一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线及设计方法与流程

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线及设计方法。
背景技术：
：目前国内在叶身无余量叶片机械加工方面主要采取单机生产，设施规划按设备类型集中摆放原则布局。由于工艺方法分散、生产现场多产品物流交叉、重复现象严重，造成生产效率低。又由于叶片虽然总量很大，但品种繁多，传统型工装的调整依赖人工找正，占用时间长。专用设备上通常将工装固定不拆卸，这种方法存在的不足：一台专用设备最多只能固定安装1～2个专用工装，即只能加工1～2个工序，专用设备需求量高、设备利用率却很低，造成设备成本和生产面积的极大浪费。叶片制造过程中从工艺规程、数控加工程序到生产调度、质量检验，信息传递和交换依赖人工参与操作，纸质材料传递。导致处理问题时间长、增加不增值的协调等待时间和零件人工周转时间。目前该项技术属于国内首创，尚无相关技术发明专利及论文。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线及设计方法，解决了现有由于工艺方法分散、生产现场多产品物流交叉、重复现象严重，造成生产效率低的缺陷。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明提供的一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线的设计方法，包括以下步骤：第一步，选取技术成熟度八级以上的叶片加工工艺；第二步，根据选取的叶片加工工艺选取待加工的叶身无余量叶片；第三步，根据选取所得的叶身无余量叶片的型号和年产量建立叶片的年度产量直方图；第四步，根据所得的叶片年度产品直方图建立叶片p-q分析图；第五步，根据叶片p-q分析图，确定叶身无余量叶片的生产线布局类型；第六步，统计第二步选取所得的叶身无余量叶片的原有的加工工艺流程，并建立全工艺流程图；第七步，将第六步所得的全工艺流程图利用直接簇聚法dca进行生产工艺的划分，得到叶身无余量叶片新的工艺流程；第八步，根据第七步所得的叶身无余量叶片新的工艺流程确定生产线的作业单位，作业单位包括核心作业单位和辅助作业单位，其中，核心作业单位包括机械加工单元、装卸单元、检测单元、清洗单元和搬运单元；辅助作业单位为料库，料库包括毛料库单元、夹具库单元和半成品库单元；第九步，计算作业单元间的物流强度，得到作业单元间的物流强度等级分析表；第十步，根据第九步所得的作业单元间的物流强度等级分析表确定作业单元之间的相互位置关系；第十一步，计算各作业单元的占地面积；第十二步，根据第十步所得的各作业单元之间的相互位置关系和第十一步所得的各作业单元的面积，确定生产线的平面图设计。优选地，第五步中，该生产线的布局类型采用的是产品原则布置。优选地，第七步中所得的叶身无余量叶片新的工艺流程为：首先，将叶片从精锻毛坯件存放库取出，进行叶片产品的线内检测毛料工序，同时建立叶片产品的加工坐标系；接着，对检测过的叶片进排气边型面进行铣面，加工完成后，对叶片进行第一次清洗；接着，对第一次清洗完成后的叶片进行进排气边型面线内白光检验；接着，对检验后的叶片的叶尖和榫头型面进行铣面；接着，对铣面加工工序完成的叶片进行二维码标记，加工完成后，对叶片进行第二次清洗；接着，对第二次清洗完成后的叶片进行叶尖和榫头型面线内白光检验；接着，对检验完成后的叶片进行叶片整个型面的线内白光检验；最后，对加工完成后的叶片进行线外目视外观检查；同时，将检验不合格的产品出线。优选地，第八步中，机械加工单元的确定：根据叶片待加工叶片型面的特征及数量确定机械加工单元，具体地：待加工叶片型面的特征为三维结构以及待加工叶片型面的数量超过四个，则机械加工单元选用五坐标加工中心；装卸单元的确定：装卸单元为装卸站；检测单元的确定：检测单元为光学测量机；搬运单元的确定：搬运单元采用机器人；其中，各单元中设备数量的计算公式为：设备数量＝计划产量÷(负荷率×成品率×(1-故障率)×工作时间÷单件工时)。