加工特種零件機床KPI提取方法研究*

熊 苗，王藝瑋，歐 屹，馮虎田

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

0 引言

數(shù)控機床是當代機械制造業(yè)的主流裝備，被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、軍事等方面[1]。國產(chǎn)機床經(jīng)過30多年的曲折發(fā)展已漸漸走向成熟期，但與一些發(fā)達國家制造的數(shù)控機床相比，尚存一定的差距[2]。國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在軍工企業(yè)占比較低，各軍工單位生產(chǎn)加工關(guān)鍵工序上的把關(guān)設備仍然以進口設備為主。為推動國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在重點軍工企業(yè)的應用，在04專項“換腦工程”的支持下，某機械制造工藝研究所(以下簡稱“工藝所”)的14臺機床參與換腦項目，即用國產(chǎn)華中數(shù)控和廣州數(shù)控的數(shù)控系統(tǒng)取代進口的FANUC、Siemens等數(shù)控系統(tǒng)。

由于該14臺機床面臨材料特殊、結(jié)構(gòu)復雜、要求極端、品種多、轉(zhuǎn)換頻繁及涉密程度深等生產(chǎn)工藝難題，故需要建立一套全面合理的體系對其在換腦前后的性能，包括加工精度、加工效率、可靠性、功能擴展等進行評價。國內(nèi)外針對機床關(guān)鍵性能指標的研究非常有限，大部分國內(nèi)外學者主要針對機床某方面性能進行研究，如OP Gandhi和 MK Loganathan[3]針對機床可靠性方面做了研究；金彬[4]探討了數(shù)控機床機械加工效率的影響因素及提高方法；R Breaz[5]研究了使用建模和計算機模擬技術(shù)提高數(shù)控機床的精度；Khalid Al-joni[6]建立了新的數(shù)控機床預測診斷故障分類模型。借鑒企業(yè)管理中建立KPI體系衡量員工流程績效的做法[7]，擬建立基于KPI的機床性能評價體系，作為先導研究內(nèi)容，本文以上述14臺換腦機床為研究對象，探索KPI提取方法。通過從零件加工要求映射到加工工藝需求再映射到對機床需求的三級映射，給出了上述14臺機床的關(guān)鍵性能指標，為建立基于KPI的機床性能評價體系奠定基礎。

1 KPI提取步驟

每種機床的關(guān)鍵性能指標不僅與機床本體信息有關(guān)，更與其加工過程的工藝特點與加工需求有關(guān)。因此，本文在進行機床KPI提取時，綜合考慮了機床本體信息、特殊工藝要求及加工需求，綜合加以分析，具體步驟如下：

(1)依據(jù)機床本體信息將加工機床進行分類

一般機床主要包含數(shù)控車床(以下簡稱“數(shù)車”)、立式加工中心(以下簡稱“立加”)和臥式加工中心三類，加工的零件主要包括回轉(zhuǎn)軸類、回轉(zhuǎn)盤類、框架類和殼體類等，將每臺機床的類型與加工零件類型結(jié)合起來進行分類。在與工藝所溝通調(diào)研的基礎上了解到無論機床規(guī)格型號相同與否，加工同一類零件的同一類機床的KPI結(jié)構(gòu)是一致的，因此，采用“零件-機床對應編碼”(以下簡稱“對應編碼”)的方式管理機床和所加工零件的對應信息。對應編碼采用兩位碼，第1位代表零件類型，第2位代表機床類型，兩位碼的取值及所述信息如表1所示，例如，對應編碼A-1所代表的含義為加工回轉(zhuǎn)軸類的數(shù)控車床。

表1 碼的取值及對應信息

(2)提出各類機床特殊工藝要求與加工需求并進行分析

根據(jù)機床所要加工零件的類型、對加工零件的要求以及對加工材料、加工環(huán)境的要求，提出機床特殊工藝要求與加工需求。然后根據(jù)以上特殊工藝對機床加工提出的需求，逐個進行分析，從機床精度、加工效率、機床可靠性和功能擴展等方面選取若干個可量化的指標作為機床關(guān)鍵性能指標。

