數控加工技術在離散制造企業生產線的應用現狀與展望

吳曉鋒，劉志軍，張陽，吳寶海

1.中國航發動力有限公司 陜西西安 710021

2.西北工業大學航空發動機高性能制造工信部重點實驗室 陜西西安 710068

3.西北工業大學航空發動機先進制造技術教育部工程研究中心 陜西西安 710068

1 序言

當前，數字化、網絡化和智能化已經成為全球制造業發展的重要方向，以數控機床為硬件載體的數字化制造是實現智能制造的基礎，而切削加工一直是航空航天等離散制造業關鍵零件加工的主導工藝，用于精確控制產品幾何尺寸、形狀和表面質量。近年來，數字化、智能化生產線在我國航空航天制造企業中的應用逐漸擴大，與單機運行相比，智能生產線對數控加工工藝流程、工藝方法、自動化水平等提出了更為嚴苛的要求。我國航空航天等離散制造企業在數控加工工藝、制造過程控制等方面的數字化制造基礎薄弱，工藝水平較低，尤其是缺乏對設備運行、產品質量管控等數據的采集與監控，難以為生產決策提供及時、準確、有效的數據支撐與反饋，導致生產線運行的適應性、穩健性和智能化水平無法滿足離散制造業多品種、小批量的高柔性需求。

2 離散制造智能生產線的特點與構成

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

圖1 離散制造智能生產線的基本構成

（1）技術準備系統 在零件加工前完成對產品狀態標識和加工過程所需的快換工裝、刀具及夾具的準備。

（2）自適應制造系統 通過機內測量系統實現設備狀態監測、加工工藝自適應優化、刀具磨損預測和再制造的補償加工。

（3）物料傳輸系統 通過運輸機器人和機器臂實現毛坯的自動倉儲、毛坯運輸和刀具庫擴容等。

（4）總線控制系統 設置線內感知機構，集成加工全過程管控系統，優化排產，從管控系統指令調控生產控制。

（5）數據庫管理系統 對毛坯數據、機床運行數據、刀具壽命數據及產品質量數據等進行管理，便于基于加工大數據的優化分析。

國內以航空航天領域為代表的離散制造企業已開展了數字化、智能化生產線的建設及試點示范，正在促進設計、制造等專業智能制造關鍵技術的落地實施。部分先進制造企業通過搭建數字化生產線三維虛擬展示和仿真驗證平臺，實現生產線的虛擬規劃、優化配置和柔性生產。同時針對智能生產線實際運行需求和零件的結構工藝特點，建立支持數控加工編程及仿真的工藝資源庫，實現產品工藝、工裝的快速設計。在實際加工方面，通過數控加工設備運行狀態采集、數控加工刀具/工件機內檢測等數據感知，結合工藝決策優化技術手段，實現加工過程綜合誤差分析與自適應誤差補償調整，有效保證產品加工質量。

總體而言，基于生產線自動化、數字化、智能化運行實際需求，先進制造企業已基本突破生產線運行基礎數據管理、異構系統集成、生產過程可視化等關鍵技術，實現生產線運行管理與控制的高度數字化、模塊化；同時，對基于生產現場的任務排程、資源管理、數據管理和看板管理等核心應用模塊進行了開發驗證，實現了生產線運行的全面智能化綜合管控與決策智能輔助。

3 智能生產線中數控加工技術的應用現狀

3.1 數控加工裝備應用現狀

我國航空航天等離散制造企業加工的產品對象多具有多品種、小批量的特點，產品型號眾多且差異較大，因此加工裝備也呈現多樣化。機床是制造業的“工業母機”，其智能化程度對智能制造的實施具有重要影響。機床隨著不同的工業時代發展而進化，并呈現出各個時代的技術特點，如圖2所示。機床4.0是未來機床行業發展的趨勢所向，應用人工智能技術和先進制造技術深度融合，利用自主感知信息，通過自主學習與建模生成知識，并進行自主優化與決策，完成自主控制與執行，實現加工制造過程的優質、高效、安全、可靠和低耗的多目標優化等。

