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數控機床應用基礎與增效途徑
閱讀：689 發布時間：2014-8-23
數控機床適用于多品種、小批量、形狀復雜、精度要求嚴格的零件制造。國內自20世紀80年代起即步入了數控機床及相關技術的廣泛應用階段，經過近30年的應用實踐，數控機床已經逐漸成為各行業產品制造的主要技術手段，形成了各具特色的產品生產線，生產制造觀念和思維模式得到了根本改變和提升。在數控機床快速普及、高速加工技術逐步廣泛應用的今天，數控機床已經成為型號產品研制過程中的關鍵技術手段之一，其應用水平已經直接關系到產品的穩定生產和及時交付。切削加工是航空產品制造過程中工作量zui大的專業之一，也是數控機床的主要應用領域。近年來，航空制造企業在相繼引進多種類型、數量不等的數控機床的同時，也配備了層次不同的數控車間所必須的軟件工具，大大提升了企業的制造水平。從發展過程看，航空產品關鍵零件的切削加工經歷了2個轉折、跨越了4個臺階，即從普通加工到數控加工、從低速到高速加工的轉折；數控機床主軸的額定轉速跨越了6000r/min、12000r/min、18000r/min、24000r/min四個臺階。
數控機床的配備和應用主要是隨著航空產品研制與生產的需求而進行的，由于產品生產周期緊、任務重，數控機床的應用一直是處于邊生產、邊摸索的狀態，絕大多數的企業為保證生產任務周期，在數控機床功能充分應用、工藝過程優化、切削參數合理選擇等方面無暇投入較大的精力，造成數控機床利用效率偏低、零件加工周期較長。數控機床的應用狀態在不同企業之間存在著較大的差異，有些企業通過信息化建設工程在少量典型件生產線初步應用了DNC技術和MES系統，但大多數情況下，數控設備處于單機運行狀態。隨著產品類型和生產批量的增加，工藝數據、生產過程的管理日趨復雜，工藝數據準備、作業計劃管理、生產線現場信息傳送與獲取難度增加，造成數控機床的整體效率難以充分發揮，生產線現場運行效率難以及時滿足產品交付周期需求。制約產品交付周期的主要問題通常表現為：①數控工藝技術水平限制著數控機床能力的發揮和生產能力的提升；②數控機床功能利用程度及應用方式影響著數控機床的使用效能；③數控車間集成技術應用程度制約著數控機床規模效應的發揮。上述這些制約因素導致航空制造企業數控機床利用率偏低、產品制造周期長、生產成本高、批生產能力低。
數控機床應用的技術基礎與主要環節
數控機床應用涉及的基礎是數控工藝技術。現階段人們提及的數控工藝，在狹義上是指數控切削加工工藝。概括起來講，數控工藝技術是以切削加工技術為核心，應用計算機輔助設計制造軟件工具、數控機床以及數控測量設備等完成工藝設計、數控程序編制、工件加工、尺寸測量等工作過程的方法、數據、文件等的集合，它涉及知識集（切削原理、數學計算方法、軟件技術基礎）、資源集（軟件工具和數據庫、工裝工具與儀器）、數據集（工藝文件、數控程序）[1]。上述這些技術與工具是數控機床應用的主要技術基礎和基本條件。數控機床應用主要涉及工藝數據準備、數控加工在線控制、數控車間或生產線系統集成、數控加工成本控制4個環節。
（1）工藝數據準備。
工藝數據包括工藝規程、數控程序、測量指令等。其中，數控程序是數控機床運行的直接數據。復雜零件的數控程序設計流程主要包括數模分析（結合設計圖紙，分析型面特點、精度要求、初步確定加工走刀方式等，并完成工藝規程設計）、編程準備（定義毛坯、加工區邊界、刀具數據、程序命名等）、程序編制（選擇合適的加工方法，給定進刀、走刀、退刀方式及其工藝參數，生成刀具運動軌跡）、模擬檢查（參照工件CAD模型檢查刀具運動軌跡的正確性，對刀具軌跡中出現的位置突變、過切或欠切、運動軌跡異常等進行處理與修正）、后置處理（將刀位軌跡數據轉換為數控機床可接受的數控指令代碼）、現場加工這樣幾個過程。
