數(shù)控加工技術(shù)在離散制造企業(yè)生產(chǎn)線的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

吳曉鋒，劉志軍，張陽(yáng)，吳寶海

1.中國(guó)航發(fā)動(dòng)力有限公司 陜西西安 710021

2.西北工業(yè)大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高性能制造工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710068

3.西北工業(yè)大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心 陜西西安 710068

1 序言

當(dāng)前，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化已經(jīng)成為全球制造業(yè)發(fā)展的重要方向，以數(shù)控機(jī)床為硬件載體的數(shù)字化制造是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，而切削加工一直是航空航天等離散制造業(yè)關(guān)鍵零件加工的主導(dǎo)工藝，用于精確控制產(chǎn)品幾何尺寸、形狀和表面質(zhì)量。近年來(lái)，數(shù)字化、智能化生產(chǎn)線在我國(guó)航空航天制造企業(yè)中的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，與單機(jī)運(yùn)行相比，智能生產(chǎn)線對(duì)數(shù)控加工工藝流程、工藝方法、自動(dòng)化水平等提出了更為嚴(yán)苛的要求。我國(guó)航空航天等離散制造企業(yè)在數(shù)控加工工藝、制造過(guò)程控制等方面的數(shù)字化制造基礎(chǔ)薄弱，工藝水平較低，尤其是缺乏對(duì)設(shè)備運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量管控等數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控，難以為生產(chǎn)決策提供及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)支撐與反饋，導(dǎo)致生產(chǎn)線運(yùn)行的適應(yīng)性、穩(wěn)健性和智能化水平無(wú)法滿足離散制造業(yè)多品種、小批量的高柔性需求。

2 離散制造智能生產(chǎn)線的特點(diǎn)與構(gòu)成

離散制造屬于典型的多品種、小批量的生產(chǎn)模式，與流程制造相比，其生產(chǎn)線布局取決于零件的典型工藝需求，設(shè)備功能更加強(qiáng)大才能滿足多工序加工的需求。適用于離散制造企業(yè)的智能生產(chǎn)線的基本構(gòu)成如圖1所示，主要包括5個(gè)子系統(tǒng)。

圖1 離散制造智能生產(chǎn)線的基本構(gòu)成

（1）技術(shù)準(zhǔn)備系統(tǒng) 在零件加工前完成對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)標(biāo)識(shí)和加工過(guò)程所需的快換工裝、刀具及夾具的準(zhǔn)備。

（2）自適應(yīng)制造系統(tǒng) 通過(guò)機(jī)內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、加工工藝自適應(yīng)優(yōu)化、刀具磨損預(yù)測(cè)和再制造的補(bǔ)償加工。

（3）物料傳輸系統(tǒng) 通過(guò)運(yùn)輸機(jī)器人和機(jī)器臂實(shí)現(xiàn)毛坯的自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)、毛坯運(yùn)輸和刀具庫(kù)擴(kuò)容等。

（4）總線控制系統(tǒng) 設(shè)置線內(nèi)感知機(jī)構(gòu)，集成加工全過(guò)程管控系統(tǒng)，優(yōu)化排產(chǎn)，從管控系統(tǒng)指令調(diào)控生產(chǎn)控制。

（5）數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 對(duì)毛坯數(shù)據(jù)、機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)、刀具壽命數(shù)據(jù)及產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理，便于基于加工大數(shù)據(jù)的優(yōu)化分析。

國(guó)內(nèi)以航空航天領(lǐng)域?yàn)榇淼碾x散制造企業(yè)已開展了數(shù)字化、智能化生產(chǎn)線的建設(shè)及試點(diǎn)示范，正在促進(jìn)設(shè)計(jì)、制造等專業(yè)智能制造關(guān)鍵技術(shù)的落地實(shí)施。部分先進(jìn)制造企業(yè)通過(guò)搭建數(shù)字化生產(chǎn)線三維虛擬展示和仿真驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的虛擬規(guī)劃、優(yōu)化配置和柔性生產(chǎn)。同時(shí)針對(duì)智能生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行需求和零件的結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn)，建立支持?jǐn)?shù)控加工編程及仿真的工藝資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工藝、工裝的快速設(shè)計(jì)。在實(shí)際加工方面，通過(guò)數(shù)控加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集、數(shù)控加工刀具/工件機(jī)內(nèi)檢測(cè)等數(shù)據(jù)感知，結(jié)合工藝決策優(yōu)化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程綜合誤差分析與自適應(yīng)誤差補(bǔ)償調(diào)整，有效保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