圖2 工業發展與機床進化史

然而目前國內離散制造企業數控加工多采用傳統的通用數控機床，從數控系統功能上而言，缺少自動裝夾、在線檢測和自動補償等功能，且很少結合產品加工工藝特點對設備進行功能的定制研發，無法滿足產品的高效數控加工需求，也無法解決數控系統和設備的適應性問題。因此通過模塊化設計，在加工工藝、故障診斷和運行維護等方面提供定制化服務是數控系統功能實現定制化的改進方向。目前在數控機床的智能化方面，由于過分依賴人類專家進行理論建模和數據分析，所以機床的自主學習、生成知識的能力不足。“感知、互聯、學習、決策和自適應”將成為數控機床智能化的主要功能特征，加工大數據、工業物聯和數字孿生等將有力助推未來智能機床技術的發展與進步。

3.2 數控編程應用現狀

數控編程效率和質量的高低，對產品加工質量和生產效率起著至關重要的作用。基于典型零件的專業化數控加工編程技術（見圖3）的快速發展，數字化生產線、智能生產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、機床模型庫及刀具模型庫等數據進行集成，自動化快速編程在離散制造業得到深入應用，實現智能生產線產品快速換型。通過特征識別方法實現加工特征的識別，進而開發建立幾何加工特征、工藝策略和數控程序模板相集成的綜合特征模型，解決數控加工編程效率低、質量穩定性差等問題。

圖3 典型零件專業化數控編程

目前數控編程技術的不足主要體現在以下兩方面。

1）編程水平與效率低，產品質量及一致性差。復雜零件加工特征數量多、形狀復雜且呈自由分布，特征間互有遮擋，因此編程過程中需要創建大量輔助幾何參數，數控編程時間長，且對編程水平要求極高。

2）加工特征依靠人工識別，工藝知識無法重用。實際上，對于不同性能需求的復雜零件，雖然其形狀各異，但究其本質均是由典型特征構成，其相似特征的輔助幾何參數、加工策略、加工參數和刀軌策略具有可移植性，但現在商品化CAM系統無法實現移植。因此，基于特征自動識別技術，實現零件相似特征的辨認，進而在繼承已創建輔助加工幾何參數和工藝參數的基礎上，根據實際情況進行校核與修改，是提高復雜零件編程效率、節省工藝準備時間的有效途徑。

3.3 加工仿真應用現狀

為保證數控加工過程中機床、刀具、工件和工裝等工藝系統安全穩定地運行，減少物理試驗次數，以及實現零件一次性加工合格，虛擬仿真技術在工藝驗證領域得到了廣泛的研究及應用（見圖4）。目前對數控加工幾何仿真技術的研究已經相對成熟，并出現了NX、CATIA、VERICUT等大量的商業軟件。物理仿真技術主要是對加工過程中切削力、切削溫度、應力應變及變形等因素的數值模擬，對于數控加工切削參數優化、刀具選型和工藝策略優化等有著重要意義，更有利于提升研發新產品的研制效率。

圖4 虛擬仿真技術的研究與應用

物理仿真技術為了提高適應性，會降低數學建模的復雜性，往往是關聯單一的變化因素，多數側重于切削力、刀具磨損和切削變形等單項因素仿真，因此存在著仿真模型的準確性差、通用性差、質量預測精度差、控制效果差和仿真系統的實用性差等問題。智能生產線需建立起能夠精確模擬實際加工情況并為用戶提供精確仿真結果的數控加工仿真系統，將物理仿真技術涉及的切削力、切削熱、零件加工變形預測及刀具磨損等因素集合到仿真系統中，同時將人工神經網絡、有限元分析和混沌理論等新方法用于提高建模能力，增強仿真模型預測的可靠性和適應性，此外通過仿真系統與上層計算機進行數據交換與共享，實現CAD、CAM、CAPP、PDM和ERP等系統的無縫集成，實現零件加工過程的全要素數字孿生。