优选地，第九步中，绘制作业单元间的物流强度等级分析表的具体步骤如下：首先，计算叶身无余量叶片的机械加工过程中的金属利用率，接着，根据金属利用率计算出生产线中每类叶片中单个叶片的物流强度；接着，根据每类叶片中单个叶片的物流强度计算出单台零件随工艺流程过程产生的物流量即总物流量，接着，根据所得的产品总物流量得到作业单元间的物流强度等级分析表。优选地，第十步中，首先根据第九步中得到的作业单元间物流分析结果，得到新建生产线各作业单元物流相互关系图和新建生产线各作业单元非物流相互关系图；然后，将各作业单元物流相互关系图和各作业单元非物流相互关系图利用综合相互关系密切程度公式(2)，结合统计分析，计算得到该生产线作业单元综合相互关系图：trij＝mmrij+nnrij(2)其中，mrij为物流关系密切程度，nrij为非物流关系密切程度，m和n均为加权值，且m＝1、n＝1；接着，通过向物流强度等级赋值，计算每个作业单元与其他作业单元之间的关系密切程度总和，得到该作业单元的综合接近程度值；其中物流强度等级a＝4、物流强度等级e＝3、物流强度等级i＝2、物流强度等级o＝1、物流强度等级u＝0、物流强度等级x＝-1；最后，将所得的作业单元的综合接近程度值按从大到小的顺序排序，并将排序1布置在布置图的中心位置，同时以排序1为中心向布置图的边缘呈辐射状逐一布置其他作业单位，最终得到生产线各作业单元之间的相互位置关系图；其中，作业单位之间用线条连接，线条数量根据上述所得的该生产线作业单元综合相互关系图中的关系等级确定。优选地，各作业单元的面积stotal的计算公式为：stotal＝s1+s2(1)其中，s1为设备占据面积，s2为符合人体工程学的操作空间；设备占据面积s1的计算公式为：s1＝ns1'其中，s1'为原生产线同类型设备的外形尺寸，n为设备的数量。一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线，包括轨道，轨道的一侧设置有四个五坐标加工中心，两个相邻的五坐标加工中心之间设置有第一半成品库；轨道另一侧的中间位置布置有两个光学测量机，以光学测量机为中心，分别向两端延伸依次布置有清洗机、装卸站和第二半成品库，同时，清洗机和装卸站之间布置有第三半成品库。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线的设计方法，首先通过采集到的满足成熟度要求的叶身无余量叶片，根据其型号和年产量确定该生产线新的加工工艺流程，再根据确定的新的工艺流程确定生产线的作业单位，接着计算该生产线作业单位之间的物流强度，得到作业单位间的物流强度等级分析表，根据所得的物流强度等级分析表确定作业单位之间的相互位置关系，同时计算各作业单位的占地面积，最后根据所得的作业单位间的相互位置关系和占地面积，确定生产线的平面图设计。本发明在设计叶身无余量叶片机械加工自动化生产线的构型时，可以通过上述的步骤快速完成；该生产线的设计提前完成了物流的布局，可以实现物流不交叉、不重复，大幅提高生产效率；同时，通过对加工工序集中，减少专用设备需求量、提高设备利用率、节约生产面积。本发明还提供一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线进一步的，该生产线采用五轴联动数控加工技术、快换工装应用技术、非接触在线检测技术、自适应加工技术和机械手物流管控技术，该生产线利用信息化技术集成零件、刀具的数字式管理，自动优化生产节拍、最大限度减少人工参与其过程，将极大提高叶身无余量叶片生产效率和质量稳定性，它的建成将成为国内首条航空发动机精锻叶片数字化生产示范线，标志着叶片加工迈入数字化制造时代，实现了航空发动机叶片智能化制造的升级转变，对促进国防科技工业自主化、体系化、复合式发展具有重要示范价值。