摘"要：針對航空發(fā)動機(jī)葉片氣膜孔電加工領(lǐng)域生產(chǎn)線自動化程度不高、生產(chǎn)效率較低的問題，對電加工智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)展開研究。基于葉片電加工的工藝特點，設(shè)計智能生產(chǎn)線的工藝流程及產(chǎn)線布局；根據(jù)所需功能要求設(shè)計產(chǎn)線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，并對控制原理及具體實現(xiàn)進(jìn)行研究，包括控制系統(tǒng)具體的產(chǎn)線控制流程及內(nèi)部控制機(jī)制，用以保證產(chǎn)線的穩(wěn)定運行。在模擬環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行驗證，研究結(jié)果表明：系統(tǒng)運行正常，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片的自動化加工。

關(guān)鍵詞：航發(fā)葉片；氣膜孔；電加工生產(chǎn)線；控制系統(tǒng)；產(chǎn)線調(diào)度

中圖分類號：TP273""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""文章編號：1671-5276（2024）02-0198-05

Research on Intelligent Production Line Control System of Electro Machining Film Cooling Hole

ZHAO Xiaomeng， JIANG Yi，WANG Shaohang

（School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Abstract：For low automation degree of production line and production inefficiency in present aero-engine blade film hole electric machining， this paper conducts reserch on intelligent electric machining production line control system. In line with the characteristics of blade machining process， the technological process of intelligent production line and production line layout are designed， and the general structure of the production line control system is schemed as required by functions， and the control principle and the concrete implementation including concrete production line control system control process and internal control mechanism are studied to ensure the stable operation of the production line. The system is simulated， which verifies that the system can runs normally and realize automatic processing of blades.

Keywords：aero engine blade；film cooling hole；EDM production line；control system；production line scheduling

0"引言

在航空發(fā)動機(jī)制造領(lǐng)域，葉片冷卻氣膜孔的加工質(zhì)量直接影響到發(fā)動機(jī)的核心性能，而氣膜孔孔徑小、數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求較高等特點也決定了其加工難度較大［1］。

電火花打孔是目前較為成熟的氣膜孔加工方法，在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛［2］。然而，目前國內(nèi)的氣膜孔電加工產(chǎn)線大多自動化程度不高，雖在單臺數(shù)控機(jī)床已經(jīng)實現(xiàn)了打孔工作的智能化，但是仍需要人工進(jìn)行上下料、參數(shù)設(shè)置等工作［3］，浪費大量人力資源。在實現(xiàn)基本自動化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，還需要保證多臺設(shè)備之間的信息交流以實現(xiàn)數(shù)字化，完成數(shù)據(jù)的集中存儲，便于生產(chǎn)后期大批量、長周期的生產(chǎn)管理工作［4］。

基于以上現(xiàn)狀，本文在設(shè)計航空發(fā)動機(jī)葉片氣膜孔電加工智能生產(chǎn)線布局組成的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)線控制系統(tǒng)架構(gòu)和控制軟件進(jìn)行設(shè)計和研究，實現(xiàn)自動上下料、加工過程自動化、數(shù)據(jù)集中管理的功能，完成車間信息化及智能化精益生產(chǎn)的目標(biāo)。

1"產(chǎn)線工藝流程及布局

針對航發(fā)葉片在鑄造過程中極易產(chǎn)生誤差這一特點，在加工氣膜孔前先對葉片進(jìn)行三維測量［5］，以光柵測量為主要技術(shù)手段，獲取葉片與標(biāo)準(zhǔn)模型之間的輪廓差值，并根據(jù)葉片具體的形位特征對加工程序做出有針對性的調(diào)整以保證單個葉片在加工過程中加工孔位的準(zhǔn)確性。氣膜孔的加工主要由電火花小孔機(jī)完成，葉片測量合格進(jìn)入小孔機(jī)后，機(jī)床根據(jù)葉片打孔工藝要求對加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并按照所測量葉片的具體形狀而調(diào)整好的加工程序進(jìn)行加工。除此之外，為了進(jìn)一步提升葉片冷卻效果，采用電火花成型工藝，在打好的氣膜孔處利用電火花成型機(jī)床加工一個簸箕形導(dǎo)氣型腔，在氣膜孔冷卻的基礎(chǔ)上，增大氣體流動，加速氣膜層的形成。加工工藝流程如圖1所示。

