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3D 自（zì）動化無人加工過程控製

2015-1-20 來源：數控機床市場網作者：瑞鵠汽車模具宋丹劉玉明

近年來，國內各大汽車主機（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（mó）具企業要達到高效率、高質量生產模具的目標，必須加快企業技術提升、技術創新的步伐。數控加（jiā）工是模具製造過程最（zuì）重要的環節之一，而實現數控（kòng）機床（chuáng）自動化無人加工是模具廠家（jiā）所追求（qiú）的高（gāo）層次（cì）階（jiē）段，是體現和衡量其（qí）加（jiā）工技術水平、技術含金量的重要標準之一（yī）。

2011 年我公司開始全麵實現了 (精銑（xǐ）) 數控加工中心的 3D 自動化無（wú）人加工。開發和推進中（zhōng）遇到了各種難題，由於（yú）編程（chéng）、機加、刀具配送（sòng）等部門的通（tōng）力協作，通過技術提升和改善，在 3D 自動化加工方麵取得了一定的（de）成績。覆蓋件模具加工包括結構麵2D 加工和（hé）型麵 3D 加工，本文介紹的僅是型麵 3D 自動化加工相關內容 (見圖 1、圖 2)。

3D 自動化無人加工實施過程涉（shè）及模具數學模（mó）型標準化、數控編程標準化、刀（dāo）具配置動/靜態管理（lǐ）、機床刀具庫管控、刀具壽（shòu）命規範（fàn）化管理、(不同控製係統、不同主軸附（fù）件銑頭) 機（jī）床宏程序（xù）開發、工（gōng）件機床坐標原點設定規範化（huà）、多環節全程安全保障標準建立等多個環節; 諸多環節涉及模具機加過程的所有工序，真正實現控製過程無錯誤發生在數控加工中心 3D 無人自動化加工中難度最大。任何一個環節出現小的錯誤和紕漏都（dōu）將造成 3D 自動化加工中斷、甚至是模具加工過切、刀具折斷、撞機（jī）等嚴重事故發（fā）生，因此過程（chéng）控製對於 3D 自（zì）動化無人加工(又稱數控機床無人（rén）值守加工) 的實現至關重（chóng）要。

一、3D 自動化無人加工控製（zhì）過程及（jí）工作原理（lǐ）

覆蓋件模具數控加工長期以來一直沿用由操作員調（diào）用單段獨立 NC 程序加工的模式，這種加工（gōng）模式應屬於機（jī）械化加工範疇。機械化是將數控加工的基本動（dòng）作由機床代替（tì）人工

來完成，但操作和管理加工過程（chéng）基本動作的操（cāo）縱工作需要操作員（yuán）手（shǒu）動完成; 自動化是在機械化基礎上，不僅數控加工（gōng）基本動作由數（shù）控機床實現，還（hái）需要把操作和管（guǎn）理（lǐ）加工過（guò）程基本動作操縱工作交給機床來完（wán）成。機床代替人工實現操縱工作順利完成是自動（dòng）化加（jiā）工的重要標誌。

針對（duì）模具型（xíng）麵 3D 加（jiā）工而言，原來（lái）機械化（huà）模式數控（kòng）加（jiā）工是由操作員（yuán）實施手動裝夾更換刀具，手動實施對刀、測刀、添加刀具補償到數控係統中，通過人工調用（yòng）諸（zhū）多單一（yī）程序實施工件加工; 而 3D 自動化加工是將上述全（quán）部動作都交給數控（kòng）加工中心無人操縱完成。

實現（xiàn） 3D 自動化無人加工（gōng）硬件及係統環境要求是: 機床必須是數控加工中心; 配備了機床刀具庫和自動換刀、自（zì）動（dòng）測刀裝置的數控機床才能稱之為數控加工中心。

數控加工基本動作包括: 主（zhǔ）軸及 (所有附件銑頭) 正反轉旋轉運動; X/Y 工作台運動; Z 軸滑枕或（huò）套筒運（yùn）動; W 軸的橫梁運動（dòng）; 五軸加工的（de） A/B/C 軸運動等。數控加工基本運動是通過機床控製係統執行（háng） NC 代碼 (G 代碼、M 代碼、S 代碼等) 組成的程（chéng）序（xù）段來（lái）實現數控設備機械化加（jiā）工的。

數控加工中心操縱動作包括識別（bié）、檢測、更換刀具，子程序順序調用（yòng），附（fù）件銑頭調用（yòng）、自動（dòng）加工安全預警等; 通過開發主程序自動生成軟件和自動化加工過程控製來實現機床基本動作和操縱動作的全自動化過程，以此達到（dào）了（le）數控加工中心無人值守加工的目的 (見圖 3)。