工藝數據準備過程有兩個關鍵技術：工藝優化和數控加工仿真。工藝優化包括切削參數優化、工藝路線優化設計、加工變形控制。切削參數優化主要是以提高單位時間金屬去除率和保證加工質量為目標，選擇和確定合理的工藝參數，通常通過切削試驗、工藝系統穩定性分析計算和典型驗證試驗獲得；加工變形控制是借助數值分析、經驗積累、工藝系統動態特性分析控制等滿足工件的加工精度要求；工藝路線優化則以降低制造成本、減少非加工時間為目標，對工件的加工過程進行精化設計。
數控加工仿真是在計算機上模擬刀具運動、切削加工過程，包括幾何仿真、物理仿真、加工過程仿真。幾何仿真是基于理想幾何圖形通過數學計算來檢驗數控程序是否正確，不考慮切削參數、切削力等因素對切削加工的影響，如刀位軌跡檢查、數控程序仿真檢查；物理仿真將整個工藝系統或部分工藝系統元素視為彈塑性實體，對物理特性及其變化特征進行模擬，如切削加工中刀具受力變形、工件受力變形、加工振動分析等；加工過程仿真是將幾何形體與物理性質的變化集成在一起，對加工過程（工序、工步及其具體加工狀態和結果）進行較為真實模擬的一種仿真形式。目前幾何仿真技術已經比較成熟，在數控程序設計中應用較為廣泛，而其他兩種仿真主要在工藝研究中有初步應用，能夠提供給生產現場應用的成熟產品很少。
（2）數控加工在線控制。
數控機床的應用過程中有大量的數據需要傳送和管理，這些數據包括數控程序、刀具裝調數據、工件定位調整數據、加工狀態監測、設備故障信息等。當數控機床作為獨立設備使用時，這些數據只能通過人工進行組織和管理，不僅效率低下，而且易于產生錯誤，嚴重制約數控機床的有效運行；數控機床集成組成生產線時，數據傳輸與管理不僅包括上述數據，還包括作業指令、資源配置、運行狀態等數據，更需要對數據的有效組織。數控加工在線控制主要包括網絡化連接、自適應控制、生產線運行管理。
網絡化連接是通過串/并行接口、網絡接口、嵌入式模塊等實現數控機床與上層控制計算機的連接，為數據傳輸、機床運行狀態采集、加工狀態監測等提供支持，也為數控機床集成化連接運行提供支持。應注意的是，只有通過采集數控機床控制系統的I/O信號才能真正實時反映機床的運行狀態，這是實現制造過程工況監測、設備工況診斷與故障診斷的基礎，因此數控機床運行時應能夠及時監測到這些I/O信號，以對加工過程實現有效控制[2]。自適應控制在工件加工過程中監測某些物理量（如切削功率、切削扭矩），根據切削實際情況按設定的規則實時調整程序設定的切削參數，使切削在相對穩定的狀態下進行，目前已有少量的商品化系統提供了基本的調整與控制功能。
生產線運行管理主要是作業計劃的建立與發送、生產過程跟蹤、制造數據管理。目前大家關注較多的是制造執行系統（MES），實現了生產線運行的正向管理功能，即以作業下達、生產執行這樣的順序運行，但MES在國內的應用尚處于研究、試用階段。
（3）數控車間或生產線系統集成。
目前航空產品都已經采用計算機進行設計，可以向生產現場提供設計圖紙和數字化模型，為數字化制造的實現提供了基本條件。數控車間或生產線系統集成是在網絡化環境與在線控制下，將獨立的數控設備組成生產系統，對生產過程所涉及的制造數據進行集成化管理和控制，以實現信息流、物質流、能量流的協調運轉。針對車間層次的數控機床應用，系統集成涉及較為廣泛的基礎技術和環境建設，其重點是集成的工藝數據準備平臺、生產作業計劃與運行管理、制造資源的及時配送和數控設備運行狀態的實時統計。集成的工藝數據準備平臺主要功能是根據產品設計模型，完成零件工藝規程設計、數控加工程序設計、檢驗程序設計、工裝設計要求等，按生產現場質量體系要求生成有關工藝文件。
