東臺(tái)精機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在汽車零部件制造中的應(yīng)用
汽車產(chǎn)業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、就業(yè)面廣、消費(fèi)拉動(dòng)力大，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，汽車復(fù)雜關(guān)鍵零部件的高效、高精度、高穩(wěn)定性加工成為縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高企業(yè)效益和競(jìng)爭(zhēng)力的有效措施。數(shù)控加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜汽車零部件的快速成型制造，與此同時(shí)，數(shù)控技術(shù)中的虛擬制造技術(shù)、柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)都在現(xiàn)代汽車加工制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)控制造技術(shù)在汽車零部件生產(chǎn)過(guò)程的智能化發(fā)展將成為汽車制造產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)發(fā)展趨勢(shì)。
隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025核心規(guī)劃的提出，昭示著全球第四次工業(yè)革命的到來(lái)，更多地強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品制造過(guò)程信息化與工業(yè)化的融合，實(shí)現(xiàn)制造裝備及其控制的智能化，如智能工廠、智能生產(chǎn)、人機(jī)交互、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器自組織、數(shù)字化制造等。數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的核心要素，數(shù)控加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜汽車零部件的快速成型制造，并且數(shù)控技術(shù)中的虛擬制造技術(shù)、柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)都逐步在現(xiàn)代汽車加工制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)在汽車零部件制造過(guò)程中的智能化發(fā)展也將成為現(xiàn)代汽車制造產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)必然發(fā)展趨勢(shì)。本文介紹了數(shù)控系統(tǒng)用于汽車零部件制造過(guò)程的重要性，并簡(jiǎn)單介紹了經(jīng)常使用的數(shù)控系統(tǒng)種類。隨后詳細(xì)介紹了FANUC數(shù)控系統(tǒng)在智能制造方面的特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)，并提出一些該系統(tǒng)針對(duì)汽車用特殊零部件制造過(guò)程的改進(jìn)措施。在本文的最后，簡(jiǎn)單總結(jié)了未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
數(shù)控系統(tǒng)在汽車零部件制造過(guò)程中的重要性
隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)汽車復(fù)雜關(guān)鍵零部件的高效、高精度、高穩(wěn)定性加工成為縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高企業(yè)效益和競(jìng)爭(zhēng)力的有效措施。數(shù)控加工技術(shù)可便捷實(shí)現(xiàn)復(fù)雜汽車零部件的快速成型制造，與此同時(shí)數(shù)控技術(shù)中的虛擬制造技術(shù)、柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)都在現(xiàn)代汽車加工制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。與手工生產(chǎn)制造而言，數(shù)控技術(shù)為實(shí)現(xiàn)汽車零部件制造的規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)化，提高國(guó)產(chǎn)汽車零部件生產(chǎn)質(zhì)量和實(shí)際裝備率奠定了基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)可為汽車關(guān)鍵零部件制造提供成套自動(dòng)化解決方案，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和加工過(guò)程大數(shù)據(jù)的監(jiān)控及遠(yuǎn)程服務(wù)接收加工數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行虛擬加工及程序代碼檢測(cè)，接下來(lái)利用數(shù)控系統(tǒng)的加工狀態(tài)自感知、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)工件的高質(zhì)量加工，隨后利用工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床在線批量化檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在汽車關(guān)鍵零部件的高效柔性加工與批量化制造中的廣泛應(yīng)用。
汽車零部件制造過(guò)程中常用數(shù)控系統(tǒng)種類
目前，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床及日本、美國(guó)、歐洲進(jìn)口機(jī)床較多采用發(fā)那科(FANUC)和西門子(SIEMENS)兩種數(shù)控系統(tǒng)，均可使用G代碼實(shí)現(xiàn)程序編制。其中，大部分車削、多軸銑削數(shù)控機(jī)床均采用上述兩種數(shù)控系統(tǒng)，并方便與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)集成。上述兩款數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)當(dāng)今機(jī)床數(shù)控行業(yè)絕大多數(shù)市場(chǎng)份額?，F(xiàn)今，引進(jìn)的一些用于復(fù)雜曲面加工的德國(guó)多軸加工中心裝備有海德漢(HEIDENHAIN)數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可視化和模塊化大型程序編輯能力，可以快速插入和編輯信息并可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面及多孔結(jié)構(gòu)的快速成型加工。隨著智能制造和智能工廠的不斷發(fā)展和建立，一些機(jī)床公司開(kāi)始按照客戶要求開(kāi)發(fā)專用數(shù)控系統(tǒng)，例如日本大隈(OKUMA)公司、日本山崎馬扎克(YAMAZAKI MAZAK)公司、德國(guó)德馬吉森精機(jī)(DMG MORI)公司、中國(guó)沈陽(yáng)機(jī)床(SMTCL)公司等。