二、3D 自（zì）動化無人（rén）加工過程控製常見（jiàn）問題（tí）分析及解決方案

1. 3D 自動化加工刀具配置標準化管理階段刀具成本難於控製的成因分析

3D 自動化加工時需要為一個數控機床配置幾十把（bǎ）甚至上百（bǎi）把刀具，在刀具配（pèi）置標準化管理階段，這麽龐大的配置量（liàng），刀具成本（běn）控製是個難題。壁如:覆蓋件模具加工類型寬泛，包括（kuò）了車身覆蓋件（jiàn）外板（bǎn）、內板件的大（dà）、中型模具全工（gōng）序都有加工; 因模具結構複雜程度不同，僅 3D 型麵加工就需要配備多類型、多規格大批刀投入（rù）使（shǐ）用; 如果（guǒ）為了滿足複（fù）雜（zá）模具加工的需求，配置數量過多的刀（dāo）具，平衡各種類（lèi）型模具（jù）加工時就會造成（chéng）大量刀具閑置; 反過來如（rú）果盡（jìn）量使配置刀具數量最小（xiǎo）化，成本雖然降低（dī）了但卻滿足不（bú）了複雜模具的批量加工需求 (見圖 4、圖 5)。

圖 4 裝（zhuāng）有 60 把套筒的刀（dāo）庫圖 5 裝有 40 把套筒的刀庫

解決上述問題的思路是: 各（gè）工序模具 3D 自動化加工對刀具配置的需求（qiú）量和刀具成本控製要找到（dào）一個平（píng）衡點（diǎn），同一（yī）種類不（bú）同（tóng）規格刀具數（shù）量（liàng）配置比例要達到相對合理。從這（zhè）兩個角度入手上述問題可（kě）以解決。

2. 3D 自動加工配置刀具成本控製的解決方案

通過 3D 自動（dòng）化加工試驗，我們製定科學的刀具選用原則和刀庫選刀方式具體解決刀具庫配置和刀具成本控製等問題。

自動加工（gōng）刀具（jù）選用原則歸納為以下三點: ①為保證刀具高的壽命和可靠性（xìng）能（néng），選用的刀具需（xū）由高效率、高性能、壽命長的材料製成。②選用鑲裝刀片結構的刀具更適合自動化加工（gōng）。③實施（shī）高速自動化加工時要選用動平衡性能好的刀具。

按此（cǐ）選刀原則我們（men）為 3D 自動（dòng）化加工配置的精銑刀具實現（xiàn）了模具鑄鐵材料型麵連續切削三十幾（jǐ）個小時（shí）的（de）目標，減少了每台（tái）機床（chuáng）不同規格相同伸長精銑刀具的配置數量。僅此一項五台加工中心刀具庫共節省 15 把 30 球刀的配置量，節約成本約 5 萬元（yuán）。試驗（yàn）中我們確定用兩（liǎng）種刀庫選刀方式實施分析驗證，分別為順序（xù）選刀方式和任意選刀方式。

(1) 順序選刀（dāo）方式

嚴格（gé）根據工序（xù）的先後順序（xù）依次將刀具安（ān）放在刀具庫中，調用時按模具加工順序逐一取（qǔ）出使用; 它的優點是控製簡單，工作可（kě）靠;缺點是刀（dāo）具庫刀具配備數量（liàng）較多，機床更換模（mó）具部件加工時機床刀（dāo）具（jù）庫必須重新排（pái）列刀具，頻繁地配刀和排列刀具，導致人為錯誤產生幾率加大，給（gěi） 3D自動化加工帶來極大的安全隱患。

(2) 任意（yì）選刀（dāo）方式

是根據程序指令的要求任意選擇（zé）所用（yòng）刀具，刀具（jù）在刀具庫中固定刀號存放（fàng），利用控製係統來識別、記憶所有刀具和刀（dāo）座。其優點是相同的刀具在工件一次裝夾中可重複使用，因此（cǐ）刀具數量較合理，自動換刀裝置通用（yòng）性強、應用（yòng）範圍（wéi）廣。

通過兩（liǎng）種方式（shì）對比分析，考慮我（wǒ）公（gōng）司模具加（jiā）工實際情況，我們確（què）定任意選刀（dāo）方（fāng）式（shì）用於 3D 自動化加工。根據 3D 自動化加工試驗數據分析驗證結論和大批量模具加工刀（dāo）具使用頻率的分析結果，我（wǒ）們為（wéi）機床（chuáng）刀具庫配置了一（yī）定數量的（de）固（gù）定刀具，另外在刀（dāo）具庫中還預留（liú）多（duō）個刀座（zuò）位置（zhì）動態配置部（bù）分刀具（jù），方法（fǎ）是: 用一套公用刀具供五台加工（gōng）中心隨機選用（yòng），節省（shěng）了（le）另外 4 台加工中心同（tóng）類型刀具的配置成本; 此方法成（chéng）功地避免了使用頻（pín）率較低刀具（jù）的閑置現象發生，從而達到（dào）了刀具成本控製的目的。通過近一年的運行，運（yùn）用現場 3D 自動（dòng）加工數據（jù）統計分析和刀具使用（yòng）頻率分（fèn）析等方法，對機床刀具庫實施了刀具規格小範圍的調整，使公司 5 台數控加工中心刀具庫刀具配置達到了相對合理狀態。

