3D自動(dòng)化無人加工過程控制

瑞鵠汽車模具有限公司（安徽蕪湖 241009） 宋 丹 劉玉明

近年來，國(guó)內(nèi)各大汽車主機(jī)廠車型更新日益加快，換型周期越來越短，作為大型汽車覆蓋件模具企業(yè)要達(dá)到高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)模具的目標(biāo)，必須加快企業(yè)技術(shù)提升、技術(shù)創(chuàng)新的步伐。數(shù)控加工是模具制造過程最重要的環(huán)節(jié)之一，而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化無人加工是模具廠家所追求的高層次階段，是體現(xiàn)和衡量其加工技術(shù)水平、技術(shù)含金量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

2011年我公司開始全面實(shí)現(xiàn)了（精銑）數(shù)控加工中心的3D自動(dòng)化無人加工。開發(fā)和推進(jìn)中遇到了各種難題，由于編程、機(jī)加、刀具配送等部門的通力協(xié)作，通過技術(shù)提升和改善，在3D自動(dòng)化加工方面取得了一定的成績(jī)。覆蓋件模具加工包括結(jié)構(gòu)面2D加工和型面3D加工，本文介紹的僅是型面3D自動(dòng)化加工相關(guān)內(nèi)容（見圖1、圖2）。

3D自動(dòng)化無人加工實(shí)施過程涉及模具數(shù)學(xué)模型標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)控編程標(biāo)準(zhǔn)化、刀具配置動(dòng)/靜態(tài)管理、機(jī)床刀具庫(kù)管控、刀具壽命規(guī)范化管理、（不同控制系統(tǒng)、不同主軸附件銑頭）機(jī)床宏程序開發(fā)、工件機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定規(guī)范化、多環(huán)節(jié)全程安全保障標(biāo)準(zhǔn)建立等多個(gè)環(huán)節(jié)；諸多環(huán)節(jié)涉及模具機(jī)加過程的所有工序，真正實(shí)現(xiàn)控制過程無錯(cuò)誤發(fā)生在數(shù)控加工中心3D無人自動(dòng)化加工中難度最大。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)小的錯(cuò)誤和紕漏都將造成3D自動(dòng)化加工中斷、甚至是模具加工過切、刀具折斷、撞機(jī)等嚴(yán)重事故發(fā)生，因此過程控制對(duì)于3D自動(dòng)化無人加工（又稱數(shù)控機(jī)床無人值守加工）的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

一、3D自動(dòng)化無人加工控制過程及工作原理

覆蓋件模具數(shù)控加工長(zhǎng)期以來一直沿用由操作員調(diào)用單段獨(dú)立NC程序加工的模式，這種加工模式應(yīng)屬于機(jī)械化加工范疇。機(jī)械化是將數(shù)控加工的基本動(dòng)作由機(jī)床代替人工來完成，但操作和管理加工過程基本動(dòng)作的操縱工作需要操作員手動(dòng)完成；自動(dòng)化是在機(jī)械化基礎(chǔ)上，不僅數(shù)控加工基本動(dòng)作由數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)，還需要把操作和管理加工過程基本動(dòng)作操縱工作交給機(jī)床來完成。機(jī)床代替人工實(shí)現(xiàn)操縱工作順利完成是自動(dòng)化加工的重要標(biāo)志。

針對(duì)模具型面3D加工而言，原來機(jī)械化模式數(shù)控加工是由操作員實(shí)施手動(dòng)裝夾更換刀具，手動(dòng)實(shí)施對(duì)刀、測(cè)刀、添加刀具補(bǔ)償?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中，通過人工調(diào)用諸多單一程序?qū)嵤┕ぜ庸?；?D自動(dòng)化加工是將上述全部動(dòng)作都交給數(shù)控加工中心無人操縱完成。

實(shí)現(xiàn)3D自動(dòng)化無人加工硬件及系統(tǒng)環(huán)境要求是：機(jī)床必須是數(shù)控加工中心；配備了機(jī)床刀具庫(kù)和自動(dòng)換刀、自動(dòng)測(cè)刀裝置的數(shù)控機(jī)床才能稱之為數(shù)控加工中心。

