做到无人干预，需要人工少量干预的生产线加工模式。例如某零件加工过程中，圆柱销安装和拆卸等，需要程序暂停，依靠人工辅助参与，然后继续运行；但零件的线下装夹预调和中途自动测量等依然是自动实现。此种方式适用于复杂零件生产线模式的高效加工。间歇性自动运行模式，指在人工休息或者下班前，打开托板在线开关，当前程序执行结束后，自动执行提前下发的全自动运行产品任务，以应对研制与批产两大类零件的交叉排产。对于预研型号复杂零件，需要较多的人工干预，此种情况不利于生产线的的自动化运行，尤其是在中午和后半夜空余时间，会造成机床大量浪费，因此发明了间歇性自动运行模式。在复杂零件加工研制阶段，白天人工参与测量调整试切等任务，同时对全自动运行零件下单操作，在操作人员下班前点亮托板在线按钮，当舱体程序执行完毕后，自动启动白天下单任务，机床实现连续运行，设备利用率达到最大化。（2）多合一工序设计及多工位多转台装夹设计

部分零件单工序加工时间较少（＜0.5h），而工件的自动运输、托板交换等步骤频繁，占用总加工时间比重较高。因此，通过改变零件装夹方式，设计多工序工装，零件一次装夹完成多道工序加工，降低零件运输等辅助时间在总加工时间中的占比，提高零件的加工效率。对于批量较大、工序繁琐的零件，可以设计专用多工位工装，实现零件一

“锅”装夹即可完成所有工序内容加工。

（3）加工环境自动复位技术

对于批量大的零件，通常会分为多个批次排产，无法实现一次性全部排产。因此，在生产线模式运行中，每个批次的首件需要人工介入调试，并且存在一定质量风险，通过研究“加工环境自动复位技术”，编制零点赋值程序，对加工零点、加工基准、加工程序和加工刀具进行绑定。当下一个批次排产时，系统自动恢复上个批次的加工环境。自动化生产线设计优化思路如图2所示。

图2自动化生产线设计优化4.2

新技术的应用验证

间歇性自动运行模式，对批生产零件以及预研零件的交叉生产，生产线的设备利用率由47.09%提升至88.17%，提升效果明显，如图3所示。

图3生产线设备利用率对比

某零件的精加工包括正反两面的清根加工和端面精加工，通过多合一工序设计，设计了专用工装和专用加工程序，实现了正面、反面、端面精加工3道工序在机床内一次性完成，减少两次零件转运和入库出库时间，加工时间由183min降低至121min，效率提高了33%，设备运行更加连续，如图4、图5所示。

图4零件多合一工序设计及多工位装夹图5技术手段提升后设备利用率例如某框类零件，数铣工序有深腔、浅腔等4道工序，无法一次装夹完成，因此设计了多工位工装，实现零件续动加工，实现了框类零件4工位、3托盘的连续加工，每组加工时间为8h，利用3个转台刚好满足24h排产，集中了操作人员线下装夹时间，人工参与次数由4次降至1次，可实现一人3机。例如某前连接框零件批量大，一般分为多个批次生产且各批次投产往往不连续。借助“加工环境自动复位技术”，工艺人员编制了专用的零点赋值程序，在程序开头将所有偏置值清零，对应坐标系写入前连接框加工零点，然后采用测头精确设置零点，加工工装与托盘放置30～33号托位，加工刀具存放到刀库T36-T40中，主程序名固化为O5001，形成一套固化的加工环境，可供生产线系统随时调取。

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结束语本文通过分析自动化生产线加工中数控机床利用率低、生产线效率低的主要原因，总结出多项生产线核心技术，包括混合运行模式