圖1"產(chǎn)線加工工藝流程

根據(jù)上述工藝流程對智能生產(chǎn)線的產(chǎn)線布局進(jìn)行設(shè)計，產(chǎn)線以工業(yè)機(jī)器人導(dǎo)軌為中線，各加工設(shè)備均勻分布于兩側(cè)。根據(jù)工序時長確定加工機(jī)床數(shù)量以保證整批工件在加工過程盡可能地減少等待時間，最終確定測量機(jī)數(shù)量為1，小孔機(jī)數(shù)量為4，成型機(jī)數(shù)量為2。除加工機(jī)床外，產(chǎn)線有輔助加工設(shè)備，上料機(jī)與下料機(jī)合并組成輸送機(jī)，前后端設(shè)有電眼檢測，自動進(jìn)退位實現(xiàn)自動上下料；工業(yè)機(jī)器人搭配行走軸完成工件的線內(nèi)轉(zhuǎn)運［6］；引入RFID技術(shù)，實現(xiàn)加工過程中工件的追蹤，方便后續(xù)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸，同時降低后期數(shù)據(jù)存儲難度，實現(xiàn)加工過程追溯［7］。產(chǎn)線布局如圖2所示。

2"系統(tǒng)總體控制方案

2.1"控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文所研究智能產(chǎn)線非簡單串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中存在機(jī)床并聯(lián)的情況，使用傳統(tǒng)的簡單流程控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文引入排產(chǎn)算法，對資源調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，控制系統(tǒng)只需根據(jù)排產(chǎn)得到的生產(chǎn)計劃對生產(chǎn)進(jìn)行安排加工即可。

葉片氣膜孔電加工智能產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。工控上位機(jī)主要用于對產(chǎn)線整體流程進(jìn)行調(diào)度，先從車間管理層的WMS（倉儲管理系統(tǒng)）或MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）獲取產(chǎn)線訂單，然后對單批訂單的加工過程進(jìn)行排產(chǎn)，最后根據(jù)排產(chǎn)計劃對產(chǎn)線資源進(jìn)行調(diào)度并完成加工。計劃的具體執(zhí)行主要由下位機(jī)PLC進(jìn)行，選用西門子S7-1200PLC，通過西門子S7協(xié)議與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收工控機(jī)的控制指令并作為主站，通過TCP/IP協(xié)議與機(jī)床、機(jī)器人等設(shè)備通信［8］，將命令下發(fā)，控制機(jī)床設(shè)備完成指定動作。

控制系統(tǒng)在實現(xiàn)基本自動化功能外，還需實現(xiàn)產(chǎn)線的信息化。本系統(tǒng)搭建MySQL數(shù)據(jù)庫對產(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，分設(shè)產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)庫、管理數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫在產(chǎn)線加工過程中進(jìn)行更新，包括產(chǎn)線當(dāng)前進(jìn)程、工件當(dāng)前位置等信息。該數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)時效性高，有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生后會執(zhí)行覆蓋。管理數(shù)據(jù)庫也可以稱為歷史數(shù)據(jù)庫，主要用于記錄產(chǎn)線及設(shè)備運行情況、歷史工件加工情況等，便于后期實現(xiàn)加工過程追溯。

2.2"系統(tǒng)控制原理

本文所設(shè)計控制系統(tǒng)默認(rèn)自動模式下運行，系統(tǒng)獲得訂單任務(wù)后，對排產(chǎn)所需參數(shù)（算法初始化參數(shù)、訂單數(shù)量、各工件加工時長等）進(jìn)行設(shè)置，調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的排產(chǎn)函數(shù)對加工計劃進(jìn)行計算并將計算結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終輸出控制指令下發(fā)至PLC，由PLC具體控制機(jī)床設(shè)備完成指定命令，實現(xiàn)產(chǎn)線的自動化運行。

上文所述計算結(jié)果為工件在產(chǎn)線內(nèi)部轉(zhuǎn)運、加工的具體起止時間點，以矩陣的形式表示，包括工件加工時間（相對時間）、機(jī)器人搬運時間、工件進(jìn)出緩存區(qū)時間。 以工件加工時間為例，矩陣如圖4所示，縱軸表示工件，一行即為一個工件在各個機(jī)床上的加工時間信息；橫軸則表示機(jī)床，從左至右依次為測量機(jī)、4臺電火花小孔機(jī)、2臺電火花成型機(jī)，每臺機(jī)床的信息占兩列，左側(cè)數(shù)值為該工件在該機(jī)床上的計劃加工開始時間，右側(cè)則為預(yù)計加工結(jié)束時間。機(jī)器人搬運時間與工件進(jìn)出緩存時間與工件加工時間矩陣結(jié)構(gòu)類似。

