汽車產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)重要的支柱產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)鏈長、就業(yè)面廣、消費(fèi)拉動力大，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，汽車復(fù)雜關(guān)鍵零部件的高效、高精度、高穩(wěn)定性加工成為縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高企業(yè)效益和競爭力的有效措施。數(shù)控加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜汽車零部件的快速成型制造，與此同時(shí)，數(shù)控技術(shù)中的虛擬制造技術(shù)、柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)都在現(xiàn)代汽車加工制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)控制造技術(shù)在汽車零部件生產(chǎn)過程的智能化發(fā)展將成為汽車制造產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)發(fā)展趨勢。
隨著工業(yè)4.0和中國制造2025核心規(guī)劃的提出，昭示著全球第四次工業(yè)革命的到來，更多地強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品制造過程信息化與工業(yè)化的融合，實(shí)現(xiàn)制造裝備及其控制的智能化，如智能工廠、智能生產(chǎn)、人機(jī)交互、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器自組織、數(shù)字化制造等。數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的核心要素，數(shù)控加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜汽車零部件的快速成型制造，并且數(shù)控技術(shù)中的虛擬制造技術(shù)、柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)都逐步在現(xiàn)代汽車加工制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)控系統(tǒng)在汽車零部件制造過程中的智能化發(fā)展也將成為現(xiàn)代汽車制造產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)必然發(fā)展趨勢。本文介紹了數(shù)控系統(tǒng)用于汽車零部件制造過程的重要性，并簡單介紹了經(jīng)常使用的數(shù)控系統(tǒng)種類。隨后詳細(xì)介紹了FANUC數(shù)控系統(tǒng)在智能制造方面的特點(diǎn)及其優(yōu)勢，并提出一些該系統(tǒng)針對汽車用特殊零部件制造過程的改進(jìn)措施。在本文的后，簡單總結(jié)了未來 數(shù)控系統(tǒng) 的發(fā)展趨勢。
數(shù)控系統(tǒng) 在汽車零部件制造過程中的重要性
隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對汽車復(fù)雜關(guān)鍵零部件的高效、高精度、高穩(wěn)定性加工成為縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高企業(yè)效益和競爭力的有效措施。數(shù)控加工技術(shù)可便捷實(shí)現(xiàn)復(fù)雜汽車零部件的快速成型制造，與此同時(shí)數(shù)控技術(shù)中的虛擬制造技術(shù)、柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)都在現(xiàn)代汽車加工制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。與手工生產(chǎn)制造而言，數(shù)控技術(shù)為實(shí)現(xiàn)汽車零部件制造的規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)化，提高國產(chǎn)汽車零部件生產(chǎn)質(zhì)量和實(shí)際裝備率奠定了基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)可為汽車關(guān)鍵零部件制造提供成套自動化解決方案，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和加工過程大數(shù)據(jù)的監(jiān)控及遠(yuǎn)程服務(wù)接收加工數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行虛擬加工及程序代碼檢測，接下來利用數(shù)控系統(tǒng)的加工狀態(tài)自感知、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)工件的高質(zhì)量加工，隨后利用工業(yè)機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床在線批量化檢測方法實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在汽車關(guān)鍵零部件的高效柔性加工與批量化制造中的廣泛應(yīng)用。
汽車零部件制造過程中常用數(shù)控系統(tǒng)種類
目前，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床及日本、美國、歐洲進(jìn)口機(jī)床較多采用 發(fā)那科( FANUC ) 和西門子 ( SIEMENS )兩種 數(shù)控系統(tǒng) ，均可使用G代碼實(shí)現(xiàn)程序編制。其中，大部分車削、多軸銑削數(shù)控機(jī)床 均采用上述兩種數(shù)控系統(tǒng)，并方便與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)集成。上述兩款數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)當(dāng)今機(jī)床數(shù)控行業(yè)絕大多數(shù)市場份額?，F(xiàn)今，引進(jìn)的一些用于復(fù)雜曲面加工的德國多軸加工中心裝備有海德漢(HEIDENHAIN)數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可視化和模塊化大型程序編輯能力，可以快速插入和編輯信息并可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面及多孔結(jié)構(gòu)的快速成型加工。隨著智能制造和智能工廠的不斷發(fā)展和建立，一些機(jī)床公司開始按照客戶要求開發(fā)專用數(shù)控系統(tǒng)，例如日本大隈(OKUMA)公司、日本山崎馬扎克(YAMAZAKI MAZAK)公司、德國德馬吉森精機(jī)(DMG MORI)公司、中國沈陽機(jī)床(SMTCL)公司等。