數(shù)控加工基本動(dòng)作包括：主軸及（所有附件銑頭）正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；X/Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)；Z軸滑枕或套筒運(yùn)動(dòng)；W軸的橫梁運(yùn)動(dòng)；五軸加工的A/B/C軸運(yùn)動(dòng)等。數(shù)控加工基本運(yùn)動(dòng)是通過機(jī)床控制系統(tǒng)執(zhí)行NC代碼（G代碼、M代碼、S代碼等）組成的程序段來實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備機(jī)械化加工的。

數(shù)控加工中心操縱動(dòng)作包括識(shí)別、檢測(cè)、更換刀具，子程序順序調(diào)用，附件銑頭調(diào)用、自動(dòng)加工安全預(yù)警等；通過開發(fā)主程序自動(dòng)生成軟件和自動(dòng)化加工過程控制來實(shí)現(xiàn)機(jī)床基本動(dòng)作和操縱動(dòng)作的全自動(dòng)化過程，以此達(dá)到了數(shù)控加工中心無人值守加工的目的（見圖3）。

二、3D自動(dòng)化無人加工過程控制常見問題分析及解決方案

1.3D自動(dòng)化加工刀具配置標(biāo)準(zhǔn)化管理階段刀具成本難于控制的成因分析

3D自動(dòng)化加工時(shí)需要為一個(gè)數(shù)控機(jī)床配置幾十把甚至上百把刀具，在刀具配置標(biāo)準(zhǔn)化管理階段，這么龐大的配置量，刀具成本控制是個(gè)難題。壁如：覆蓋件模具加工類型寬泛，包括了車身覆蓋件外板、內(nèi)板件的大、中型模具全工序都有加工；因模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，僅3D型面加工就需要配備多類型、多規(guī)格大批刀投入使用；如果為了滿足復(fù)雜模具加工的需求，配置數(shù)量過多的刀具，平衡各種類型模具加工時(shí)就會(huì)造成大量刀具閑置；反過來如果盡量使配置刀具數(shù)量最小化，成本雖然降低了但卻滿足不了復(fù)雜模具的批量加工需求（見圖4、圖5）。

解決上述問題的思路是：各工序模具3D自動(dòng)化加工對(duì)刀具配置的需求量和刀具成本控制要找到一個(gè)平衡點(diǎn)，同一種類不同規(guī)格刀具數(shù)量配置比例要達(dá)到相對(duì)合理。從這兩個(gè)角度入手上述問題可以解決。

2.3D自動(dòng)加工配置刀具成本控制的解決方案

通過3D自動(dòng)化加工試驗(yàn)，我們制定科學(xué)的刀具選用原則和刀庫(kù)選刀方式具體解決刀具庫(kù)配置和刀具成本控制等問題。

自動(dòng)加工刀具選用原則歸納為以下三點(diǎn)：①為保證刀具高的壽命和可靠性能，選用的刀具需由高效率、高性能、壽命長(zhǎng)的材料制成。②選用鑲裝刀片結(jié)構(gòu)的刀具更適合自動(dòng)化加工。③實(shí)施高速自動(dòng)化加工時(shí)要選用動(dòng)平衡性能好的刀具。

按此選刀原則我們?yōu)?D自動(dòng)化加工配置的精銑刀具實(shí)現(xiàn)了模具鑄鐵材料型面連續(xù)切削三十幾個(gè)小時(shí)的目標(biāo)，減少了每臺(tái)機(jī)床不同規(guī)格相同伸長(zhǎng)精銑刀具的配置數(shù)量。僅此一項(xiàng)五臺(tái)加工中心刀具庫(kù)共節(jié)省15把30球刀的配置量，節(jié)約成本約5萬元。

