数控机床应用基础与增效途径

　　数控机床适用于多品种、小批量、形状复杂、精度要求严格的零件制造。国内自20世纪80年代起即步入了数控机床及相关技术的广泛应用阶段，经过近30年的应用实践，数控机床已经逐渐成为各行业产品制造的主要技术手段，形成了各具特色的产品生产线，生产制造观念和思维模式得到了根本改变和提升。在数控机床快速普及、高速加工技术逐步广泛应用的今天，数控机床已经成为型号产品研制过程中的关键技术手段之一，其应用水平已经直接关系到产品的稳定生产和及时交付。切削加工是航空产品制造过程中工作量最大的专业之一，也是数控机床的主要应用领域。近年来，航空制造企业在相继引进多种类型、数量不等的数控机床的同时，也配备了层次不同的数控车间所必须的软件工具，大大提升了企业的制造水平。从发展过程看，航空产品关键零件的切削加工经历了2个转折、跨越了4个台阶，即从普通加工到数控加工、从低速到高速加工的转折；数控机床主轴的额定转速跨越了6000r/min、12000r/min、18000r/min、24000r/min四个台阶。

　　数控机床的配备和应用主要是随着航空产品研制与生产的需求而进行的，由于产品生产周期紧、任务重，数控机床的应用一直是处于边生产、边摸索的状态，绝大多数的企业为保证生产任务周期，在数控机床功能充分应用、工艺过程优化、切削参数合理选择等方面无暇投入较大的精力，造成数控机床利用效率偏低、零件加工周期较长。数控机床的应用状态在不同企业之间存在着较大的差异，有些企业通过信息化建设工程在少量典型件生产线初步应用了DNC技术和MES系统，但大多数情况下，数控设备处于单机运行状态。随着产品类型和生产批量的增加，工艺数据、生产过程的管理日趋复杂，工艺数据准备、作业计划管理、生产线现场信息传送与获取难度增加，造成数控机床的整体效率难以充分发挥，生产线现场运行效率难以及时满足产品交付周期需求。制约产品交付周期的主要问题通常表现为：①数控工艺技术水平限制着数控机床能力的发挥和生产能力的提升；②数控机床功能利用程度及应用方式影响着数控机床的使用效能；③数控车间集成技术应用程度制约着数控机床规模效应的发挥。上述这些制约因素导致航空制造企业数控机床利用率偏低、产品制造周期长、生产成本高、批生产能力低。

　　数控机床应用的技术基础与主要环节

　　数控机床应用涉及的基础是数控工艺技术。现阶段人们提及的数控工艺，在狭义上是指数控切削加工工艺。概括起来讲，数控工艺技术是以切削加工技术为核心，应用计算机辅助设计制造软件工具、数控机床以及数控测量设备等完成工艺设计、数控程序编制、工件加工、尺寸测量等工作过程的方法、数据、文件等的集合，它涉及知识集（切削原理、数学计算方法、软件技术基础）、资源集（软件工具和数据库、工装工具与仪器）、数据集（工艺文件、数控程序）。上述这些技术与工具是数控机床应用的主要技术基础和基本条件。数控机床应用主要涉及工艺数据准备、数控加工在线控制、数控车间或生产线系统集成、数控加工成本控制4个环节。

　　（1）工艺数据准备。

　　工艺数据包括工艺规程、数控程序、测量指令等。其中，数控程序是数控机床运行的直接数据。复杂零件的数控程序设计流程主要包括数模分析（结合设计图纸，分析型面特点、精度要求、初步确定加工走刀方式等，并完成工艺规程设计）、编程准备（定义毛坯、加工区边界、刀具数据、程序命名等）、程序编制（选择合适的加工方法，给定进刀、走刀、退刀方式及其工艺参数，生成刀具运动轨迹）、模拟检查（参照工件CAD模型检查刀具运动轨迹的正确性，对刀具轨迹中出现的位置突变、过切或欠切、运动轨迹异常等进行处理与修正）、后置处理（将刀位轨迹数据转换为数控机床可接受的数控指令代码）、现场加工这样几个过程。