總體而言，基于生產(chǎn)線自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化運(yùn)行實(shí)際需求，先進(jìn)制造企業(yè)已基本突破生產(chǎn)線運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、異構(gòu)系統(tǒng)集成、生產(chǎn)過(guò)程可視化等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線運(yùn)行管理與控制的高度數(shù)字化、模塊化；同時(shí)，對(duì)基于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的任務(wù)排程、資源管理、數(shù)據(jù)管理和看板管理等核心應(yīng)用模塊進(jìn)行了開發(fā)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線運(yùn)行的全面智能化綜合管控與決策智能輔助。

3 智能生產(chǎn)線中數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 數(shù)控加工裝備應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)航空航天等離散制造企業(yè)加工的產(chǎn)品對(duì)象多具有多品種、小批量的特點(diǎn)，產(chǎn)品型號(hào)眾多且差異較大，因此加工裝備也呈現(xiàn)多樣化。機(jī)床是制造業(yè)的“工業(yè)母機(jī)”，其智能化程度對(duì)智能制造的實(shí)施具有重要影響。機(jī)床隨著不同的工業(yè)時(shí)代發(fā)展而進(jìn)化，并呈現(xiàn)出各個(gè)時(shí)代的技術(shù)特點(diǎn)，如圖2所示。機(jī)床4.0是未來(lái)機(jī)床行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)所向，應(yīng)用人工智能技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，利用自主感知信息，通過(guò)自主學(xué)習(xí)與建模生成知識(shí)，并進(jìn)行自主優(yōu)化與決策，完成自主控制與執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)加工制造過(guò)程的優(yōu)質(zhì)、高效、安全、可靠和低耗的多目標(biāo)優(yōu)化等。

圖2 工業(yè)發(fā)展與機(jī)床進(jìn)化史

然而目前國(guó)內(nèi)離散制造企業(yè)數(shù)控加工多采用傳統(tǒng)的通用數(shù)控機(jī)床，從數(shù)控系統(tǒng)功能上而言，缺少自動(dòng)裝夾、在線檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，且很少結(jié)合產(chǎn)品加工工藝特點(diǎn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行功能的定制研發(fā)，無(wú)法滿足產(chǎn)品的高效數(shù)控加工需求，也無(wú)法解決數(shù)控系統(tǒng)和設(shè)備的適應(yīng)性問(wèn)題。因此通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，在加工工藝、故障診斷和運(yùn)行維護(hù)等方面提供定制化服務(wù)是數(shù)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)定制化的改進(jìn)方向。目前在數(shù)控機(jī)床的智能化方面，由于過(guò)分依賴人類專家進(jìn)行理論建模和數(shù)據(jù)分析，所以機(jī)床的自主學(xué)習(xí)、生成知識(shí)的能力不足。“感知、互聯(lián)、學(xué)習(xí)、決策和自適應(yīng)”將成為數(shù)控機(jī)床智能化的主要功能特征，加工大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)和數(shù)字孿生等將有力助推未來(lái)智能機(jī)床技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

3.2 數(shù)控編程應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)控編程效率和質(zhì)量的高低，對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用?；诘湫土慵膶I(yè)化數(shù)控加工編程技術(shù)（見圖3）的快速發(fā)展，數(shù)字化生產(chǎn)線、智能生產(chǎn)線滿足了典型零件柔性加工的要求。將典型零件的特征與工藝參數(shù)、機(jī)床模型庫(kù)及刀具模型庫(kù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，自動(dòng)化快速編程在離散制造業(yè)得到深入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)線產(chǎn)品快速換型。通過(guò)特征識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)加工特征的識(shí)別，進(jìn)而開發(fā)建立幾何加工特征、工藝策略和數(shù)控程序模板相集成的綜合特征模型，解決數(shù)控加工編程效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

圖3 典型零件專業(yè)化數(shù)控編程

目前數(shù)控編程技術(shù)的不足主要體現(xiàn)在以下兩方面。

1）編程水平與效率低，產(chǎn)品質(zhì)量及一致性差。復(fù)雜零件加工特征數(shù)量多、形狀復(fù)雜且呈自由分布，特征間互有遮擋，因此編程過(guò)程中需要?jiǎng)?chuàng)建大量輔助幾何參數(shù)，數(shù)控編程時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)編程水平要求極高。