3. 刀具在線（xiàn）識別和刀具壽（shòu）命（mìng）管理標準化問題原因分析（xī）

刀具庫配置完成後（hòu），如何做到刀具配置標準化（huà）管理，又成了 3D 自動化加工的（de）另一難題。實際上大家極易忽略的是刀具在線切（qiē）削狀態控製 (即為刀具自動識別) 和自動加工過程中刀具壽命管理標準化等問題對（duì）無人加工的影響，這些問題不解決，會導致模具加工（gōng）質量問題頻繁發生。

刀具初次裝入刀具庫前已經實施了刀具靜態檢測，保證刀具各項指標都在標準範圍內，這方麵容易控製（zhì）; 大型複雜模具 3D 自動無人加工時間最長可達100 多小（xiǎo）時，3D 自動加（jiā）工過程中刀具磨（mó）損、崩刃、折斷，切削纏繞、切削振（zhèn）顫、刀具跳動等均屬於加工在線切削狀態（tài），如何做到能夠在加工過程（chéng）中自動識別和準（zhǔn）確判斷上述情況（kuàng）並作出對應（yīng）的自動安全回（huí）應呢? 這些又是 3D 自動（dòng）加工中需（xū）要重點解決的問（wèn）題之一。

4. 刀具在線識別（bié）問題的解（jiě）決（jué）方案

首先針對刀具庫（kù）中各類（lèi）型所有規格的刀具定義出對（duì）應在線加工（gōng）狀態下刀具變化限定值和限定範圍;對不同形（xíng）式的刀柄端麵間隙做（zuò）出互（hù）換設定; 限定和設定依據則是刀具性能（néng）和模具加工材料、機床主軸功率等技術參數，另外要參（cān）考以往積累的模具加工參數、刀具切削參數（shù）的經驗（yàn）數據庫用於以上限定值的製定; 依據限定值編製出不同數控控製係統的機床宏程（chéng）序（xù），通過控製係統和機床刀長檢測裝置（zhì）完成對刀具自動識別的工作，實現自動加工過程中對刀具磨（mó）損、崩（bēng）刃、折斷（duàn）的線判斷和安全回應 (見圖 6、圖 7)。

5. 刀具壽命管理階段問（wèn）題解決刀（dāo）具壽命管（guǎn）理包括（kuò）刀具裝配標準規範、刀（dāo）具更換標準、刀具庫（kù）管理（lǐ）流程規範及無過錯定義刀（dāo）具等。

(1) 在線自動檢（jiǎn）測刀長（zhǎng）實施補償報警問題的解決方案

我（wǒ）公司 3D 自動（dòng）化（huà）加工試運行初期，在線自動檢測刀長實施補償遇到瓶頸。主程序空運行試切(模擬運行) 時兩台機床均出現了多把甚至是十幾把（bǎ）刀（dāo）具頻繁報警的情況（kuàng），經（jīng）過排查，找（zhǎo）到了問題的主要症結: 刀具裝（zhuāng）配超出了主程序（xù）中設（shè）定的有關刀具長度等的限定範圍，超差僅為百分之幾都會報警。經過分析有兩點主要原因: 一是配刀沿（yán）用非自動加（jiā）工的刀具裝刀方式，沒有按自動加工配刀標準執行;二是刀具庫裝刀（dāo）後測量工具和（hé）測量方法不完善。

解決方法: 首先根據我公司實際情況製定刀具裝配公差範圍標準，同時製定嚴格的（de）配刀管理（lǐ）製度來實（shí）施刀具裝配階段（duàn）的過程控製。再則通過技術改善，提高刀具裝配準確率。公司刀具配送和測量中心（xīn）具體實施自動化刀具的裝配（pèi）和測量工作，其中有兩（liǎng）個環節最容易（yì）導致刀具伸長裝配誤差，一是刀體與（yǔ）刀柄的裝配均為人工操作，二是整體鎢鋼刀刃部磨損後要通過熱夾方式（shì）多次（cì）更換裝配。我們（men）通過設計（jì）製造裝刀輔助工具配合標準量具（jù）實施刀具裝配，使 3D 自動加工刀具裝刀和刀長限定均做到了在標準範圍（wéi）之內; 經過 3 個月的實施推動，完全消除了自動檢測刀長實施補償時出現報警的問題。