試驗(yàn)中我們確定用兩種刀庫(kù)選刀方式實(shí)施分析驗(yàn)證，分別為順序選刀方式和任意選刀方式。

（1）順序選刀方式 嚴(yán)格根據(jù)工序的先后順序依次將刀具安放在刀具庫(kù)中，調(diào)用時(shí)按模具加工順序逐一取出使用；它的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，工作可靠；缺點(diǎn)是刀具庫(kù)刀具配備數(shù)量較多，機(jī)床更換模具部件加工時(shí)機(jī)床刀具庫(kù)必須重新排列刀具，頻繁地配刀和排列刀具，導(dǎo)致人為錯(cuò)誤產(chǎn)生幾率加大，給3D自動(dòng)化加工帶來極大的安全隱患。

（2）任意選刀方式 是根據(jù)程序指令的要求任意選擇所用刀具，刀具在刀具庫(kù)中固定刀號(hào)存放，利用控制系統(tǒng)來識(shí)別、記憶所有刀具和刀座。其優(yōu)點(diǎn)是相同的刀具在工件一次裝夾中可重復(fù)使用，因此刀具數(shù)量較合理，自動(dòng)換刀裝置通用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。

通過兩種方式對(duì)比分析，考慮我公司模具加工實(shí)際情況，我們確定任意選刀方式用于3D自動(dòng)化加工。根據(jù)3D自動(dòng)化加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證結(jié)論和大批量模具加工刀具使用頻率的分析結(jié)果，我們?yōu)闄C(jī)床刀具庫(kù)配置了一定數(shù)量的固定刀具，另外在刀具庫(kù)中還預(yù)留多個(gè)刀座位置動(dòng)態(tài)配置部分刀具，方法是：用一套公用刀具供五臺(tái)加工中心隨機(jī)選用，節(jié)省了另外4臺(tái)加工中心同類型刀具的配置成本；此方法成功地避免了使用頻率較低刀具的閑置現(xiàn)象發(fā)生，從而達(dá)到了刀具成本控制的目的。通過近一年的運(yùn)行，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)3D自動(dòng)加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和刀具使用頻率分析等方法，對(duì)機(jī)床刀具庫(kù)實(shí)施了刀具規(guī)格小范圍的調(diào)整，使公司5臺(tái)數(shù)控加工中心刀具庫(kù)刀具配置達(dá)到了相對(duì)合理狀態(tài)。

3.刀具在線識(shí)別和刀具壽命管理標(biāo)準(zhǔn)化問題原因分析

刀具庫(kù)配置完成后，如何做到刀具配置標(biāo)準(zhǔn)化管理，又成了3D自動(dòng)化加工的另一難題。實(shí)際上大家極易忽略的是刀具在線切削狀態(tài)控制（即為刀具自動(dòng)識(shí)別）和自動(dòng)加工過程中刀具壽命管理標(biāo)準(zhǔn)化等問題對(duì)無人加工的影響，這些問題不解決，會(huì)導(dǎo)致模具加工質(zhì)量問題頻繁發(fā)生。

刀具初次裝入刀具庫(kù)前已經(jīng)實(shí)施了刀具靜態(tài)檢測(cè)，保證刀具各項(xiàng)指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，這方面容易控制；大型復(fù)雜模具3D自動(dòng)無人加工時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)100多小時(shí)，3D自動(dòng)加工過程中刀具磨損、崩刃、折斷，切削纏繞、切削振顫、刀具跳動(dòng)等均屬于加工在線切削狀態(tài)，如何做到能夠在加工過程中自動(dòng)識(shí)別和準(zhǔn)確判斷上述情況并作出對(duì)應(yīng)的自動(dòng)安全回應(yīng)呢？這些又是3D自動(dòng)加工中需要重點(diǎn)解決的問題之一。

4.刀具在線識(shí)別問題的解決方案

首先針對(duì)刀具庫(kù)中各類型所有規(guī)格的刀具定義出對(duì)應(yīng)在線加工狀態(tài)下刀具變化限定值和限定范圍；對(duì)不同形式的刀柄端面間隙做出互換設(shè)定；限定和設(shè)定依據(jù)則是刀具性能和模具加工材料、機(jī)床主軸功率等技術(shù)參數(shù)，另外要參考以往積累的模具加工參數(shù)、刀具切削參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)用于以上限定值的制定；依據(jù)限定值編制出不同數(shù)控控制系統(tǒng)的機(jī)床宏程序，通過控制系統(tǒng)和機(jī)床刀長(zhǎng)檢測(cè)裝置完成對(duì)刀具自動(dòng)識(shí)別的工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工過程中對(duì)刀具磨損、崩刃、折斷的線判斷和安全回應(yīng)（見圖6、圖7）。