　　工艺数据准备过程有两个关键技术：工艺优化和数控加工仿真。工艺优化包括切削参数优化、工艺路线优化设计、加工变形控制。切削参数优化主要是以提高单位时间金属去除率和保证加工质量为目标，选择和确定合理的工艺参数，通常通过切削试验、工艺系统稳定性分析计算和典型验证试验获得；加工变形控制是借助数值分析、经验积累、工艺系统动态特性分析控制等满足工件的加工精度要求；工艺路线优化则以降低制造成本、减少非加工时间为目标，对工件的加工过程进行精化设计。

　　数控加工仿真是在计算机上模拟刀具运动、切削加工过程，包括几何仿真、物理仿真、加工过程仿真。几何仿真是基于理想几何图形通过数学计算来检验数控程序是否正确，不考虑切削参数、切削力等因素对切削加工的影响，如刀位轨迹检查、数控程序仿真检查；物理仿真将整个工艺系统或部分工艺系统元素视为弹塑性实体，对物理特性及其变化特征进行模拟，如切削加工中刀具受力变形、工件受力变形、加工振动分析等；加工过程仿真是将几何形体与物理性质的变化集成在一起，对加工过程（工序、工步及其具体加工状态和结果）进行较为真实模拟的一种仿真形式。目前几何仿真技术已经比较成熟，在数控程序设计中应用较为广泛，而其他两种仿真主要在工艺研究中有初步应用，能够提供给生产现场应用的成熟产品很少。

　　（2）数控加工在线控制。

　　数控机床的应用过程中有大量的数据需要传送和管理，这些数据包括数控程序、刀具装调数据、工件定位调整数据、加工状态监测、设备故障信息等。当数控机床作为独立设备使用时，这些数据只能通过人工进行组织和管理，不仅效率低下，而且易于产生错误，严重制约数控机床的有效运行；数控机床集成组成生产线时，数据传输与管理不仅包括上述数据，还包括作业指令、资源配置、运行状态等数据，更需要对数据的有效组织。数控加工在线控制主要包括网络化连接、自适应控制、生产线运行管理。

　　网络化连接是通过串/并行接口、网络接口、嵌入式模块等实现数控机床与上层控制计算机的连接，为数据传输、机床运行状态采集、加工状态监测等提供支持，也为数控机床集成化连接运行提供支持。应注意的是，只有通过采集数控机床控制系统的I/O信号才能真正实时反映机床的运行状态，这是实现制造过程工况监测、设备工况诊断与故障诊断的基础，因此数控机床运行时应能够及时监测到这些I/O信号，以对加工过程实现有效控制。自适应控制在工件加工过程中监测某些物理量（如切削功率、切削扭矩），根据切削实际情况按设定的规则实时调整程序设定的切削参数，使切削在相对稳定的状态下进行，目前已有少量的商品化系统提供了基本的调整与控制功能。

　　生产线运行管理主要是作业计划的建立与发送、生产过程跟踪、制造数据管理。目前大家关注较多的是制造执行系统（MES），实现了生产线运行的正向管理功能，即以作业下达、生产执行这样的顺序运行，但MES在国内的应用尚处于研究、试用阶段。

　　3）数控车间或生产线系统集成。

　　目前航空产品都已经采用计算机进行设计，可以向生产现场提供设计图纸和数字化模型，为数字化制造的实现提供了基本条件。数控车间或生产线系统集成是在网络化环境与在线控制技术支持下，将独立的数控设备组成生产系统，对生产过程所涉及的制造数据进行集成化管理和控制，以实现信息流、物质流、能量流的协调运转。针对车间层次的数控机床应用，系统集成涉及较为广泛的基础技术和环境建设，其重点是集成的工艺数据准备平台、生产作业计划与运行管理、制造资源的及时配送和数控设备运行状态的实时统计。集成的工艺数据准备平台主要功能是根据产品设计模型，完成零件工艺规程设计、数控加工程序设计、检验程序设计、工装设计要求等，按生产现场质量体系要求生成有关工艺文件。