生產作業計劃與運行管理主要是根據生產計劃編制車間的班次作業計劃，使數控機床及有關生產資源均衡協調工作，對生產運行過程的數據、工件、在用資源進行有效管理。MES是實現生產作業計劃與運行管理的主要工具。制造資源的及時配送是消除數控機床停工、保證車間生產線有效運行的基礎，基本原則是在需要的時間將需要的資源送達現場。制造資源包括加工需要的數據、工裝、工件及輔助物資等。數控設備運行狀態的實時統計是以網絡化連接為基礎，對加工過程進行跟蹤，對設備的有效運行狀態進行統計，為生產狀態監控、質量控制和生產效率評估提供基礎數據。
（4）數控加工成本控制。
生產費用通常包括：（a）材料費用C材；（b）機床費用C機；（c）工資費用C工；（d）換刀費用C 換；（e）刀具費用C刀。生產一個工件的總費用為：C總=C材+（C機+C工）（t準+t機）+（C換+C刀）（t機/T）。其中，t準為機床準備時間，t機為機床工作時間，T為刀具壽命。在同一生產環境下，C材、C機、C工、C換是相對固定的，而刀具費用C刀則是變化的，也是對數控加工成本影響zui大的可變因素。適當選擇高質量刀具，雖然增加刀具成本，但可使刀具壽命增加，也可以選擇更高的工藝參數而使工件在機床上的加工時間縮短，從上式中可以看出，生產工件的總費用會下降，這也是充分發揮數控機床效率應考慮的一個基本原則。
數控機床增效的主要途徑從宏觀上講，產品制造過程主要考慮的是產品加工質量、制造周期、生產成本，數控機床應用中同樣也是考慮這樣三方面因素。數控機床本身價值較高，提高數控機床效率，是充分發揮數控機床效能、降低生產成本、縮短制造周期、加快的基本途徑。航空工業從數控機床應用于產品制造過程開始，就不斷探索提高數控機床應用水平、提供機床利用率的技術和管理途徑，在數控工藝基礎技術研究、數控軟件工具開發與應用、數控設備控制技術、系統集成技術、數控工藝綜合技術等方面開展了大量的研究和工程應用工作，主要有：薄壁結構件數控加工技術、復雜結構件加工變形控制技術、高速銑削工藝技術、切削參數數據庫、CAD/CAPP/CAM集成系統、CAM系統及后置處理模塊開發、CIMS應用與網絡化制造技術、數控加工技術等，通過這些工作，使工藝技術水平和數控機床的應用水平不斷提高和完善。
數控機床增效的核心是充分發揮數控機床的功能、縮短產品占用機床周期、提高數控設備的產品產出能力，應當從提高設備利用率、工件加工效率、零件合格率三個方面入手，涉及技術和管理兩條主線。設備利用率是指該數控機床在考察統計周期內加工產品時間所占的比例，它涉及數控機床投入運行的時間、運行期間用于產品加工的時間、產品加工期間刀具的有效切削時間。數控機床的有效工作時間受生產過程因素影響較大，具有較大的提升空間。提高設備利用率主要考慮的技術和管理因素是：工藝過程優化、數控程序優化、生產資源優化使用、建立生產過程管理和生產數據管理軟件工具環境，其核心是減少非加工時間、減少加工輔助時間。
工件加工效率單位周期實際完成加工工作量同單位周期理想加工工作量的比值，反映了數控機床產出能力的高低，其核心是單位時間金屬材料去除率。但材料去除率主要受工藝系統的限制較大，提升的幅度隨數控機床結構、工件特點、刀具系統不同而有較大的差異。綜上，提高工件加工效率主要考慮的技術和管理方法是：采用切削試驗、動態性能測試等手段對工藝參數進行優化，充分考察分析切削過程的受力狀態、刀具磨損情況、工藝系統的穩定性，使粗加工過程盡快去除余量、精加工過程嚴格保證加工精度和表面質量。其中工藝參數優化是實現工件穩定加工、保證加工質量的前提和基礎。