2）加工特征依靠人工識(shí)別，工藝知識(shí)無(wú)法重用。實(shí)際上，對(duì)于不同性能需求的復(fù)雜零件，雖然其形狀各異，但究其本質(zhì)均是由典型特征構(gòu)成，其相似特征的輔助幾何參數(shù)、加工策略、加工參數(shù)和刀軌策略具有可移植性，但現(xiàn)在商品化CAM系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)移植。因此，基于特征自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零件相似特征的辨認(rèn)，進(jìn)而在繼承已創(chuàng)建輔助加工幾何參數(shù)和工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校核與修改，是提高復(fù)雜零件編程效率、節(jié)省工藝準(zhǔn)備時(shí)間的有效途徑。

3.3 加工仿真應(yīng)用現(xiàn)狀

為保證數(shù)控加工過(guò)程中機(jī)床、刀具、工件和工裝等工藝系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行，減少物理試驗(yàn)次數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)零件一次性加工合格，虛擬仿真技術(shù)在工藝驗(yàn)證領(lǐng)域得到了廣泛的研究及應(yīng)用（見圖4）。目前對(duì)數(shù)控加工幾何仿真技術(shù)的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，并出現(xiàn)了NX、CATIA、VERICUT等大量的商業(yè)軟件。物理仿真技術(shù)主要是對(duì)加工過(guò)程中切削力、切削溫度、應(yīng)力應(yīng)變及變形等因素的數(shù)值模擬，對(duì)于數(shù)控加工切削參數(shù)優(yōu)化、刀具選型和工藝策略優(yōu)化等有著重要意義，更有利于提升研發(fā)新產(chǎn)品的研制效率。

圖4 虛擬仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用

物理仿真技術(shù)為了提高適應(yīng)性，會(huì)降低數(shù)學(xué)建模的復(fù)雜性，往往是關(guān)聯(lián)單一的變化因素，多數(shù)側(cè)重于切削力、刀具磨損和切削變形等單項(xiàng)因素仿真，因此存在著仿真模型的準(zhǔn)確性差、通用性差、質(zhì)量預(yù)測(cè)精度差、控制效果差和仿真系統(tǒng)的實(shí)用性差等問(wèn)題。智能生產(chǎn)線需建立起能夠精確模擬實(shí)際加工情況并為用戶提供精確仿真結(jié)果的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，將物理仿真技術(shù)涉及的切削力、切削熱、零件加工變形預(yù)測(cè)及刀具磨損等因素集合到仿真系統(tǒng)中，同時(shí)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限元分析和混沌理論等新方法用于提高建模能力，增強(qiáng)仿真模型預(yù)測(cè)的可靠性和適應(yīng)性，此外通過(guò)仿真系統(tǒng)與上層計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與共享，實(shí)現(xiàn)CAD、CAM、CAPP、PDM和ERP等系統(tǒng)的無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)零件加工過(guò)程的全要素?cái)?shù)字孿生。

4 智能生產(chǎn)線對(duì)數(shù)控加工技術(shù)的需求

4.1 數(shù)據(jù)+模型混合驅(qū)動(dòng)的工藝過(guò)程自主優(yōu)化技術(shù)

零件數(shù)控加工過(guò)程缺乏有效的數(shù)據(jù)采集手段，就難以保證產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的及時(shí)追溯，嚴(yán)重制約了工藝迭代優(yōu)化工作的開展。因此智能生產(chǎn)線上重要的一環(huán)就是通過(guò)有效的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，基于OPC/ DDE技術(shù)和先進(jìn)傳感器對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)及加工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和智能算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝參數(shù)優(yōu)化，并建立起優(yōu)化評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)工藝迭代優(yōu)化。

