數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用

江蘇省如皋第一中等專業(yè)學(xué)校 吳鵬宇

智能制造是以智能工廠為載體、網(wǎng)絡(luò)為支撐的智能化生產(chǎn)加工過程，即將先進(jìn)信息通信技術(shù)、制造技術(shù)相結(jié)合，融入至設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及管理等制造作業(yè)的各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與系統(tǒng)及企業(yè)間的有效互通互聯(lián)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)方式的不足，促使新的智能制造產(chǎn)業(yè)形成，以增強(qiáng)制造行業(yè)的整體競爭力。本文主要對(duì)數(shù)控技術(shù)在智能制造中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析，并指出該技術(shù)的具體應(yīng)用，希望為數(shù)控技術(shù)在智能制造中推廣、應(yīng)用提供新思路。

在新一輪產(chǎn)業(yè)和科技革命下，制造業(yè)中逐漸融入了大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新的信息技術(shù)，推動(dòng)制造行業(yè)朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化及數(shù)字化的方向發(fā)展。智能制造是指智能制造技術(shù)與智能制造系統(tǒng)的合稱，屬于一種人機(jī)一體化的職能制造系統(tǒng)，主要包含智能機(jī)械與專業(yè)人員，通過高度柔性與集成的方式，將智能制造技術(shù)充分融入到制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，該模式具備極強(qiáng)的自律能力，通過系統(tǒng)采集、理解自身與環(huán)境信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)自身的行為作出客觀準(zhǔn)確的分析、判斷和規(guī)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人與機(jī)械之間的高度統(tǒng)一。同時(shí)，數(shù)控技術(shù)作為一種新型機(jī)床加工技術(shù)，在加工精度、效率、產(chǎn)品適應(yīng)性等方面優(yōu)勢突出，將該技術(shù)應(yīng)用于汽車工業(yè)、機(jī)械制造、航空航天及智能機(jī)器人生產(chǎn)等方面，不僅可以推動(dòng)制造業(yè)生產(chǎn)方式，而且能夠提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約，為智能制造企業(yè)創(chuàng)造更多效益。

1 數(shù)控技術(shù)及其在智能制造中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)分析

1.1 定義及原理

數(shù)控技術(shù)指的是借助數(shù)控設(shè)備（數(shù)控機(jī)床）進(jìn)行自動(dòng)化加工的技術(shù)，其中數(shù)控機(jī)床這一關(guān)鍵設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)柔性自動(dòng)化，數(shù)控機(jī)床加工原理為：使用規(guī)范的代碼、格式將被加工零件圖紙上的工藝、幾何信息編寫成加工程序，將其輸入至數(shù)控裝置，按照程序要求對(duì)信息進(jìn)行處理、分配，然后以最小位移量對(duì)各坐標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)，其合成運(yùn)動(dòng)即刀具與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)零件的加工。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

1.2.1 能夠提升制造加工效率

數(shù)控技術(shù)已普遍應(yīng)用于智能制造的全過程中，其中在機(jī)床操控方面，該技術(shù)與智能系統(tǒng)的相結(jié)合，便于機(jī)床自主判斷、分析數(shù)據(jù)、診斷問題等，以提升智能制造生產(chǎn)加工效率。同時(shí)，對(duì)精密零件產(chǎn)品生產(chǎn)加工時(shí)，由于這類產(chǎn)品對(duì)生產(chǎn)要求比較高，合理利用數(shù)控技術(shù)，使產(chǎn)品在高自動(dòng)化生產(chǎn)中的加工難度降低，保證零部件產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，縮減生產(chǎn)加工時(shí)間，即實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的控制。

1.2.2 提高產(chǎn)品加工精度

與普通機(jī)械加工相比較，數(shù)控技術(shù)在智能制造中應(yīng)用，可根據(jù)產(chǎn)品圖樣要求來設(shè)定加工程序，減少以往人為因素對(duì)產(chǎn)品精度的干擾，并且數(shù)控系統(tǒng)具備誤差補(bǔ)償、自動(dòng)檢測功能，尤其在加工精密機(jī)械零件過程中，可借助機(jī)床系統(tǒng)來保證加工精度，且在同一數(shù)控設(shè)備上對(duì)零件進(jìn)行批量生產(chǎn)加工，確保其質(zhì)量更加穩(wěn)定，提高產(chǎn)品加工精確度。