控制系統(tǒng)根據(jù)上述時間點即可獲得工件在各工序的加工位置（機(jī)床序號）、在各機(jī)床的加工起止時間、機(jī)器人的工作流程等信息，利用這些信息可在指定時間點觸發(fā)機(jī)器人的動作，獲取機(jī)器人搬運工件ID、起始位置、目標(biāo)位置并判斷起止位置狀態(tài)是否具備搬運條件，待工件安裝完畢，給機(jī)床信號觸發(fā)機(jī)床加工線程。循環(huán)此過程即可完成工件的完整加工。

3"控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件部分包括下位機(jī)PLC程序以及上位機(jī)控制軟件程序。PLC程序使用TIA Portal16進(jìn)行編寫，主要用于獲取機(jī)床設(shè)備的運行數(shù)據(jù)并將上位機(jī)控制指令下發(fā)至機(jī)床設(shè)備；上位機(jī)控制軟件利用C#語言在Visual Studio2019平臺進(jìn)行開發(fā)，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)線控制邏輯的編寫以及生產(chǎn)線狀態(tài)的實時監(jiān)控，同時在控制過程中對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進(jìn)行更新與修改［9］。

3.1"PLC程序設(shè)計

PLC程序結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要分為兩部分：設(shè)備信息獲取和指令傳達(dá)。利用西門子功能塊（FC）編寫PLC控制程序的子程序，F(xiàn)C_READ負(fù)責(zé)讀取各機(jī)床設(shè)備的實時狀態(tài)信息，存于機(jī)床對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)以供上位機(jī)查詢；FC_WRITE負(fù)責(zé)編寫機(jī)床設(shè)備的控制程序，與上位機(jī)搭配對機(jī)床進(jìn)行控制，例如對機(jī)床的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、開啟或關(guān)閉機(jī)床設(shè)備的某項功能。子程序均在主程序OB1中進(jìn)行調(diào)用，循環(huán)執(zhí)行，實時更新存儲區(qū)的數(shù)據(jù)。

PLC程序的數(shù)據(jù)存儲區(qū)由DB塊組成，可分為兩大類：存放設(shè)備實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊DB_READ與存放上位機(jī)寫入命令的數(shù)據(jù)塊DB_WRITE。上位機(jī)向DB_WRITE中寫入數(shù)據(jù)，觸發(fā)PLC中相應(yīng)的控制指令，使得機(jī)床執(zhí)行指定的動作，同時從DB_READ中獲取機(jī)床設(shè)備的實時狀態(tài)信息，支撐系統(tǒng)的監(jiān)控功能并逐步推動加工進(jìn)程。

3.2"上位機(jī)控制程序設(shè)計

1）上位機(jī)總體流程控制

上位機(jī)控制軟件所涉及生產(chǎn)計劃的時間數(shù)據(jù)由排產(chǎn)程序給出。該程序為MATLAB代碼，故上位機(jī)軟件部分采用C#語言與MATLAB混合編程的方式進(jìn)行開發(fā)。

控制系統(tǒng)的調(diào)度流程如圖6所示。在自動化加工前進(jìn)行首次排產(chǎn)，獲得初始排產(chǎn)結(jié)果，根據(jù)該結(jié)果獲得產(chǎn)線加工一系列以時間為標(biāo)志的工件轉(zhuǎn)運計劃列表。控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定時器，從計劃列表確定后開始啟動，按照當(dāng)前時間執(zhí)行對應(yīng)工件轉(zhuǎn)運任務(wù)，待工件轉(zhuǎn)運至目標(biāo)位置并安裝完成后，即可開始進(jìn)行單道工序的加工生產(chǎn)。若在加工過程中觸發(fā)重排產(chǎn)，則暫停定時器，設(shè)置參數(shù)后調(diào)用重排產(chǎn)函數(shù)，待排產(chǎn)結(jié)果更新后，重啟定時器。此時，產(chǎn)線即按照新的生產(chǎn)計劃進(jìn)行加工。

以下是需要觸發(fā)重排產(chǎn)的情況：①有新的工單進(jìn)入，優(yōu)先級高于當(dāng)前正在加工的工件；②某臺機(jī)床出現(xiàn)故障，不具備繼續(xù)加工條件；③機(jī)器人接收到搬運指令，但起始位置機(jī)床加工未結(jié)束；④加工超時機(jī)床非故障原因?qū)е鲁瑫r，加工完成后需要將其重新加入排產(chǎn)中。