附图说明图1是自动化生产线结构图；图2是年度产量直方图；图3是p-q分析图；图4是叶片新的工艺流程；图5是新建生产线各作业单元物流相互关系图；图6是新建生产线各作业单元非物流相互关系图；图7是新建生产线作业单元综合相互关系图；图8是新建生产线各作业单元之间的相互位置关系图；其中，1、第一半成品库2、装卸站3、清洗机4、光学测量机5、五座标加工中心6、轨道7、第二半成品库8、第三半成品库9、机器人。具体实施方式下面结合附图，对本发明进一步详细说明。如图1所示，本发明提供的一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线，包括轨道6，轨道6的一侧设置有若干个五坐标加工中心5，两个相邻的五坐标加工中心5之间设置有第一半成品库1。轨道6另一侧的中间位置布置有两个光学测量机4，以光学测量机4为中心，分别向两端依次布置有清洗机3、装卸站2和第二半成品库7，同时，清洗机3和装卸站2之间布置有第三半成品库8。一种用于叶身无余量叶片机械加工自动化生产线的设计方法，包括以下步骤：第一步，数据收集及分析：首先，按照gjb7688《装备技术成熟度等级划分及定义》选取技术成熟度8级(含8级)以上的叶片加工工艺；然后，根据选取的成熟度8级(含8级)以上的叶片加工工艺选取待加工的叶身无余量叶片，本实施例中，选取的叶片分为五个型号，年产总量为四万余片；接着，根据所得的五个型号的叶片建立叶片的年度产量直方图(如图2所示)；接着，根据年度产量直方图建立叶片p-q(产品品种数目-产量)分析图(如图3所示)，所得的p-q分析图用于确定所述流水线的布局类型，所述布局类型包括产品原则布置、工艺原则布置、成组原则布置和定位布置；其中，如图3中，ⅰ区为单一或少品种大批量产品，宜采用产品原则布置；ⅳ区表示多品种小批量或单件生产，宜采用工艺原则布置；ⅱ和ⅲ区的产品品种和批量均中等，宜采用成组原则布置；本实施例采用的是产品原则布置。第二步，确定生产线的加工工艺流程：根据所得的五个型号的叶片原有的加工工艺建立全工艺流程图，将全工艺流程图利用singh和rajamani提出的直接簇聚法dca进行生产工艺的划分，得到五个型号叶片新的工艺流程，(如图4所示)，具体如下：首先，将叶片从精锻毛坯件存放库取出，进行叶片产品的线内检测毛料工序，同时建立叶片产品的加工坐标系；接着，对检测过的叶片进排气边型面进行铣面，加工完成后，对叶片进行第一次清洗；接着，对第一次清洗完成后的叶片进行进排气边型面线内白光检验；接着，对检验后的叶片的叶尖和榫头型面进行铣面；接着，对铣面加工工序完成的叶片进行二维码标记，加工完成后，对叶片进行第二次清洗；接着，对第二次清洗完成后的叶片进行叶尖和榫头型面线内白光检验；接着，对检验完成后的叶片进行叶片整个型面的线内白光检验；最后，对加工完成后的叶片进行线外目视外观检查；同时，将检验不合格的产品出线。在图4中，○表示加工工序，▽表示存储工序，□表示检验工序；其中，加工工序的注解如表1，存储工序注解如表2，检验工序注解如表3：表1加工工序注解序号工艺名称序号工艺名称1五坐标铣进排气边等型面3清洗2五坐标铣叶尖、榫头等型面4标记二维码表2存储工序注解序号工艺名称序号工艺名称1精锻毛坯件存放2半成品存放表3检验工序注解第三步，确定生产线的作业单位：根据叶片新的工艺流程图确定生产线的作业单位，作业单位包括核心作业单位和辅助作业单位；具体地：a、核心作业单位的确定，核心作业单位包括机械加工单元、装卸单元、检测单元、清洗单元和搬运单元，其中：机械加工单元的确定：根据叶片待加工叶片型面的特征及数量确定机械加工单元，具体地：待加工叶片型面的特征为三维结构以及待加工叶片型面的数量超过四个(含四个)，则机械加工单元选用五坐标加工中心5；装卸单元的确定：装卸单元为装卸站2；检测单元的确定：检测单元为光学测量机4；搬运单元的确定：搬运单元采用机器人9；其中，五坐标加工中心5、装卸站2、光学测量机4和机器人9数量的确定：需求数量＝计划产量÷(负荷率×成品率×(1-故障率)×工作时间÷单件工时)同时，每个装卸站2设置有三个工位；b、辅助作业单位的确定，辅助作业单位为料库，料库包括毛料库单元、夹具库单元和半成品库单元。