FANUC系統(tǒng)在智能化制造方面的特點(diǎn)及改進(jìn)措施
FANUC系統(tǒng)在當(dāng)今世界數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和銷售方面具有強(qiáng)大的勢力。其產(chǎn)品系列覆蓋多種制造工藝，如車削、銑削、磨削、加工中心等。FANUC數(shù)控系統(tǒng)使用起來較為方便、穩(wěn)定、可靠，對工業(yè)環(huán)境的要求比較低。FANUC系統(tǒng)采用較為通用的G代碼編制程序，并且程序語句結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)可根據(jù)零件圖上指定的零件輪廓尺寸直接編程，如直線傾角、圓弧半徑、倒角值等，簡單直觀。FANUC系統(tǒng)能夠自行規(guī)劃粗加工和精加工循環(huán)路徑及按照設(shè)計(jì)值留有設(shè)計(jì)者指定的加工余量，簡化了復(fù)雜編程。針對多孔零件只需給定孔中心位置，隨后可采用簡單的循環(huán)指令如G82-G89實(shí)現(xiàn)多孔自動循環(huán)加工。在進(jìn)行曲面加工過程中，可利用宏程序(例如將#1,#2等作為變量)根據(jù)曲面方程(含有#1,#2等變量的方程)直接編程，直觀、高效、實(shí)用。與此同時(shí)，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)具有便捷的坐標(biāo)系變換功能，可簡單實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)系混合編程。FANUC系統(tǒng)具有智能化人機(jī)交互界面，從創(chuàng)建加工程序到實(shí)際加工的所有操作終都能在同一畫面上進(jìn)行調(diào)試和仿真，輕松實(shí)現(xiàn)車床、加工中心以及銑床加工循環(huán)豐富的編程引導(dǎo)、可視化和檢查功能。
在智能化方面，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)可以利用豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，構(gòu)建適合CNC機(jī)床的系統(tǒng)，還可以將CNC與電腦連接起來，進(jìn)行復(fù)雜零件的3D設(shè)計(jì)及NC代碼轉(zhuǎn)化(利用CAM軟件)隨后進(jìn)行NC程序傳輸和監(jiān)視CNC狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形貌零件的智能化制造。還可以通過以太網(wǎng)將工廠內(nèi)的機(jī)床連接起來，對機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行集中統(tǒng)一管理、控制和監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)CNC與電腦的高度融合。圖1展示了FANUC系統(tǒng)FS0i-F(C)在智能化生產(chǎn)或智能化工廠建立方面的應(yīng)用。目前FANUC系統(tǒng)引入了實(shí)時(shí)優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)對智能機(jī)床的控制，根據(jù)負(fù)載、溫度、位置等機(jī)械狀況的變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。通過使用這些功能群來實(shí)現(xiàn)高速、高精度和高質(zhì)量加工。尤其在汽車部件和金屬模具等復(fù)雜形狀的加工時(shí)，通過預(yù)讀的程序指令判斷指令形狀，適當(dāng)控制速度和加速度，在公差范圍內(nèi)獲得平滑加工路徑，使得機(jī)械性沖擊減弱，發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的優(yōu)性能和智能化制造。
針對于汽車行業(yè)薄壁殼體零件的制造，如發(fā)動機(jī)殼體、變速箱殼體等銑削過程應(yīng)該裝載一些特殊的后處理程序，比如切削過程中由于低剛度殼體造成的切削振顫導(dǎo)致加工精度的降低(如圖2)，裝載自適應(yīng)轉(zhuǎn)速控制和機(jī)床各軸力矩、扭矩監(jiān)測模塊，通過自動調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速以達(dá)到各軸力矩維持切削穩(wěn)定狀態(tài)，提高加工質(zhì)量和加工效率。
目前日本大隈(OKUMA)公司已將該功能裝在自研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)中，降低對操作者需具備大量加工經(jīng)驗(yàn)的要求。同時(shí)裝載各軸電機(jī)力矩及扭矩監(jiān)測數(shù)控模塊也有助于判別切削過程中刀具或刀柄與工件或夾具的瞬間碰撞，從而急停機(jī)床運(yùn)動，保護(hù)主軸不受損傷。另外，希望FANUC系統(tǒng)裝載在線檢測模塊如雷尼紹(Renishaw)探頭，尤其針對汽車多孔零件的孔徑檢測和位置檢測，將一些簡單的三坐標(biāo)檢測功能集成于數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工、檢測和修復(fù)一體式的高精度、高效率加工模式。
未來數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢展望
面對多自由度復(fù)雜零部件高質(zhì)量、高效率的一體化智能生產(chǎn)制造需求，未來的數(shù)控系統(tǒng)向著多自由度復(fù)合加工化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)一次裝卡完成多加工面的車、銑、鉆等多工藝復(fù)合加工。另外，數(shù)控系統(tǒng)需要擁有更先進(jìn)的軌跡規(guī)劃策略和電機(jī)控制策略以實(shí)現(xiàn)高速、高精度加工。隨著智能化制造的發(fā)展趨勢，數(shù)控系統(tǒng)需擁有高度智能化的人機(jī)界面，并實(shí)現(xiàn)加工工藝規(guī)劃功能和加工過程的診斷和自適應(yīng)控制策略，未來的數(shù)控系統(tǒng)將會實(shí)現(xiàn)機(jī)床自身制造全程全方位的自我監(jiān)測和管理。數(shù)控系統(tǒng)可根據(jù)零部件的3D模型自動規(guī)劃裝卡位置、加工軌跡和加工刀具，更有可能采用以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠各機(jī)床的相互通信和協(xié)作，規(guī)劃時(shí)間短化工藝步驟，借助于與機(jī)械手的通信實(shí)現(xiàn)自動上下料和裝卡、搬運(yùn)等，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵復(fù)雜零部件的自動智能化快速成型制造。