1.2.3 凸顯出數(shù)控技術(shù)很強(qiáng)的適應(yīng)性

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)各類零件產(chǎn)品的精度、復(fù)雜性提出了更高的要求，意味著生產(chǎn)加工難度加大。而在智能制造中應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，充分利用數(shù)控機(jī)床本身所具備的適應(yīng)性強(qiáng)這一特點(diǎn)，對(duì)更新速度快、復(fù)雜的產(chǎn)品進(jìn)行加工，比如借助CAM、CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的加工[1]，尤其可以對(duì)一些無法直接監(jiān)測的部位進(jìn)行加工，凸顯出數(shù)控機(jī)床多軸聯(lián)動(dòng)功能這一優(yōu)勢。

1.2.4 提高生產(chǎn)管理水平

智能制造中融入數(shù)控技術(shù)，可根據(jù)實(shí)際加工要求進(jìn)行自動(dòng)變速、換刀等，無需人工操作就可以實(shí)現(xiàn)加工工序的集中，使以往依靠人工操作的勞動(dòng)強(qiáng)度降低，為工作人員提供相關(guān)安全的作業(yè)環(huán)境。同時(shí)，利用數(shù)控機(jī)床來加工零件，可以準(zhǔn)確計(jì)算其加工所需時(shí)間，評(píng)估其生產(chǎn)周期、產(chǎn)品交付時(shí)間等，并且對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)情況、機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，促使生產(chǎn)管理水平提升。

2 數(shù)控技術(shù)在智能制造中的具體應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于機(jī)械制造方面

2.1.1 應(yīng)用木材加工

目前所使用的數(shù)控機(jī)床木材加工設(shè)備包括數(shù)控鏤銑機(jī)、數(shù)控加工中心、數(shù)控仿形磨機(jī)等[2]。其中數(shù)控鏤銑機(jī)是用于木材加工處理的設(shè)備，借助三軸聯(lián)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)木材的雕刻、鏤銑、鉆削加工，結(jié)合木材加工銑削速度快這一特性，使加工刀具在坐標(biāo)軸空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)圓弧或直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，滿足加工工序高速、位置精確等要求，確保復(fù)雜加工零件的外觀形狀、質(zhì)量，在木材加工中，主軸變速效果、轉(zhuǎn)速率會(huì)影響加工效果，將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用其中，即鏤銑機(jī)主軸結(jié)構(gòu)使用高速電主軸結(jié)構(gòu)，電主軸所使用的傳動(dòng)方式為“零傳動(dòng)”，機(jī)床主軸內(nèi)置電機(jī)，使機(jī)床主軸與電子轉(zhuǎn)子融為一體，驅(qū)動(dòng)主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，且將冷卻裝置設(shè)置于電機(jī)外殼與定子間，使電主軸在工作過程中保持恒溫，以滿足木材加工中對(duì)不同樹種、工藝的加工要求。

