數(shù)控技術在自動化機械制造中的應用

劉莉莉

（遼寧軌道交通職業(yè)學院，沈陽 110027）

數(shù)控技術在機械制造業(yè)得到了廣泛應用，不僅提高了工作效率，而且使產(chǎn)品更加精細。此技術使用電子編程高效控制不同類型的生產(chǎn)設備，屬于工業(yè)領域以計算機為基礎的自動化技術之一。近幾年，數(shù)控技術在我國機械制造行業(yè)中的應用范圍不斷擴大，但由于其在國內使用時間不長，經(jīng)驗不足，存在待改進之處?；诖耍疚尼槍?shù)控技術在工業(yè)、機床、汽車、航空以及采礦領域的具體應用進行分析，研究相關案例，探討技術優(yōu)勢，不斷改進和優(yōu)化數(shù)控技術。

1 數(shù)控技術在自動化機械制造中應用的重要性

1.1 提高操作精度

在傳統(tǒng)機械制造環(huán)節(jié)，車間生產(chǎn)涉及的流程多，且大多數(shù)是由人工操作機器完成的，易受到外界環(huán)境影響，如個人疏忽導致的操作失誤等。人工操作精準度無法達到機器生產(chǎn)標準，不利于提高產(chǎn)品質量，使得生產(chǎn)的產(chǎn)品質量參差不齊[1]。如果不合格產(chǎn)品流入市場，會影響消費者的體驗感。采用數(shù)控技術能充分發(fā)揮數(shù)字化優(yōu)勢，精確控制產(chǎn)品規(guī)格、種類，彌補傳統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)尺寸大小不一的缺陷，提高操作精度，同時有助于提高生產(chǎn)的零部件的精密性和準確率。

1.2 降低制造成本

機械制造全過程包含諸多工序、流程，其中既涉及設計環(huán)節(jié)的準備工作，也涵蓋審核、預處理以及預加工等細小環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，以上操作多是由人工完成的，需要的人力、物力以及財力較大。數(shù)控技術在各個環(huán)節(jié)的應用，使工作變得簡單，多數(shù)操作可以由設備代替人工，無須投入大量人力。數(shù)控技術的應用降低了因人工操作失誤帶來的反工、重做風險，實現(xiàn)了制造過程的自動化，提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本，增加了企業(yè)的經(jīng)濟收益。

2 機械制造自動化中數(shù)控技術的應用

2.1 工業(yè)生產(chǎn)

工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復雜多變，特別是一些機械化流水線作業(yè)，很難在這樣的環(huán)境中進行人工操作。數(shù)據(jù)技術應用減少了安全事故的發(fā)生，有利于達到安全生產(chǎn)標準[2]。通常情況下，在工業(yè)生產(chǎn)場景中會構建基于計算機的自動化體系，其中包含控制中樞、內控單元、驅動單元以及執(zhí)行單元。例如，在數(shù)控車床操作時，主要采用伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)劃分為開環(huán)、半閉環(huán)以及閉環(huán)，具體框架分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 數(shù)控車床的開環(huán)控制系統(tǒng)

圖2 數(shù)控車床的半閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖3 數(shù)控車床的閉環(huán)控制系統(tǒng)

數(shù)控車床中樞能與其他構件分離，也可以通過人工操作或者控制。在計算機中輸入已編輯好的程序，遠程控制中樞實現(xiàn)自動化操作，完成人力無法完成的高難度作業(yè)。當基于數(shù)控技術應用的自動化作業(yè)發(fā)生故障時，傳感器、檢測設備會及時接收到電位變化的相關信息，并第一時間上傳。此時，中控系統(tǒng)將停止輸出作業(yè)指令，啟動預警系統(tǒng)，降低操作安全風險。數(shù)控技術在工業(yè)生產(chǎn)中的應用，發(fā)揮了信息控制優(yōu)勢，可最大限度降低風險，提質增效，促進生產(chǎn)目標的達成，創(chuàng)造更高的效益。

2.2 汽車制造領域

數(shù)控技術在汽車制造領域的應用非常廣，如焊接、組裝以及零部件加工等。應用數(shù)控技術簡化了制造工藝，大幅提高了制造自動化水平和產(chǎn)品質量，使得汽車零部件制造精度更高[3]。例如，數(shù)控技術在汽車覆蓋件模具制造中的突出優(yōu)勢。

首先，明確加工策略和工藝參數(shù)，按照規(guī)定流程進行操作，如圖4所示。每一個環(huán)節(jié)都非常重要，經(jīng)過定位、加工環(huán)節(jié)后，待檢驗合格才能進行下一步操作。

圖4 汽車覆蓋件模具制造流程

其次，設計數(shù)控工藝。具體設計流程以客戶提出的要求為準。設計部門根據(jù)圖紙完成設計，工藝部門審查圖紙設計是否科學、合理，是否具備可操作性。設計部門結合工藝部門的修改，調整圖紙，并將最終工藝方案上交工藝部門。根據(jù)圖紙試制模具，若模具各項性能達標，表明圖紙及工藝方案設計是合理的。

最后，優(yōu)化加工工藝，確保數(shù)控加工更加精確。優(yōu)化時重點以粗加工、精加工為主，其中優(yōu)化粗加工工藝參數(shù)時要結合刀具直徑、切削量。最小曲率半徑不小于12 mm時，精加工刀具半徑要為最小曲率半徑的0.5～0.75倍；最小曲率半徑小于12 mm時，精加工刀具半徑要為最小曲率半徑的0.75～1倍。粗加工刀具最大直徑可表示為