(2) 刀具更換標準難確定問題原因分析及解決（jué）方案

3D 自動加工刀（dāo）具更換依據和標準不好確定，鑲片刀刀片和整體鎢鋼刀磨損量是以（yǐ）加工時間為準還是以（yǐ）磨損情況（kuàng）為準? 檢測手段是以設備檢測數據為準還是以目視檢測破損程度為準? 如果每（měi）次自動加工結束後（hòu）都把所有刀具從刀具庫取下來送到刀具測量中心（xīn）檢測，一台檢測設（shè）備根本無法在規定時間內檢測完成;如果自動化加工前沒有製定出完善的刀具檢測更換（huàn）標準（zhǔn）和管理製度，就會有刀具檢測更（gèng）換不及時情況（kuàng）發生，將直接影響 3D 自動加工模麵質量。

解決方案: 製定數控加工中心自動化加工刀具日點檢製度，加工結束（shù）後由機床檢查刀（dāo）具情況 (見圖（tú） 8)，精加工刀（dāo）片即（jí）刻更換，用（yòng）於多刀（dāo）清角的鎢（wū）鋼（gāng）刀根（gēn）據加工時間標準（zhǔn）進（jìn）行及時更（gèng）換。磨損的鎢鋼（gāng）刀和刀片由配送（sòng）中心實施檢測，磨損量（liàng）在規定（dìng）範圍內的刀具將用於半（bàn）精銑和單刀清（qīng）角; 刀具（jù）檢測中心實施（shī）待更換刀具的裝配和（hé）配（pèi）送，並配合機加（jiā）工人員用對刀座號的方法準確將刀具（jù）放置到機床刀具庫（kù）中（zhōng）。

(3) 全程刀（dāo）路無（wú）過切過程階（jiē）段（duàn）問題— — —動態刀

具定義易產生錯誤的解決方案前（qián）麵提到，為了合理控製刀具成本（běn），我們采（cǎi）用的是刀具庫固定一定數量刀具結合批量刀具動（dòng）態管理的方式管理刀具庫;

其中采用的任意選刀（dāo）方式，避免了（le）機床（chuáng）刀具庫使用頻率較低刀具（jù）的閑置問題，降低了刀具成本。可是此種模式（shì）中公用刀具需要編程員（yuán）人為動態選取並命名刀具號，要求編程員對（duì）動態刀具定義必須完全（quán）正確。

刀（dāo）具庫（kù）固定刀具已在軟件（jiàn）中（zhōng）設定（dìng）成庫直接調用（yòng），動態（tài）刀具則需要編程員在庫中調用後（hòu）重新定（dìng）義刀具號，有了人為操作就不可（kě）能達到真正 100% 無過錯;盡管編程製定了刀具定義的標準也實施（shī）了培訓，但在 3D 自動（dòng）化運行（háng）兩年的時（shí）間裏還是出現（xiàn）了因動態刀具定義錯（cuò）誤、動態刀具號定義重複問題導致模具型麵局（jú）部過切的問（wèn）題發生。

解（jiě）決方案: 開發刀具批（pī）定義軟件，限定固定（dìng）刀具號範圍（wéi）和動態刀具號範圍，通過軟件方式自動識別過濾掉重複刀具（jù）號（hào）和錯誤刀具號; 這（zhè）一改善去除了刀具定義環節的人為操作，通過自動方式生成了動態刀具，具體實施後徹底解決了此問（wèn）題（tí）。

三、結語

3D 自動化加工在日本等國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別（bié）大型企業真正實現了 3D 自動化加工。一些企（qǐ）業自（zì）動加工試運（yùn）行（háng）階段因過程控製手段不完善，頻繁（fán）出現過程問題點，導（dǎo）致模（mó）具數控（kòng）加工（gōng）效率下滑，故而中（zhōng）止了自動加工（gōng）試驗和開發。

我公司在 3D 自動化加工試運行階段對本文提到的過程控製問題點製訂出有效的解決方案，做到了3D 自動化加工在試運行階段就能夠穩（wěn）定運行; 在保證提高加（jiā）工效率和加工質量（liàng）的前提下，我們（men）通過科學數（shù）據統計、任意選刀等方法的（de）應（yīng）用，做到了（le）合理配置自動（dòng）加工刀具庫，避（bì）免了閑置刀具問題（tí）發（fā）生，使刀具成本得到了很（hěn）好的控製。

目前我公司 3D 自動化加工平穩運行已經超過了兩年的時間，機加車間五台數控加工中（zhōng）心實現了真正意義上的 3D 型麵無人值守加工。尤其節（jiē）假日(長、短假（jiǎ）期)，周六（liù）周日和中（zhōng）夜班等時段，機加車間都（dōu）合理安排加工中心實施 3D 型麵無人值守加工，在提高數控機床勞動生產方（fāng）麵發揮了優（yōu）勢（shì）作（zuò）用（yòng）。

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