2）上位機(jī)單機(jī)流程控制

生產(chǎn)計劃對產(chǎn)線整體流程進(jìn)行控制，但只對大方向動作的時間做出規(guī)定，具體實現(xiàn)流程由上位機(jī)進(jìn)行編寫。以某次機(jī)器人搬運工件為例，生產(chǎn)計劃僅在t時刻告知上位機(jī)，此時機(jī)器人應(yīng)將工件x由測量機(jī)運送至小孔機(jī)1，上位機(jī)需要根據(jù)該命令調(diào)用相關(guān)功能函數(shù)（機(jī)器人位置移動、姿態(tài)變換等），完成相關(guān)的一系列動作。

由于機(jī)床加工任務(wù)與機(jī)器人下一次搬運任務(wù)同時進(jìn)行，故本文利用多線程對產(chǎn)線任務(wù)進(jìn)行分配，將機(jī)床加工放置在子線程中進(jìn)行，主線程用于循環(huán)判斷生產(chǎn)計劃命令列表，執(zhí)行機(jī)器人搬運任務(wù)指令。待搬運任務(wù)的加工工件安裝完畢后，開啟機(jī)床加工線程，加工完成后，將該線程掛起，等待下一次加工任務(wù)后再開啟，如此可以使得整條產(chǎn)線的運行不發(fā)生沖突，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3"人機(jī)界面設(shè)計及實現(xiàn)

產(chǎn)線默認(rèn)自動模式下運行，主界面有啟停按鈕，留有參數(shù)設(shè)置接口，允許在加工過程中對機(jī)床進(jìn)行參數(shù)修改。主界面如圖7所示。 圖中右下部分所示為主監(jiān)控界面，主要用于對產(chǎn)線各組成部分的當(dāng)前狀態(tài)信息進(jìn)行簡要展示。除總監(jiān)控界面外，系統(tǒng)分設(shè)單機(jī)狀態(tài)的詳細(xì)顯示界面，可通過單擊主監(jiān)控界面中設(shè)備名稱查看。

4"系統(tǒng)運行驗證

為了驗證本文所設(shè)計控制系統(tǒng)的功能，結(jié)合已有PLC等硬件設(shè)備搭建模擬環(huán)境對控制系統(tǒng)進(jìn)行測試運行。在控制軟件中下達(dá)任務(wù)訂單后，啟動系統(tǒng)開始運行，各工件的加工進(jìn)度如圖8所示。根據(jù)機(jī)床模擬軟件的加工響應(yīng)動作可證明，系統(tǒng)的控制指令能夠完整無誤下發(fā)至底層物理設(shè)備。而由監(jiān)控界面可以看出，系統(tǒng)運行良好，已實現(xiàn)工件的自動化加工。由此證明，系統(tǒng)對于訂單的生產(chǎn)流程控制無誤。

在實現(xiàn)基本自動化控制功能后，對系統(tǒng)的故障處理功能進(jìn)行驗證。在機(jī)床模擬軟件中設(shè)置故障點，假設(shè)在產(chǎn)線運行13min時，小孔機(jī)床2出現(xiàn)故障，此時系統(tǒng)對生產(chǎn)計劃重新計算，變更后的系統(tǒng)加工進(jìn)度如圖9所示。由圖可以看出，加工計劃已更新，故障機(jī)床未被排產(chǎn)，且故障機(jī)床所裝載的未完成工件未進(jìn)入后續(xù)機(jī)床加工。由此可以證明，系統(tǒng)對于特殊情況具備處理能力，能夠?qū)ιa(chǎn)計劃進(jìn)行更新并繼續(xù)進(jìn)行加工。

在模擬生產(chǎn)的連續(xù)工作過程中，本系統(tǒng)運行良好，能夠連續(xù)完成單批訂單工件的生產(chǎn)，故可以有效用于葉片氣膜孔電加工的實際產(chǎn)線生產(chǎn)中。

5"結(jié)語

本文根據(jù)航空發(fā)動機(jī)葉片氣膜孔的電加工工藝流程要求搭建了電加工智能產(chǎn)線，對控制結(jié)構(gòu)和控制原理進(jìn)行分析，確定數(shù)據(jù)傳輸及存儲的方式，設(shè)計了產(chǎn)線控制系統(tǒng)并對其進(jìn)行了實現(xiàn)。該控制系統(tǒng)主要通過對排產(chǎn)計劃的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，獲取產(chǎn)線訂單生產(chǎn)的命令列表并結(jié)合控制系統(tǒng)的具體執(zhí)行流程完成產(chǎn)線的調(diào)度工作。試驗驗證表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠代替產(chǎn)線原有人工部分，在保證精度的前提下，實現(xiàn)產(chǎn)線的信息化及自動化，一定程度上提高了生產(chǎn)效率。

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收稿日期：20220920