零件合格率是對加工結果的評價，提高零件合格率的直接作用是減少和消除了零件返工造成的資源浪費及加工周期的延長。提高零件合格率的主要途徑是按照質量管理體系要求，對數控程序、加工工藝、工藝裝備進行規范化管理和控制，借助在線測量、數據集成管理、狀態及過程信息采集等技術手段監控工件的加工過程。針對數控機床的不同應用方式和工件加工過程，數控機床增效的途徑可以歸納為3個主要層次：單臺設備、加工單元、車間生產系統，這3個層次對應的是工序增效、產品增效、集成增效。數控加工過程中，單臺設備完成的是工序加工。在單臺設備增效這個層次上，重點是圍繞工藝系統、發揮設備能力來提高數控設備的應用效率，實現的是工件局部工序加工效率提高，即局部增效。從技術上，要著重解決這樣一些問題：工藝參數優化和工藝數據庫建設（工藝試驗、仿真計算、典型加工結構的工藝方法等，核心目標是提高單位時間金屬去除率）、設備功能的充分應用（檢測功能、刀具與刀庫管理、宏指令編程、固定循環編程、子程序調用、參數化與結構化編程等）和程序開發應用（數控程序設計工具、后置處理、幾何與物理仿真、工藝文件編制等）。針對單臺設備著重解決上述問題，是數控機床增效的*個途徑，也是數控機床應用的基礎和核心。
數控機床增效的第2個途徑，是針對生產單元的產品增效。從制造過程來講，加工單元是一組工序的集合，由多臺設備協調，完成的是整個零件的加工，其核心是在單臺層次局部工序增效的基礎上，減少數控機床的非加工時間和輔助時間。這個層次要著重解決以下問題：工藝優化（工藝路線、裝夾方案、余量分配、刀具結構、工件測量等）、數控程序優化（典型結構、運動軌跡、加工狀態穩定控制等）、零件工藝方法（典型工藝、精度控制、工裝、工藝數據庫）、數控機床網絡化連接與數據集成管理（DNC、網絡技術；工藝流程指令、數控程序、工序狀態、設備狀態等）。
數控機床增效的第3個途徑，是針對車間批量生產狀態，圍繞生產過程，對單臺數控機床負荷進行平衡，對生產流程進行優化，完成批量產品制造過程，實現車間綜合增效。其核心是在單元層次產品增效的基礎上，對生產流程、制造資源、生產數據進行有效控制和管理。在這個層次上，涉及更為廣泛的技術和管理內容，主要是：工藝數據準備與管理（工藝規程、數控程序、質量數據、現場狀態數據等）、制造執行系統（作業計劃、運行調度、生產統計等）、制造資源管理（設備、工裝、標準規范、人員的數據庫及管理系統）、網絡化分布式管理與控制（數據傳送與采集、作業指令、現場信息、數控設備等）。
概括起來，實現上述3個主要增效途徑的支撐技術可以劃分為4個技術集，即工藝基礎技術、工藝綜合技術、系統集成技術和設備控制技術。工藝基礎技術主要是一些單項技術，解決數控機床應用中的單項技術關鍵，提升單臺數控機床的使用效能，提高工序加工效率；工藝綜合技術圍繞工件加工過程，優化工藝，提高工件加工效率；系統集成技術圍繞車間生產過程，著眼于縮短生產準備時間與輔助時間，提高綜合效率；設備控制技術是數控機床協同工作和集成應用的基礎，對生產數據進行控制和管理，是掌握生產現場運行狀態的主要途徑。
數控機床應用需要的是綜合性技術，上述4個技術集從不同層次上解決不同的問題，應針對車間自身的特點和需求，選擇不同的技術集來支持數控機床的應用，使數控機床充分發揮其應有的效能。數控機床應用效率評估方法數控機床在航空產品制造中一直發揮著重要作用，多年來，相關研究單位、高等院校和生產企業在數控機床應用和數控工藝技術研究方面進行了不同層次的研究應用，在數控機床應用效率評估方面，形成了航空行業標準“數控設備綜合應用效率與測評”（HB7804-2006），比較詳細地規定了多種效率指標的計算評估方法，為數控機床應用狀態分析與數據統計提供了基本依據[3]。效率的基本含義是指單位時間內所完成的工作量，對于數控機床應用，效率越高，意味著數控機床能力的利用程度越高。標準中用數控設備綜合效率這樣的概念，來表征數控機床能力的利用程度。基于管理經濟學中企業生產分析和企業戰略能力分析的原理和方法[4]，數控設備綜合應用效率可用下式表達：