5.刀具壽命管理階段問題解決

刀具壽命管理包括刀具裝配標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、刀具更換標(biāo)準(zhǔn)、刀具庫(kù)管理流程規(guī)范及無過錯(cuò)定義刀具等。

（1）在線自動(dòng)檢測(cè)刀長(zhǎng)實(shí)施補(bǔ)償報(bào)警問題的解決方案 我公司3D自動(dòng)化加工試運(yùn)行初期，在線自動(dòng)檢測(cè)刀長(zhǎng)實(shí)施補(bǔ)償遇到瓶頸。主程序空運(yùn)行試切（模擬運(yùn)行）時(shí)兩臺(tái)機(jī)床均出現(xiàn)了多把甚至是十幾把刀具頻繁報(bào)警的情況，經(jīng)過排查，找到了問題的主要癥結(jié)：刀具裝配超出了主程序中設(shè)定的有關(guān)刀具長(zhǎng)度等的限定范圍，超差僅為百分之幾都會(huì)報(bào)警。經(jīng)過分析有兩點(diǎn)主要原因：一是配刀沿用非自動(dòng)加工的刀具裝刀方式，沒有按自動(dòng)加工配刀標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；二是刀具庫(kù)裝刀后測(cè)量工具和測(cè)量方法不完善。

解決方法：首先根據(jù)我公司實(shí)際情況制定刀具裝配公差范圍標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)制定嚴(yán)格的配刀管理制度來實(shí)施刀具裝配階段的過程控制。再則通過技術(shù)改善，提高刀具裝配準(zhǔn)確率。公司刀具配送和測(cè)量中心具體實(shí)施自動(dòng)化刀具的裝配和測(cè)量工作，其中有兩個(gè)環(huán)節(jié)最容易導(dǎo)致刀具伸長(zhǎng)裝配誤差，一是刀體與刀柄的裝配均為人工操作，二是整體鎢鋼刀刃部磨損后要通過熱夾方式多次更換裝配。我們通過設(shè)計(jì)制造裝刀輔助工具配合標(biāo)準(zhǔn)量具實(shí)施刀具裝配，使3D自動(dòng)加工刀具裝刀和刀長(zhǎng)限定均做到了在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；經(jīng)過3個(gè)月的實(shí)施推動(dòng)，完全消除了自動(dòng)檢測(cè)刀長(zhǎng)實(shí)施補(bǔ)償時(shí)出現(xiàn)報(bào)警的問題。

（2）刀具更換標(biāo)準(zhǔn)難確定問題原因分析及解決方案 3D自動(dòng)加工刀具更換依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)不好確定，鑲片刀刀片和整體鎢鋼刀磨損量是以加工時(shí)間為準(zhǔn)還是以磨損情況為準(zhǔn)？檢測(cè)手段是以設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)還是以目視檢測(cè)破損程度為準(zhǔn)？如果每次自動(dòng)加工結(jié)束后都把所有刀具從刀具庫(kù)取下來送到刀具測(cè)量中心檢測(cè)，一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備根本無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)完成；如果自動(dòng)化加工前沒有制定出完善的刀具檢測(cè)更換標(biāo)準(zhǔn)和管理制度，就會(huì)有刀具檢測(cè)更換不及時(shí)情況發(fā)生，將直接影響3D自動(dòng)加工模面質(zhì)量。