2.1.2 應(yīng)用于采煤機(jī)制造

隨著煤礦業(yè)工藝水平的不斷提升，對(duì)采煤機(jī)械裝備性能、可靠性等提出更高的要求。而采煤機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況受其零部件生產(chǎn)精度因素影響，為了解決以往采煤機(jī)加工中人工劃線下料導(dǎo)致尺寸偏差、材料浪費(fèi)問題，將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用中，即用數(shù)控切割來替代以往的仿形法，基于數(shù)控技術(shù)下的采煤機(jī)加工下料流程如圖1所示，通過龍骨板程序進(jìn)行下料，使生產(chǎn)效率得以提高，并且數(shù)控切割機(jī)具有自動(dòng)可調(diào)切縫補(bǔ)償功能，借助程序來控制構(gòu)件的實(shí)際輪廓，相當(dāng)于數(shù)控機(jī)床對(duì)銑刀半徑的補(bǔ)償，即通過調(diào)節(jié)切縫補(bǔ)償值就可以對(duì)毛坯件的加工余量進(jìn)行精確控制；在切削加工方面，借助數(shù)控技術(shù)對(duì)形狀復(fù)雜、精度要求高的零件進(jìn)行加工，比如采煤機(jī)的搖臂、行走部位的支撐輪等零件會(huì)設(shè)有密封圈，且安裝槽設(shè)置為曲面形狀，浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)中其密封可靠性受內(nèi)外環(huán)凹曲面加工精度影響，使用數(shù)控機(jī)床編程加工，能夠確保其凹曲面的精度，即滿足浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用要求。此外，掘進(jìn)機(jī)、輸送機(jī)及液壓支架作為煤礦開采中重要機(jī)械設(shè)備，這些設(shè)備的零部件均采取焊接工藝技術(shù)加工，為了確保焊接質(zhì)量和效率，將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用到其中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，實(shí)時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測、反饋，合理調(diào)整焊接工藝參數(shù)。

圖1 基于數(shù)控技術(shù)下的采煤機(jī)加工下料流程圖Fig.1 Shearer processing and blanking flow chart based on numerical control technology

2.2 應(yīng)用于汽車工業(yè)

汽車產(chǎn)業(yè)在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)增長方面發(fā)揮著重要作用。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)逐漸朝著輕量化、智能化、電動(dòng)化等方向發(fā)展，對(duì)汽車零部件及其加工設(shè)備提出更高的標(biāo)準(zhǔn)。其中將數(shù)控技術(shù)運(yùn)用至汽車工業(yè)中，充分發(fā)揮數(shù)控技術(shù)集加工中心、數(shù)控機(jī)床為一體這一優(yōu)勢，組成高效率柔性生產(chǎn)線，滿足汽車產(chǎn)品多品種、小批量及更新?lián)Q代快等需求。其中汽車底盤生產(chǎn)中應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，準(zhǔn)確定位汽車底盤構(gòu)件、配置，確保底盤技術(shù)有效實(shí)施，比如汽車底盤縱梁生產(chǎn)中，受車型因素影響，需對(duì)其大小、孔徑及孔型等進(jìn)行調(diào)整，通過整合光電、數(shù)控、通信等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)縱梁加工的可視化監(jiān)控。

同時(shí)，汽車焊接、外車噴漆及整車裝配等環(huán)節(jié)，借助數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造，比如在焊接環(huán)節(jié)，為工業(yè)機(jī)器人配置焊接工具，配合使用傳感器，就可以完成車身焊接操作，在保證焊接速度、質(zhì)量的同時(shí)，減少人工焊接中存在的風(fēng)險(xiǎn)；外車噴漆過程中，為機(jī)器人配置相應(yīng)的程序、噴漆工具，確保噴漆操作的一致性、標(biāo)準(zhǔn)性；整車裝配過程比較復(fù)雜，使用機(jī)器人對(duì)汽車車窗、儀表及座椅等部件進(jìn)行規(guī)范配裝，確保裝配的精確性和效率。此外，為了滿足汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)加大數(shù)控機(jī)床研發(fā)力度，比如目前所研發(fā)的五軸立式加工中心、立式線性導(dǎo)軌加工中心等新機(jī)床數(shù)控加工技術(shù)[3]，能夠滿足復(fù)雜汽車零件的制造。如圖2所示為汽車組裝中應(yīng)用機(jī)器人。