數控設備綜合應用效率= 實際的設備能力/ 核定的設備能力。………………………………（1）
進一步分析生產過程，可以得到一定周期（制度工作時間）內的設備能力：
實際的設備能力= 有效工作時間×實際單位時間零件加工量×合格零件數，……………… （2）
核定的設備能力= 制度工作時間×理想單位時間零件加工量×零件總數。…………………（3）將（2）、（3）式代入（1）式，我們就得到：
數控設備綜合應用效率=（有效工作時間/制度工作時間）×（實際單位時間零件加工量/理想單位時間零件加工量）×（合格零件數/零件總數）。………………………（4）
顯然，表達式（4）中，每個括號中的項都是實際量與理想量的比值，將其分別定義為設備利用率、零件加工率、零件合格率，這樣，數控設備綜合應用效率可簡化表示為：
數控設備綜合應用效率= 設備利用率×零件加工率×零件合格率。…………………………（5）
公式（5）就是“數控設備綜合應用效率與測評”（HB7804-2006）標準中效率測評體系的基本理論依據。設備利用率反映了數控機床的工作狀態，零件加工率反映了數控機床的產出能力，零件合格率反映了工件加工的穩定狀態。
應用HB7804-2006進行數控設備綜合應用效率測評需要注意：（1）制度工作時間是所考察的周期內數控設備的班次工作時間總和，而不是被加工工件的工時；（2）有效工作時間是所考察的周期內數控設備用于加工的時間，是所考察周期內所有工件在該設備上加工時間的總和；（3）理想單位時間零件加工量是該設備能力所能允許的zui大加工量，即該設備功率、扭矩、速度等接近或處于額定極限值時所能完成的加工量；難以確定時，可以根據社會平均能力設定理想加工量基準值，但這樣得到的零件加工量只是相對比較值；（4）為了分析數控加工中其他因素對效率的影響，有效工作時間能進行更為細致的劃分，如數控程序運行、加工準備、輔助調整等。
工藝方案優化評估
提高數控設備綜合應用效率的技術基礎和核心是選擇優化的工藝方案（重點是工藝參數、工藝過程）。針對單臺設備，核心是工藝參數優化；而針對加工單元或車間批量生產狀態，則其核心是工藝參數優化、工藝過程優化。
零件制造過程所遵循的基本原則是保證質量、降低成本、提率。對于工藝方案的評價，可以通過工件/工序加工周期、加工成本、工件加工結果、資源消耗綜合進行。根據決策論的基本理論[5]，我們選擇數控車間加工過程中zui富于變化且易于統計測量的工件加工時間效率、刀具成本效率、表面粗糙度效率、能源效率四個因素作為狀態變量，建立工藝方案優化評估模型：
E=PT（BT/T）+PC（BC/C）+ PQ（BQ/Q）+ Ps（Bs/S），……………………………………（6）
其中，E為期望效率損益值，PT、PC、PQ、Ps為相應參數量的狀態概率（參數量的重要程度，其值為0～100%）；BT、BC、BQ、Bs為相應參數量的基準值；T為加工時間，用分鐘（或小時）表示；C為刀具成本；Q為表面質量，可用表面粗糙度簡化表示；S為能源消耗，可用消耗的電能簡化表示。目標評估分為單項評定（目標項狀態概率為100%，其余為0，此時E=1，可求得相應參數量基準值BT、BC、BQ、Bs）和綜合評定（狀態概率可按不同參數量影響程度給出，等概率時可各取1/4）。E值越大，工藝優化程度越好。利用公式（6）給出的評估模型，可以對確定的工藝參數、工藝規程做出定量的比較性評估，從而選擇出*的工藝方案進行工件制造。