解決方案：制定數(shù)控加工中心自動(dòng)化加工刀具日點(diǎn)檢制度，加工結(jié)束后由機(jī)床檢查刀具情況（見圖8），精加工刀片即刻更換，用于多刀清角的鎢鋼刀根據(jù)加工時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行及時(shí)更換。磨損的鎢鋼刀和刀片由配送中心實(shí)施檢測(cè)，磨損量在規(guī)定范圍內(nèi)的刀具將用于半精銑和單刀清角；刀具檢測(cè)中心實(shí)施待更換刀具的裝配和配送，并配合機(jī)加工人員用對(duì)刀座號(hào)的方法準(zhǔn)確將刀具放置到機(jī)床刀具庫(kù)中。理控制刀具成本，我們采用的是刀具庫(kù)固定一定數(shù)量刀具結(jié)合批量刀具動(dòng)態(tài)管理的方式管理刀具庫(kù)；其中采用的任意選刀方式，避免了機(jī)床刀具庫(kù)使用頻率較低刀具的閑置問題，降低了刀具成本?？墒谴朔N模式中公用刀具需要編程員人為動(dòng)態(tài)選取并命名刀具號(hào)，要求編程員對(duì)動(dòng)態(tài)刀具定義必須完全正確。

刀具庫(kù)固定刀具已在軟件中設(shè)定成庫(kù)直接調(diào)用，動(dòng)態(tài)刀具則需要編程員在庫(kù)中調(diào)用后重新定義刀具號(hào)，有了人為操作就不可能達(dá)到真正100％無過錯(cuò)；盡管編程制定了刀具定義的標(biāo)準(zhǔn)也實(shí)施了培訓(xùn)，但在3D自動(dòng)化運(yùn)行兩年的時(shí)間里還是出現(xiàn)了因動(dòng)態(tài)刀具定義錯(cuò)誤、動(dòng)態(tài)刀具號(hào)定義重復(fù)問題導(dǎo)致模具型面局部過切的問題發(fā)生。

解決方案：開發(fā)刀具批定義軟件，限定固定刀具號(hào)范圍和動(dòng)態(tài)刀具號(hào)范圍，通過軟件方式自動(dòng)識(shí)別過濾掉重復(fù)刀具號(hào)和錯(cuò)誤刀具號(hào)；這一改善去除了刀具定義環(huán)節(jié)的人為操作，通過自動(dòng)方式生成了動(dòng)態(tài)刀具，具體實(shí)施后徹底解決了此問題。

三、結(jié)語(yǔ)

（3）全程刀路無過切過程階段問題——?jiǎng)討B(tài)刀具定義易產(chǎn)生錯(cuò)誤的解決方案 前面提到，為了合

3D自動(dòng)化加工在日本等國(guó)外大型汽車模具公司應(yīng)用較普遍，國(guó)內(nèi)僅有一汽模具和一汽豐田模具等個(gè)別大型企業(yè)真正實(shí)現(xiàn)了3D自動(dòng)化加工。一些企業(yè)自動(dòng)加工試運(yùn)行階段因過程控制手段不完善，頻繁出現(xiàn)過程問題點(diǎn)，導(dǎo)致模具數(shù)控加工效率下滑，故而中止了自動(dòng)加工試驗(yàn)和開發(fā)。

我公司在3D自動(dòng)化加工試運(yùn)行階段對(duì)本文提到的過程控制問題點(diǎn)制訂出有效的解決方案，做到了3D自動(dòng)化加工在試運(yùn)行階段就能夠穩(wěn)定運(yùn)行；在保證提高加工效率和加工質(zhì)量的前提下，我們通過科學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、任意選刀等方法的應(yīng)用，做到了合理配置自動(dòng)加工刀具庫(kù)，避免了閑置刀具問題發(fā)生，使刀具成本得到了很好的控制。

目前我公司3D自動(dòng)化加工平穩(wěn)運(yùn)行已經(jīng)超過了兩年的時(shí)間，機(jī)加車間五臺(tái)數(shù)控加工中心實(shí)現(xiàn)了真正意義上的3D型面無人值守加工。尤其節(jié)假日（長(zhǎng)、短假期），周六周日和中夜班等時(shí)段，機(jī)加車間都合理安排加工中心實(shí)施3D型面無人值守加工，在提高數(shù)控機(jī)床勞動(dòng)生產(chǎn)率和減少工人工作量等方面發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)作用。