圖2 汽車組裝中應(yīng)用機(jī)器人Fig.2 Application robot in automobile assembly

2.3 應(yīng)用于航空制造

航空制造行業(yè)具有小批量、多品種等生產(chǎn)特點(diǎn)，在航空領(lǐng)域可以通過智能制造體系來增強(qiáng)行業(yè)競爭力，其中智能制造體系實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于基礎(chǔ)技術(shù)的不斷突破，及使用各種智能裝備。其中航天零部件的加工離不開數(shù)控機(jī)床裝備，由于航空零部件加工質(zhì)量要求高、工藝復(fù)雜，且加工期間容易出現(xiàn)刀具與工件受熱變形、刀具和導(dǎo)軌磨損等問題，影響工件加工精度，所以，航空裝備制造中應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，借助高速高精多軸聯(lián)動(dòng)智能數(shù)控機(jī)床，對(duì)加工過程中振動(dòng)、磨損及發(fā)熱等情況進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)警，并利用數(shù)控機(jī)床上設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)機(jī)床運(yùn)行信息、工況數(shù)據(jù)，以遠(yuǎn)程的方式實(shí)時(shí)查看、自主分析與決策，滿足航空制造業(yè)對(duì)制造可靠性、精度方面的需求。

此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是影響飛機(jī)性能的主要因素之一，葉片作為飛機(jī)的動(dòng)力元件，如圖3所示，其品種數(shù)量比較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且?guī)缀尉纫蠛芨?，意味著其加工難度大。而將五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、螺旋槳等復(fù)雜曲面的加工中，在具體生產(chǎn)加工中，先規(guī)劃刀具路徑，確定最佳的走刀步距，檢查并消除干涉，確定位點(diǎn)，然后沿著刀具路徑來計(jì)算步距上的刀位點(diǎn)，最后將所有的走刀軌跡連接起來，生成完整的數(shù)控加工程序，將其導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床，就可以實(shí)現(xiàn)曲面的加工[4]。

圖3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片F(xiàn)ig.3 Aeroengine blade

3 數(shù)控技術(shù)在智能制造中的發(fā)展趨勢

在可以預(yù)見的未來，數(shù)控技術(shù)將在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮出更大的作用，并向著更加高速化、精準(zhǔn)化、智能化等方向發(fā)展。

3.1 更加高速與精準(zhǔn)

隨著5G、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步推動(dòng)高速運(yùn)算、快速插補(bǔ)、超高速通信、高速主軸等技術(shù)的進(jìn)步，進(jìn)而促進(jìn)數(shù)控機(jī)床計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高度指令處理，在極短的時(shí)間里計(jì)算出伺服系統(tǒng)的移動(dòng)量，精準(zhǔn)地提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 更具高柔性與可靠性

在將來，數(shù)控機(jī)床為了更好地適應(yīng)不同的加工對(duì)象，將由單機(jī)柔性向單元柔性化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。比如，增加數(shù)控機(jī)床功能，配置自動(dòng)化的裝置，通過與工業(yè)機(jī)器人等產(chǎn)生要素，組成新的加工中心和柔性制造系統(tǒng)。

3.3 更加智能化和網(wǎng)絡(luò)化

將自適應(yīng)控制系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、智能伺服驅(qū)動(dòng)裝置等引入到數(shù)控機(jī)床，進(jìn)而不斷地增強(qiáng)其智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度。

4 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代制造業(yè)中，數(shù)控技術(shù)作為智能制造的基礎(chǔ)，智能制造是數(shù)控技術(shù)的延伸，二者處于共同發(fā)展、相互依存的關(guān)系。在智能制造中合理應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，使智能制造系統(tǒng)不斷優(yōu)化，提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率，使智能制造業(yè)朝著更好的方向發(fā)展，并加大數(shù)控技術(shù)研發(fā)力度，使其朝著高速度和精度、柔性化、功能集成化及可靠性等方向發(fā)展，更好地適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)加工要求。

引用

[1]陳豪.淺談數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修,2022(10):125-127.

[2]吳言政.數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展路徑[J].中阿科技論壇(中英文),2021(7):35-37.

[3]王眇,張振明,李龍,等.數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及在智能制造中的作用[J].航空制造技術(shù),2021,64(10):20-26.

[4]段好運(yùn).機(jī)床數(shù)控技術(shù)在智能制造中的應(yīng)用探討[J].中國設(shè)備工程,2021(14):257-258.