　　生产作业计划与运行管理主要是根据生产计划编制车间的班次作业计划，使数控机床及有关生产资源均衡协调工作，对生产运行过程的数据、工件、在用资源进行有效管理。MES是实现生产作业计划与运行管理的主要工具。制造资源的及时配送是消除数控机床停工、保证车间生产线有效运行的基础，基本原则是在需要的时间将需要的资源送达现场。制造资源包括加工需要的数据、工装、工件及辅助物资等。数控设备运行状态的实时统计是以网络化连接为基础，对加工过程进行跟踪，对设备的有效运行状态进行统计，为生产状态监控、质量控制和生产效率评估提供基础数据。

　　（4）数控加工成本控制。

　　生产费用通常包括：（a）材料费用C材；（b）机床费用C机；（c）工资费用C工；（d）换刀费用C 换；（e）刀具费用C刀。生产一个工件的总费用为：C总=C材+（C机+C工）（t准+t机）+（C换+C刀）（t机/T）。其中，t准为机床准备时间，t机为机床工作时间，T为刀具寿命。在同一生产环境下，C材、C机、C工、C换是相对固定的，而刀具费用C刀则是变化的，也是对数控加工成本影响最大的可变因素。适当选择高质量刀具，虽然增加刀具成本，但可使刀具寿命增加，也可以选择更高的工艺参数而使工件在机床上的加工时间缩短，从上式中可以看出，生产工件的总费用会下降，这也是充分发挥数控机床效率应考虑的一个基本原则。

　　数控机床增效的主要途径从宏观上讲，产品制造过程主要考虑的是产品加工质量、制造周期、生产成本，数控机床应用中同样也是考虑这样三方面因素。数控机床本身价值较高，提高数控机床效率，是充分发挥数控机床效能、降低生产成本、缩短制造周期、加快投资回报的基本途径。航空工业从数控机床应用于产品制造过程开始，就不断探索提高数控机床应用水平、提供机床利用率的技术和管理途径，在数控工艺基础技术研究、数控软件工具开发与应用、数控设备控制技术、系统集成技术、数控工艺综合技术等方面开展了大量的研究和工程应用工作，主要有：薄壁结构件数控加工技术、复杂结构件加工变形控制技术、高速铣削工艺技术、切削参数数据库、CAD/CAPP/CAM集成系统、专用CAM系统及后置处理模块开发、CIMS应用与网络化制造技术、高效数控加工技术等，通过这些工作，使工艺技术水平和数控机床的应用水平不断提高和完善。

　　数控机床增效的核心是充分发挥数控机床的功能、缩短产品占用机床周期、提高数控设备的产品产出能力，应当从提高设备利用率、工件加工效率、零件合格率三个方面入手，涉及技术和管理两条主线。设备利用率是指该数控机床在考察统计周期内加工产品时间所占的比例，它涉及数控机床投入运行的时间、运行期间用于产品加工的时间、产品加工期间刀具的有效切削时间。数控机床的有效工作时间受生产过程因素影响较大，具有较大的提升空间。提高设备利用率主要考虑的技术和管理因素是：工艺过程优化、数控程序优化、生产资源优化使用、建立生产过程管理和生产数据管理软件工具环境，其核心是减少非加工时间、减少加工辅助时间。

　　工件加工效率单位周期实际完成加工工作量同单位周期理想加工工作量的比值，反映了数控机床产出能力的高低，其核心是单位时间金属材料去除率。但材料去除率主要受工艺系统的限制较大，提升的幅度随数控机床结构、工件特点、刀具系统不同而有较大的差异。综上，提高工件加工效率主要考虑的技术和管理方法是：采用切削试验、动态性能测试等手段对工艺参数进行优化，充分考察分析切削过程的受力状态、刀具磨损情况、工艺系统的稳定性，使粗加工过程尽快去除余量、精加工过程严格保证加工精度和表面质量。其中工艺参数优化是实现工件稳定加工、保证加工质量的前提和基础。