(3)總結(jié)得到機床KPI

以上從精度、效率、可靠性、功能擴展等方面做出的需求分析最終轉(zhuǎn)化成機床的KPI結(jié)構(gòu)。

綜上，提取機床KPI的流程如圖1所示。

圖1 提取機床KPI流程圖

2 KPI提取實例分析

根據(jù)以上步驟，以工藝所14臺換腦機床為例，提取加工特種零件機床的KPI。

2.1 依據(jù)機床基本信息將加工機床進行分類

根據(jù)對應編碼將這14臺機床分為8類，結(jié)果如表2所示。該分類方法是筆者在對某研究院下屬的多個研究所進行廣泛調(diào)研的基礎上，與資深高級技術(shù)人員、高級技工人員就實際生產(chǎn)中零件-機床的對應關(guān)系進行總結(jié)分類的基礎上得到，該分類方法具有較為廣泛的代表性，能夠?qū)嶋H管理提供幫助。需要指出的是由表1可知原則上有12種分類，但實際生產(chǎn)情況中，沒有A-3，B-3，C-1和D-2等4種組合。由上文可知，對應編碼相同的不同類型機床，其KPI結(jié)構(gòu)是一致的，即對應編碼可作為區(qū)別KPI結(jié)構(gòu)的唯一標識。因此，筆者以對應編碼為標識，建立8類KPI結(jié)構(gòu)。限于篇幅，僅選取A-1、A-2兩種編碼，即加工細長軸類的數(shù)車和立加作為典型實例進行進一步說明。

表2 機床分類表

2.2 加工細長軸類零件的工藝需求及向機床KPI的映射

細長軸類零件由于其長徑比大、剛性差等特點，在車削過程中受到切削力、自身重力、切削熱的作用容易彎曲變形，加工后的桿件成腰鼓形，竹節(jié)形，麻花形等使加工精度出現(xiàn)嚴重偏差[8]，使其加工成為一個難題。在滿足以上加工特點的基礎上，工藝所對本所加工細長軸的機床提出了精度、效率、可靠性、擴展功能等四方面特殊需求。

以下將從機床精度、加工效率、機床可靠性和功能擴展4個方面選取若干個可量化的指標作為機床關(guān)鍵性能指標。

2.2.1 精度需求分析

在機床精度方面，工藝所提出了“保證回轉(zhuǎn)軸直線度0.02mm，保證外圓直徑尺寸公差滿足目標等級”的要求(因涉密原因，未公開目標等級)。為保證上述尺寸精度，選取以下指標作為機床KPI。

(1)對于編碼A-1，對應的四臺數(shù)控車床型號為XB-4(一臺)、X-42(兩臺)、X51(一臺)。要保證回轉(zhuǎn)軸直線度0.02mm，必須要保證機床Z軸運動(床鞍運動)對主軸軸線在ZX平面內(nèi)和YZ平面內(nèi)的平行度，如圖2所示。

(a) 數(shù)控車床的ZX平面

(b) 數(shù)控車床的YZ平面 圖2 簡易數(shù)控車床坐標系圖

(2)對于編碼A-2，對應的一臺立加型號為KVC1400B，要保證回轉(zhuǎn)軸直線度0.02mm，必須要保證機床主軸和Z軸運動間在YZ平面內(nèi)和在ZX平面內(nèi)的平行度，如圖3所示。

(a) 立式加工中心的YZ平面

(b) 立式加工中心的ZX平面 圖3 簡易立式加工中心坐標系圖

(3)對于編碼A-1和A-2，對應的五臺機床，要保證回轉(zhuǎn)軸外圓直徑尺寸公差，必須保證機床線性和回轉(zhuǎn)軸線的定位精度及重復定位精度，其中包括：雙向定位精度A、單向定位精度A↑或A↓、雙向重復定位精度R、單向重復定位精度R↑或R↓、反向差值B。

(4)對于編碼A-1和A-2，對應的五臺機床：針對難加工材料(硬、弱剛性)的抗振切削能力，設計通過4368.3-96規(guī)定的主傳動系統(tǒng)最大功率試驗和抗振性切削試驗。

2.2.2 效率需求分析

對于這5臺數(shù)控機床，要提高機床的加工效率，必須從兩方面考慮：縮短單件加工時間和提高加工工件的合格品率。

(1)縮短單件加工時間

單件加工時間由工藝準備時間、工件加工過程時間和工件檢測時間三部分組成，加工完成的零件進行檢測，如不合格則需要返工，流程如圖4所示。在上述流程中加工時間無法縮短，要提高加工效率，需從縮短工藝準備時間和工件檢測時間入手。

圖4 加工時間的組成

在縮短工藝準備時間方面，工藝準備包括工件上下料、工件定位、工件夾緊等。其中工件上下料占據(jù)了大部分工藝準備時間。傳統(tǒng)上下料完全依賴人工，耗時長。為此，工藝所提出了在換腦機床上安裝自動上下料裝置以節(jié)省工藝準備時間。