式中：D精為精加工刀具直徑；δ允max為允許最大加工余量；δ搭min為允許最小搭刀量；δ余為加工余量；α為凹陷與邊界夾角，一般為0°～180°。在獲取精加工刀具直徑的前提下，可以直接使用計算獲得。在優(yōu)化粗加工刀具直徑時，要先讀取工件幾何模型，計算代加工表面最小曲率半徑和平均曲率半徑后，再計算精加工刀具直徑和允許最大加工余量，輸出加工余量和最小搭刀量，明確最小邊界夾角范圍，根據(jù)式（1）選擇粗加工刀具直徑。優(yōu)化粗加工切削量時，要重視切削速度、深度及進給量，根據(jù)工藝系統(tǒng)剛度承受范圍、機床約束條件、刀具耐磨性，得出

式中：Tc為全部切削時間；Tt為全部空刀時間；Tu為裝卸及準備工件時間；Td為換刀占用時間；T為刀具使用全周期壽命。

優(yōu)化細加工切削量時，也需要獲取式（2）的值，但需要注意優(yōu)化時限制性因素為加工表面粗糙度、允許最大粗糙度等。

除了關注粗加工、精加工優(yōu)化時刀具、切削量的選擇外，還要關注走刀方式、螺旋線刀位軌跡、平行線刀位軌跡以及充填法等。汽車制造涉及的零部件多，對于精細化要求高。數(shù)控技術的應用不僅實現(xiàn)了制造自動化，而且計算過程更加準確，降低了零部件制造誤差，有助于提高汽車的整體性能及質量。

2.3 航空工業(yè)

航空制造與其他工業(yè)制造存在明顯差異，其中航空制造對技術含量的要求更高，主要原因是在制造過程中涉及了一些高硬度、高強度、高韌度、高熱硬性、耐磨性、良好耐熱沖擊性及化學穩(wěn)定性的零部件[4]。應用數(shù)控技術能夠提高工藝水平，發(fā)揮其精度高、柔韌性好的優(yōu)勢。例如，制造飛機發(fā)動機機匣時，主要有對開環(huán)形、整體環(huán)形以及異形殼體3種結構，多使用耐高溫、高強度的鈦合金材料。機匣結構要求薄壁、弱剛性，型面復雜，對精度要求高，加工難度大。機匣屬于大型零件，如果航空發(fā)動機機匣有15 000 kg，那么直徑應該是Ф800 mm。大飛機大型風扇機匣外形尺寸為Ф1 825.5 mm×546 mm時，最薄處的壁厚僅為3 mm。因此，在制造機匣時應選用一些中型、大型且功能較多、精度高的數(shù)控機床。比如，制造直徑為Ф2 000 mm的數(shù)控立車、精密數(shù)控立車時，工作臺尺寸是2 400 mm×5 000 mm龍門式五軸聯(lián)動制造中心，同時要擁有雙工位、在線測量以及仿真等功能，刀庫容量在60把以上。數(shù)控系統(tǒng)具備高級編程功能，工作臺為3 000 mm×5 000 mm龍門式數(shù)控鏜銑床，能夠滿足航空制造提出的高要求。數(shù)控設備剛性強，操作簡單，能實現(xiàn)人機交互，能高精度制造加工眾多拐角，同時具備在線測量與仿真功能。

3 數(shù)控技術在自動化機械制造中的應用前景及發(fā)展趨勢

3.1 智能化

近年我國進入科學技術高速發(fā)展時期，自動化機械制造中對超精密度的需求越來越高。普通加工件精度雖然與過去相比提高了近1倍（能夠實現(xiàn)5 μm精度），精密加工件提高了2個數(shù)量級，但社會制造業(yè)發(fā)展快，科技水平越來越高，超精密加工件精度不僅要實現(xiàn)納米級，還應該不斷提高數(shù)控系統(tǒng)適應能力，由原來的自動化轉變?yōu)橹悄芑?，最關鍵的是要提高自適應控制系統(tǒng)調整進給速率。在編程控制器層面，自動編程技術實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。從數(shù)控技術長遠發(fā)展角度出發(fā)，未來自動化機械制造趨于智能化控制，因此需要更多的技術人員給予支持，不斷對數(shù)控工藝系統(tǒng)升級、優(yōu)化、改進，以推進智能制造快速發(fā)展。

3.2 網(wǎng)絡化

網(wǎng)絡技術發(fā)展迅速，正逐步實現(xiàn)全球網(wǎng)絡一體化，促使機械制造行業(yè)的網(wǎng)絡化和信息化成為未來的發(fā)展趨勢[5]。企業(yè)內部應該構建數(shù)控數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，促進各部門間的數(shù)據(jù)高效共享。各部門都可以根據(jù)自身權限快速查閱、查實相關數(shù)據(jù)，最大程度上為工藝改進、技術優(yōu)化提供最新的參數(shù)。此外，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡化可以遠程操作儀器，提高自動化水平。

3.3 開放型數(shù)控系統(tǒng)

在自動化機械制造中，計算機技術發(fā)揮了重要作用。但是，封閉式數(shù)控的缺點多，如維修難、軟件移植效果不理想等，導致用戶的有些需求無法滿足，且用戶很難結合自身需求更改程序，系統(tǒng)擴展性能較差。在以后的發(fā)展中，需要引進開放性數(shù)控系統(tǒng)，結合用戶需求高效運行，實現(xiàn)接口、通信、交互等模式的標準化、規(guī)范化，也使維修、軟件移植更加方便快捷。

4 結語

在自動化機械制造過程中應用數(shù)控技術，不管是工藝水平還是自動化水平均有明顯提高，應用范圍也日益擴大，提高了機械制造效率和制造精準度，為智能化和網(wǎng)絡化發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。