離散制造企業(yè)智能生產(chǎn)線中對(duì)加工前的毛坯質(zhì)量判定和毛坯的自適應(yīng)裝夾定位也是很重要的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)與模型驅(qū)動(dòng)的包容性分析和自適應(yīng)裝夾定位技術(shù)將是未來(lái)智能生產(chǎn)線中必不可缺的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)三維掃描測(cè)量技術(shù)、在機(jī)測(cè)量技術(shù)對(duì)毛坯進(jìn)行掃描，得到毛坯測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)加工余量配準(zhǔn)優(yōu)化方法，計(jì)算出毛料最佳加工姿態(tài)和切削余量，從而為實(shí)現(xiàn)毛坯自動(dòng)快速定位，保證產(chǎn)品加工基準(zhǔn)和加工過(guò)程的一致性奠定基礎(chǔ)。毛坯測(cè)量數(shù)據(jù)和余量配準(zhǔn)優(yōu)化模型的有效結(jié)合可實(shí)現(xiàn)毛坯的自適應(yīng)定位與余量最佳分配，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的自適應(yīng)加工。

4.2 基于集成化、專業(yè)化的通用數(shù)控設(shè)備的自適應(yīng)加工技術(shù)

傳統(tǒng)數(shù)控加工設(shè)備無(wú)法自動(dòng)根據(jù)加工過(guò)程的控制參數(shù)和切削參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，難以保證加工零件的精度、表面質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)加工效率的最大化。就刀具磨損檢測(cè)和壽命預(yù)測(cè)而言，目前多數(shù)企業(yè)的刀具壽命無(wú)法量化評(píng)價(jià)，基本依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性評(píng)估，加工質(zhì)量不可控。因此，迫切需要研究不同類型刀具及切削參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響，建立刀具壽命與切削參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合刀具壽命模型與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)控刀具當(dāng)前的磨損狀態(tài)和壽命。

智能化設(shè)備是通過(guò)智能化技術(shù)與設(shè)備基本功能的有效融合，具備加工過(guò)程參數(shù)動(dòng)態(tài)感知分析、智能優(yōu)化決策和自適應(yīng)精準(zhǔn)執(zhí)行功能的一類設(shè)備總稱。離散企業(yè)整個(gè)工廠的智能化水平在很大程度上取決于設(shè)備的智能化程度。通過(guò)集成狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行功能為一體的自適應(yīng)加工技術(shù)，開發(fā)具有數(shù)據(jù)采集、工件檢測(cè)、刀具壽命控制和再制造自適應(yīng)加工等功能的數(shù)控裝備，可為離散制造企業(yè)數(shù)控加工提質(zhì)增效奠定基礎(chǔ)。因此，通用數(shù)控設(shè)備的集成化和專業(yè)化，是傳統(tǒng)數(shù)控裝備向高端智能裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)。

4.3 智能化生產(chǎn)線建設(shè)與集成技術(shù)

由于數(shù)控編程過(guò)程中的工藝策略、切削參數(shù)及后置處理等工藝資源無(wú)法共享，人為影響因素較多，因而基于工藝資源集成數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)字化加工編程方法是智能加工編程的發(fā)展趨勢(shì)。在充分利用特征編程及標(biāo)準(zhǔn)工藝模板等方面研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)基于模型特征的自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)化編程及數(shù)據(jù)庫(kù)集成等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于加工特征、工藝資源集成數(shù)據(jù)庫(kù)支撐的數(shù)控加工程序自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化生成，提高數(shù)控加工編程的效率和質(zhì)量。

運(yùn)用數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)建立具備敏捷制造和柔性制造能力的智能化生產(chǎn)線，是離散制造企業(yè)從智能生產(chǎn)線向智能車間轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。對(duì)于航空航天等離散制造業(yè)的復(fù)雜精密零件，由于其毛料一致性差、加工特征多及數(shù)控加工周期長(zhǎng)，因而迫切需要開發(fā)適應(yīng)小批量、多品種精密零件加工的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。從毛坯包容性分析、機(jī)內(nèi)檢測(cè)和機(jī)床功率自適應(yīng)等技術(shù)集成應(yīng)用方面，實(shí)施數(shù)控加工單機(jī)機(jī)內(nèi)自動(dòng)化制造，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品加工一致性及制造質(zhì)量的提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控加工在智能生產(chǎn)線上的應(yīng)用，是航空航天產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)保證，是提質(zhì)增效的有效手段。數(shù)控加工技術(shù)在離散制造企業(yè)智能生產(chǎn)線的逐步擴(kuò)大應(yīng)用將大大提高企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量與產(chǎn)品制造效率，革新企業(yè)的經(jīng)營(yíng)模式，縮短創(chuàng)新周期，降低運(yùn)營(yíng)成本和資源消耗，以及推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。