第四步，计算各作业单元间的物流强度：首先，作业单元编码规则如下表所示：接着，计算叶身无余量叶片的机械加工过程中的金属利用率，本实施例为70％；接着，根据金属利用率计算出生产线中每类叶片中单个叶片的物流强度；本实施例中五种零件物流强度如下表：零件名称产品重量kg毛坯/半成品重量kg计划年产量10.2210.321056020.2060.29580830.3230.46809640.2750.391038450.1070.159504接着，根据每类叶片中单个叶片的物流强度计算出单台零件随工艺流程过程产生的物流量即产品总物流量，如下表所示：序号作业单元组物流强度序号作业单元组物流强度11-26.8175-48.2522-59.3985-67.7833-511.9795-76.3444-57.78105-978.0055-27.78116-57.7865-310.53128-4180其中，将加工工艺过程中，重复出现的工艺进行累加；接着，根据所得的产品总物流量得到如下表所示的物流强度等级分析表：第五步，作业单元相互位置关系的确定：a、根据第四步中得到的作业单元间物流分析结果，绘制得到如图5所示的新建生产线各作业单元物流相互关系图、如图6所示的新建生产线各作业单元非物流相互关系图；其中，a表示超高物流强度；e表示特高物流强度；i表示较大物流强度；o表示一般物流强度；u表示可忽略物流强度；x表示负相关；b、将各作业单元物流相互关系图和各作业单元非物流相互关系图利用综合相互关系密切程度公式(2)，结合统计分析，计算得到如图7所示的生产线作业单元综合相互关系图：trij＝mmrij+nnrij(2)其中，mrij为物流关系密切程度，nrij为非物流关系密切程度，m和n均为加权值，且m＝1、n＝1c、通过如下所示的综合接近程度计算表量化每个作业单元综合接近程度值，即每个作业单元与其他作业单元之间的关系密切程度总和，设a＝4、e＝3、i＝2、o＝1、u＝0、x＝-1；得到每个作业单元综合接近程度值，同时将所得的综合接近程度值按照从大到小的顺序进行编码排序：综合接近程度计算表d、根据上述所得的作业单位间的综合接近程度的排序，开始布置作业单位之间的位置，具体地：将排序1布置在布置图的中心位置，同时以排序1为中心向布置图的边缘呈辐射状逐一布置排序2、排序3、排序4、排序5、排序6、排序7、排序8和排序9作业单位；作业单位之间用线条连接，线条数量根据图7中的关系等级确定；在布置过程中应随时检查待布置作业单位与图中已布置的作业单位之间的关系密切等级，选择适当位置进行布置，出现矛盾时，应修改原有布置重新布置，直到效果最佳为止，最终得到生产线各作业单元之间的相互位置关系图，如图8所示；图8中的图例符号如下表所示，其中，以线条数量及长度来表示密切程度等级和位置距离，▽表示存储类单元，○表示加工类单元：作业单位相互关系等级及符号说明第六步，作业单元面积的计算：各作业单元的面积stotal的计算公式为：stotal＝s1+s2(1)其中，s1为设备占据面积，s2为符合人体工程学的操作空间；设备占据面积s1的计算公式为：s1＝ns1'其中，s1'为原生产线同类型设备的外形尺寸，n为设备的数量；同时，机器人9安装在轨道6上，所以机器人9的占地面积不计；第七步：作业单元的平面图设计：根据第五步所得的各作业单元之间的物流强度关系图以及第六步所得的各作业单元的面积，对作业单元的平面图进行设计，具体地：将两台机器人9分别布置在生产线轨道6的两端，提高设备利用率；将两台白光测量机4移到生产线中间位置，减少测量距离；将两个装卸站2分别布置在机械加工设备对面，减少物流距离，将两台清洗机分别安置在白光测量机4的侧面，减少物流距离；进行改进后的生产线叶片加工工艺时间由原来240分钟缩短为212分钟。本方法的优点：当设计叶身无余量叶片机械加工自动化生产线的构型时，可以通过上述的步骤快速完成。提前规划物流布局，可以实现物流不交叉、重复，大幅提高生产效率；启用无坐标加工中心5进行机械加工，实现了对工件姿态不再要求精确定位，节约装夹时间；通过对加工工序集中，减少专用设备需求量、提高设备利用率、节约生产面积；启用机器人9替代人工周转零件，使生产线更具柔性。当前第1页12