在縮短工件檢測時間方面，換腦前的機床采取的是離線檢測方式，即在機床完成部分工步后人工中斷加工取下工件進行測量。離線檢測不僅耗時長，且具有一定的盲目性，不能對切削量進行連續(xù)在線監(jiān)測，一旦切削量過大，則零件報廢。為此，工藝所提出在換腦機床上加裝測頭進行工件的在線監(jiān)測，以節(jié)省工件檢測時間，提高加工效率，減少廢品率。加裝測頭對機床硬件和數(shù)控系統(tǒng)提出的要求如下：

對機床硬件要求。在機床上裝配測頭，使能在加工中測量工件。

對數(shù)控系統(tǒng)的要求。在數(shù)控系統(tǒng)中集成軸外圓直徑測量循環(huán)模塊，控制測頭在加工進行的過程中在軸的一處或者多處進行軸外圓點采集，然后根據(jù)系統(tǒng)的計算方式得到軸外圓直徑，并判斷軸是否達到指定尺寸，若達到則可以出料，未達到則繼續(xù)進行加工。這樣可以減少檢測時間并提高成品率。流程圖如圖5所示。

圖5 測頭測量流程圖

在此用設備利用率來表征機床的加工效率。設備利用率定義為有效生產(chǎn)時間與設備實際運行時間的比值，是反映設備工作狀態(tài)及生產(chǎn)效率的技術(shù)經(jīng)濟指標[9]。上述縮短單件零件加工時間是保持有效生產(chǎn)時間不變，縮短機內(nèi)準備時間從而縮短設備實際運行時間，這樣即提高了設備利用率，提高了機床的加工效率。

(2)提高加工工件的合格品率

合格品率是所加工的零件中合格數(shù)與總數(shù)的比值。其中細長軸合格的判定標準將依據(jù)工藝所提出的精度需求，即“回轉(zhuǎn)軸直線度達到0.02mm，外圓直徑尺寸公差滿足目標等級”。將上述用于加工細長軸的五臺機床加工各10根細長軸，將合格品率作為評價機床加工效率的一項KPI。

2.2.3 可靠性需求分析

由于加工特種典型零部件涉及特殊材料、特種不銹鋼等多類材料，許多材料價值很高，且工藝結(jié)構(gòu)極其復雜而特殊[10]，故對制造過程機床設備的可靠性要求非常高。數(shù)控設備的可靠性是指在規(guī)定的時間內(nèi)、規(guī)定的工作條件下維持無故障工作的能力。衡量數(shù)控設備可靠性的重要指標是平均無故障時間MTBF(Mean Time Between Failures)、平均修復時間MTTR(Mean Time To Repair) 和平均有效度A[11]。平均無故障時間是指數(shù)控機床在使用中兩次故障間隔的平均時間，即：

因此用在一定時間內(nèi)的故障次數(shù)以及故障頻率來表征可靠性。

在一定工作時長內(nèi)，跟蹤記錄每一種系統(tǒng)每一種故障發(fā)生的次數(shù)，以此計算出各系統(tǒng)的MTBF，作為評價各系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵性能指標。

2.2.4 功能擴展需求分析

在回轉(zhuǎn)軸周向上不同分度位需要加工有相互位置關(guān)系的鍵槽，需要在立式加工中心KVC1400B增加第四軸，當加工完一個鍵槽時，只需要第四軸控制的回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過一定角度，則可以繼續(xù)加工另一個鍵槽，這樣可以很方便的進行加工。

2.3 機床KPI提取結(jié)果

以上從精度、效率、可靠性、功能擴展等方面做出的需求分析最終可轉(zhuǎn)化機床的KPI結(jié)構(gòu)。

將其整理后得到對應編碼為A-1(即加工回轉(zhuǎn)軸類的數(shù)車)的KPI結(jié)構(gòu)，如表3所示。類似的，對應編碼為A-2(即加工回轉(zhuǎn)軸類的立加)的KPI結(jié)構(gòu)如表4所示。

表3 對應編碼為A-1的KPI結(jié)構(gòu)

表4 對應編碼為A-2的KPI結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文從數(shù)控機床特殊工藝要求與加工需求分析入手，從機床精度、加工效率、機床可靠性和功能擴展等方面提出了提取機床KPI的方法。以某機械制造工藝研究所14臺機床為研究對象，將所提方法應用于該14臺機床上，依據(jù)機床基本信息對機床進行了分類，然后根據(jù)各類機床加工零件的特點從精度、效率、可靠性、功能擴展方面建立了機床的KPI。實踐證明所提KPI提取方法是科學、可行和有效的，能為后期機床KPI評價體系的建立奠定基礎，從而為研究人員把握機床的關(guān)鍵性能指標并快速定位影響機床關(guān)鍵性能的因素提供依據(jù)和參考。