　　零件合格率是对加工结果的评价，提高零件合格率的直接作用是减少和消除了零件返工造成的资源浪费及加工周期的延长。提高零件合格率的主要途径是按照质量管理体系要求，对数控程序、加工工艺、工艺装备进行规范化管理和控制，借助在线测量、数据集成管理、状态及过程信息采集等技术手段监控工件的加工过程。针对数控机床的不同应用方式和工件加工过程，数控机床增效的途径可以归纳为3个主要层次：单台设备、加工单元、车间生产系统，这3个层次对应的是工序增效、产品增效、集成增效。数控加工过程中，单台设备完成的是工序加工。在单台设备增效这个层次上，重点是围绕工艺系统、发挥设备能力来提高数控设备的应用效率，实现的是工件局部工序加工效率提高，即局部增效。从技术上，要着重解决这样一些问题：工艺参数优化和工艺数据库建设（工艺试验、仿真计算、典型加工结构的工艺方法等，核心目标是提高单位时间金属去除率）、设备功能的充分应用（检测功能、刀具与刀库管理、宏指令编程、固定循环编程、子程序调用、参数化与结构化编程等）和专用程序开发应用（专用数控程序设计工具、后置处理、几何与物理仿真、工艺文件编制等）。针对单台设备着重解决上述问题，是数控机床增效的第一个途径，也是数控机床应用的基础和核心。

　　数控机床增效的第2个途径，是针对生产单元的产品增效。从制造过程来讲，加工单元是一组工序的集合，由多台设备协调，完成的是整个零件的加工，其核心是在单台层次局部工序增效的基础上，减少数控机床的非加工时间和辅助时间。这个层次要着重解决以下问题：工艺优化（工艺路线、装夹方案、余量分配、刀具结构、工件测量等）、数控程序优化（典型结构、运动轨迹、加工状态稳定控制等）、零件工艺方法（典型工艺、精度控制、高效工装、工艺数据库）、数控机床网络化连接与数据集成管理（DNC、网络技术；工艺流程指令、数控程序、工序状态、设备状态等）。

　　数控机床增效的第3个途径，是针对车间批量生产状态，围绕生产过程，对单台数控机床负荷进行平衡，对生产流程进行优化，完成批量产品制造过程，实现车间综合增效。其核心是在单元层次产品增效的基础上，对生产流程、制造资源、生产数据进行有效控制和管理。在这个层次上，涉及更为广泛的技术和管理内容，主要是：工艺数据准备与管理（工艺规程、数控程序、质量数据、现场状态数据等）、制造执行系统（作业计划、运行调度、生产统计等）、制造资源管理（设备、工装、标准规范、人员的数据库及管理系统）、网络化分布式管理与控制（数据传送与采集、作业指令、现场信息、数控设备等）。

　　概括起来，实现上述3个主要增效途径的支撑技术可以划分为4个技术集，即工艺基础技术、工艺综合技术、系统集成技术和设备控制技术。工艺基础技术主要是一些单项技术，解决数控机床应用中的单项技术关键，提升单台数控机床的使用效能，提高工序加工效率；工艺综合技术围绕工件加工过程，优化工艺，提高工件加工效率；系统集成技术围绕车间生产过程，着眼于缩短生产准备时间与辅助时间，提高综合效率；设备控制技术是数控机床协同工作和集成应用的基础，对生产数据进行控制和管理，是掌握生产现场运行状态的主要途径。

　　数控机床应用需要的是综合性技术，上述4个技术集从不同层次上解决不同的问题，应针对车间自身的特点和需求，选择不同的技术集来支持数控机床的应用，使数控机床充分发挥其应有的效能。数控机床应用效率评估方法数控机床在航空产品制造中一直发挥着重要作用，多年来，相关研究单位、高等院校和生产企业在数控机床应用和数控工艺技术研究方面进行了不同层次的研究应用，在数控机床应用效率评估方面，形成了航空行业标准“数控设备综合应用效率与测评”（HB7804-2006），比较详细地规定了多种效率指标的计算评估方法，为数控机床应用状态分析与数据统计提供了基本依据[3]。效率的基本含义是指单位时间内所完成的工作量，对于数控机床应用，效率越高，意味着数控机床能力的利用程度越高。标准中用数控设备综合效率这样的概念，来表征数控机床能力的利用程度。基于管理经济学中企业生产分析和企业战略能力分析的原理和方法。