4 智能生產線對數控加工技術的需求

4.1 數據+模型混合驅動的工藝過程自主優化技術

零件數控加工過程缺乏有效的數據采集手段，就難以保證產品質量問題的及時追溯，嚴重制約了工藝迭代優化工作的開展。因此智能生產線上重要的一環就是通過有效的數據監測，基于OPC/ DDE技術和先進傳感器對設備數據及加工現場數據進行采集，通過神經網絡、模糊控制和智能算法實現數據驅動的工藝參數優化，并建立起優化評價體系，實現工藝迭代優化。

離散制造企業智能生產線中對加工前的毛坯質量判定和毛坯的自適應裝夾定位也是很重要的環節。數據與模型驅動的包容性分析和自適應裝夾定位技術將是未來智能生產線中必不可缺的關鍵技術。通過三維掃描測量技術、在機測量技術對毛坯進行掃描，得到毛坯測量數據，進而通過加工余量配準優化方法，計算出毛料最佳加工姿態和切削余量，從而為實現毛坯自動快速定位，保證產品加工基準和加工過程的一致性奠定基礎。毛坯測量數據和余量配準優化模型的有效結合可實現毛坯的自適應定位與余量最佳分配，實現復雜零件的自適應加工。

4.2 基于集成化、專業化的通用數控設備的自適應加工技術

傳統數控加工設備無法自動根據加工過程的控制參數和切削參數進行動態調整，難以保證加工零件的精度、表面質量和實現加工效率的最大化。就刀具磨損檢測和壽命預測而言，目前多數企業的刀具壽命無法量化評價，基本依據經驗進行定性評估，加工質量不可控。因此，迫切需要研究不同類型刀具及切削參數對刀具壽命的影響，建立刀具壽命與切削參數的數學模型，并結合刀具壽命模型與實時監測數據，監控刀具當前的磨損狀態和壽命。

智能化設備是通過智能化技術與設備基本功能的有效融合，具備加工過程參數動態感知分析、智能優化決策和自適應精準執行功能的一類設備總稱。離散企業整個工廠的智能化水平在很大程度上取決于設備的智能化程度。通過集成狀態感知、實時分析、自主決策和精準執行功能為一體的自適應加工技術，開發具有數據采集、工件檢測、刀具壽命控制和再制造自適應加工等功能的數控裝備，可為離散制造企業數控加工提質增效奠定基礎。因此，通用數控設備的集成化和專業化，是傳統數控裝備向高端智能裝備發展的必然趨勢。

4.3 智能化生產線建設與集成技術

由于數控編程過程中的工藝策略、切削參數及后置處理等工藝資源無法共享，人為影響因素較多，因而基于工藝資源集成數據庫的數字化加工編程方法是智能加工編程的發展趨勢。在充分利用特征編程及標準工藝模板等方面研究成果的基礎上，通過基于模型特征的自動識別、自動化編程及數據庫集成等關鍵技術，實現基于加工特征、工藝資源集成數據庫支撐的數控加工程序自動化、標準化和規范化生成，提高數控加工編程的效率和質量。

運用數字化、信息化和智能化技術建立具備敏捷制造和柔性制造能力的智能化生產線，是離散制造企業從智能生產線向智能車間轉變的基礎。對于航空航天等離散制造業的復雜精密零件，由于其毛料一致性差、加工特征多及數控加工周期長，因而迫切需要開發適應小批量、多品種精密零件加工的智能生產系統。從毛坯包容性分析、機內檢測和機床功率自適應等技術集成應用方面，實施數控加工單機機內自動化制造，可實現對產品加工一致性及制造質量的提升。

5 結束語

數控加工在智能生產線上的應用，是航空航天產品實現智能制造的基礎保證，是提質增效的有效手段。數控加工技術在離散制造企業智能生產線的逐步擴大應用將大大提高企業的服務質量與產品制造效率，革新企業的經營模式，縮短創新周期，降低運營成本和資源消耗，以及推動社會經濟發展。