FANUC系統(tǒng)在智能化制造方面的特點(diǎn)及改進(jìn)措施
FANUC系統(tǒng)在當(dāng)今世界數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和銷售方面具有強(qiáng)大的勢(shì)力。其產(chǎn)品系列覆蓋多種制造工藝，如車削、銑削、磨削、加工中心等。FANUC數(shù)控系統(tǒng)使用起來(lái)較為方便、穩(wěn)定、可靠，對(duì)工業(yè)環(huán)境的要求比較低。FANUC系統(tǒng)采用較為通用的G代碼編制程序，并且程序語(yǔ)句結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)可根據(jù)零件圖上指定的零件輪廓尺寸直接編程，如直線傾角、圓弧半徑、倒角值等，簡(jiǎn)單直觀。FANUC系統(tǒng)能夠自行規(guī)劃粗加工和精加工循環(huán)路徑及按照設(shè)計(jì)值留有設(shè)計(jì)者指定的加工余量，簡(jiǎn)化了復(fù)雜編程。針對(duì)多孔零件只需給定孔中心位置，隨后可采用簡(jiǎn)單的循環(huán)指令如G82-G89實(shí)現(xiàn)多孔自動(dòng)循環(huán)加工。在進(jìn)行曲面加工過(guò)程中，可利用宏程序(例如將#1,#2等作為變量)根據(jù)曲面方程(含有#1,#2等變量的方程)直接編程，直觀、高效、實(shí)用。與此同時(shí)，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)具有便捷的坐標(biāo)系變換功能，可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)系混合編程。FANUC系統(tǒng)具有智能化人機(jī)交互界面，從創(chuàng)建加工程序到實(shí)際加工的所有操作最終都能在同一畫面上進(jìn)行調(diào)試和仿真，輕松實(shí)現(xiàn)車床、加工中心以及銑床加工循環(huán)豐富的編程引導(dǎo)、可視化和檢查功能。
在智能化方面，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)可以利用豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，構(gòu)建適合CNC機(jī)床的系統(tǒng)，還可以將CNC與電腦連接起來(lái)，進(jìn)行復(fù)雜零件的3D設(shè)計(jì)及NC代碼轉(zhuǎn)化(利用CAM軟件)隨后進(jìn)行NC程序傳輸和監(jiān)視CNC狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形貌零件的智能化制造。還可以通過(guò)以太網(wǎng)將工廠內(nèi)的機(jī)床連接起來(lái)，對(duì)機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理、控制和監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)CNC與電腦的高度融合。圖1展示了FANUC系統(tǒng)FS0i-F(C)在智能化生產(chǎn)或智能化工廠建立方面的應(yīng)用。目前FANUC系統(tǒng)引入了實(shí)時(shí)優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)對(duì)智能機(jī)床的控制，根據(jù)負(fù)載、溫度、位置等機(jī)械狀況的變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。通過(guò)使用這些功能群來(lái)實(shí)現(xiàn)高速、高精度和高質(zhì)量加工。尤其在汽車部件和金屬模具等復(fù)雜形狀的加工時(shí)，通過(guò)預(yù)讀的程序指令判斷指令形狀，適當(dāng)控制速度和加速度，在公差范圍內(nèi)獲得平滑加工路徑，使得機(jī)械性沖擊減弱，發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的最優(yōu)性能和智能化制造。
針對(duì)于汽車行業(yè)薄壁殼體零件的制造，如發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、變速箱殼體等銑削過(guò)程應(yīng)該裝載一些特殊的后處理程序，比如切削過(guò)程中由于低剛度殼體造成的切削振顫導(dǎo)致加工精度的降低(如圖2)，裝載自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制和機(jī)床各軸力矩、扭矩監(jiān)測(cè)模塊，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速以達(dá)到各軸力矩維持切削穩(wěn)定狀態(tài)，提高加工質(zhì)量和加工效率。
目前日本大隈(OKUMA)公司已將該功能裝在自研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)中，降低對(duì)操作者需具備大量加工經(jīng)驗(yàn)的要求。同時(shí)裝載各軸電機(jī)力矩及扭矩監(jiān)測(cè)數(shù)控模塊也有助于判別切削過(guò)程中刀具或刀柄與工件或夾具的瞬間碰撞，從而急停機(jī)床運(yùn)動(dòng)，保護(hù)主軸不受損傷。另外，希望FANUC系統(tǒng)裝載在線檢測(cè)模塊如雷尼紹(Renishaw)探頭，尤其針對(duì)汽車多孔零件的孔徑檢測(cè)和位置檢測(cè)，將一些簡(jiǎn)單的三坐標(biāo)檢測(cè)功能集成于數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工、檢測(cè)和修復(fù)一體式的高精度、高效率加工模式。
未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)展望
面對(duì)多自由度復(fù)雜零部件高質(zhì)量、高效率的一體化智能生產(chǎn)制造需求，未來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)向著多自由度復(fù)合加工化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成多加工面的車、銑、鉆等多工藝復(fù)合加工。另外，數(shù)控系統(tǒng)需要擁有更先進(jìn)的軌跡規(guī)劃策略和電機(jī)控制策略以實(shí)現(xiàn)高速、高精度加工。隨著智能化制造的發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)控系統(tǒng)需擁有高度智能化的人機(jī)界面，并實(shí)現(xiàn)加工工藝規(guī)劃功能和加工過(guò)程的診斷和自適應(yīng)控制策略，未來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)將會(huì)實(shí)現(xiàn)機(jī)床自身制造全程全方位的自我監(jiān)測(cè)和管理。數(shù)控系統(tǒng)可根據(jù)零部件的3D模型自動(dòng)規(guī)劃裝卡位置、加工軌跡和加工刀具，更有可能采用以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠各機(jī)床的相互通信和協(xié)作，規(guī)劃時(shí)間最短化工藝步驟，借助于與機(jī)械手的通信實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料和裝卡、搬運(yùn)等，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵復(fù)雜零部件的自動(dòng)智能化快速成型制造。