　　数控设备综合应用效率测评需要注意：（1）制度工作时间是所考察的周期内数控设备的班次工作时间总和，而不是被加工工件的工时；（2）有效工作时间是所考察的周期内数控设备用于加工的时间，是所考察周期内所有工件在该设备上加工时间的总和；（3）理想单位时间零件加工量是该设备能力所能允许的最大加工量，即该设备功率、扭矩、速度等接近或处于额定极限值时所能完成的加工量；难以确定时，可以根据社会平均能力设定理想加工量基准值，但这样得到的零件加工量只是相对比较值；（4）为了分析数控加工中其他因素对效率的影响，有效工作时间能进行更为细致的划分，如数控程序运行、加工准备、辅助调整等。

　　工艺方案优化评估

　　提高数控设备综合应用效率的技术基础和核心是选择优化的工艺方案（重点是工艺参数、工艺过程）。针对单台设备，核心是工艺参数优化；而针对加工单元或车间批量生产状态，则其核心是工艺参数优化、工艺过程优化。

　　零件制造过程所遵循的基本原则是保证质量、降低成本、提高效率。对于工艺方案的评价，可以通过工件/工序加工周期、加工成本、工件加工结果、资源消耗综合进行。根据决策论的基本理论[5]，我们选择数控车间加工过程中最富于变化且易于统计测量的工件加工时间效率、刀具成本效率、表面粗糙度效率、能源效率四个因素作为状态变量，建立工艺方案优化评估模型：

　　E=PT（BT/T）+PC（BC/C）+ PQ（BQ/Q）+ Ps（Bs/S），……………………………………（6）

　　其中，E为期望效率损益值，PT、PC、PQ、Ps为相应参数量的状态概率（参数量的重要程度，其值为0～100%）；BT、BC、BQ、Bs为相应参数量的基准值；T为加工时间，用分钟（或小时）表示；C为刀具成本；Q为表面质量，可用表面粗糙度简化表示；S为能源消耗，可用消耗的电能简化表示。目标评估分为单项评定（目标项状态概率为100%，其余为0，此时E=1，可求得相应参数量基准值BT、BC、BQ、Bs）和综合评定（状态概率可按不同参数量影响程度给出，等概率时可各取1/4）。E值越大，工艺优化程度越好。利用公式（6）给出的评估模型，可以对确定的工艺参数、工艺规程做出定量的比较性评估，从而选择出最优的工艺方案进行工件制造。

　　数控机床应用效率的提升是一个持续进行的连续不断的过程，应该在满足质量、速度、成本要求的前提下追求数控机床应用效率的最大化。数控机床增效包含综合应用效率提升和机床效能充分利用两个方面，总的目标是提升数控机床能力利用程度。选择合理的工艺参数和工艺过程，是提高数控机床综合应用效率的技术基础；降低数控机床的辅助时间增加有效工作时间，是提高数控机床综合应用效率的管理保障。工艺方案优化评估模型定量给出了工艺方案优劣的数值描述，数控机床应用效率测评体系则定量描述了数控机床应用状态。

　　随着数控机床设计制造技术的发展，数控机床功能越来越完善，数控制造技术也不断提升。在计算几何、弹塑性理论、人工智能等基础学科技术支持下，数控制造过程逐步形成了制造信息数字化、过程控制智能化、加工设备网络化、运行状态可视化的发展趋势[6]，数控制造理论体系逐步建立，关键技术和应用平台逐步成熟，数控机床成为数字化制造环境中的关键组成要素。数控机床综合应用效率的提高，将为数字化制造系统的稳定运行提供坚实的基础。

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