3D 自動化無人加工過程控制
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。數控加工是模具制造過程最重要的環節之一，而實現數控機床自動化無人加工是模具廠家所追求的高層次階段，是體現和衡量其加工技術水平、技術含金量的重要標準之一。
2011 年我公司開始全面實現了 (精銑) 數控加工中心的 3D 自動化無人加工。開發和推進中遇到了各種難題，由于編程、機加、刀具配送等部門的通力協作，通過技術提升和改善，在 3D 自動化加工方面取得了一定的成績。覆蓋件模具加工包括結構面2D 加工和型面 3D 加工，本文介紹的僅是型面 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及模具數學模型標準化、數控編程標準化、刀具配置動/靜態管理、機床刀具庫管控、刀具壽命規范化管理、(不同控制系統、不同主軸附件銑頭) 機床宏程序開發、工件機床坐標原點設定規范化、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，真正實現控制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、撞機等嚴重事故發生，因此過程控制對于 3D 自動化無人加工(又稱數控機床無人值守加工) 的實現至關重要。
一、3D 自動化無人加工控制過程及工作原理
覆蓋件模具數控加工長期以來一直沿用由操作員調用單段獨立 NC 程序加工的模式，這種加工模式應屬于機械化加工范疇。機械化是將數控加工的基本動作由機床代替人工
來完成，但操作和管理加工過程基本動作的操縱工作需要操作員手動完成; 自動化是在機械化基礎上，不僅數控加工基本動作由數控機床實現，還需要把操作和管理加工過程基本動作操縱工作交給機床來完成。機床代替人工實現操縱工作順利完成是自動化加工的重要標志。
針對模具型面 3D 加工而言，原來機械化模式數控加工是由操作員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系統中，通過人工調用諸多單一程序實施工件加工; 而 3D 自動化加工是將上述全部動作都交給數控加工中心無人操縱完成。
實現 3D 自動化無人加工硬件及系統環境要求是: 機床必須是數控加工中心; 配備了機床刀具庫和自動換刀、自動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: 主軸及 (所有附件銑頭) 正反轉旋轉運動; X/Y 工作臺運動; Z 軸滑枕或套筒運動; W 軸的橫梁運動; 五軸加工的 A/B/C 軸運動等。數控加工基本運動是通過機床控制系統執行 NC 代碼 (G 代碼、M 代碼、S 代碼等) 組成的程序段來實現數控設備機械化加工的。
數控加工中心操縱動作包括識別、檢測、更換刀具，子程序順序調用，附件銑頭調用、自動加工安全預警等; 通過開發主程序自動生成軟件和自動化加工過程控制來實現機床基本動作和操縱動作的全自動化過程，以此達到了數控加工中心無人值守加工的目的 (見圖 3)。
二、3D 自動化無人加工過程控制常見問題分析及解決方案
1. 3D 自動化加工刀具配置標準化管理階段刀具成本難于控制的成因分析
3D 自動化加工時需要為一個數控機床配置幾十把甚至上百把刀具，在刀具配置標準化管理階段，這么龐大的配置量，刀具成本控制是個難題。壁如:覆蓋件模具加工類型寬泛，包括了車身覆蓋件外板、內板件的大、中型模具全工序都有加工; 因模具結構復雜程度不同，僅 3D 型面加工就需要配備多類型、多規格大批刀投入使用; 如果為了滿足復雜模具加工的需求，配置數量過多的刀具，平衡各種類型模具加工時就會造成大量刀具閑置; 反過來如果盡量使配置刀具數量最小化，成本雖然降低了但卻滿足不了復雜模具的批量加工需求 (見圖 4、圖 5)。
解決上述問題的思路是: 各工序模具 3D 自動化加工對刀具配置的需求量和刀具成本控制要找到一個平衡點，同一種類不同規格刀具數量配置比例要達到相對合理。從這兩個角度入手上述問題可以解決。
2. 3D 自動加工配置刀具成本控制的解決方案
通過 3D 自動化加工試驗，我們制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制等問題。
自動加工刀具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能，選用的刀具需由高效率、高性能、壽命長的材料制成。②選用鑲裝刀片結構的刀具更適合自動化加工。③實施高速自動化加工時要選用動平衡性能好的刀具。
按此選刀原則我們為 3D 自動化加工配置的精銑刀具實現了模具鑄鐵材料型面連續切削三十幾個小時的目標，減少了每臺機床不同規格相同伸長精銑刀具的配置數量。僅此一項五臺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。試驗中我們確定用兩種刀庫選刀方式實施分析驗證，分別為順序選刀方式和任意選刀方式。
(1) 順序選刀方式
嚴格根據工序的先后順序依次將刀具安放在刀具庫中，調用時按模具加工順序逐一取出使用; 它的優點是控制簡單，工作可靠;缺點是刀具庫刀具配備數量較多，機床更換模具部件加工時機床刀具庫必須重新排列刀具，頻繁地配刀和排列刀具，導致人為錯誤產生幾率加大，給 3D自動化加工帶來極大的安全隱患。
(2) 任意選刀方式
是根據程序指令的要求任意選擇所用刀具，刀具在刀具庫中固定刀號存放，利用控制系統來識別、記憶所有刀具和刀座。其優點是相同的刀具在工件一次裝夾中可重復使用，因此刀具數量較合理，自動換刀裝置通用性強、應用范圍廣。
通過兩種方式對比分析，考慮我公司模具加工實際情況，我們確定任意選刀方式用于 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具使用頻率的分析結果，我們為機床刀具庫配置了一定數量的固定刀具，另外在刀具庫中還預留多個刀座位置動態配置部分刀具，方法是: 用一套公用刀具供五臺加工中心隨機選用，節省了另外 4 臺加工中心同類型刀具的配置成本; 此方法成功地避免了使用頻率較低刀具的閑置現象發生，從而達到了刀具成本控制的目的。通過近一年的運行，運用現場 3D 自動加工數據統計分析和刀具使用頻率分析等方法，對機床刀具庫實施了刀具規格小范圍的調整，使公司 5 臺數控加工中心刀具庫刀具配置達到了相對合理狀態。
3. 刀具在線識別和刀具壽命管理標準化問題原因分析
刀具庫配置完成后，如何做到刀具配置標準化管理，又成了 3D 自動化加工的另一難題。實際上大家極易忽略的是刀具在線切削狀態控制 (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無人加工的影響，這些問題不解決，會導致模具加工質量問題頻繁發生。
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范圍內，這方面容易控制; 大型復雜模具 3D 自動無人加工時間最長可達100 多小時，3D 自動加工過程中刀具磨損、崩刃、折斷，切削纏繞、切削振顫、刀具跳動等均屬于加工在線切削狀態，如何做到能夠在加工過程中自動識別和準確判斷上述情況并作出對應的自動安全回應呢? 這些又是 3D 自動加工中需要重點解決的問題之一。
4. 刀具在線識別問題的解決方案
首先針對刀具庫中各類型所有規格的刀具定義出對應在線加工狀態下刀具變化限定值和限定范圍;對不同形式的刀柄端面間隙做出互換設定; 限定和設定依據則是刀具性能和模具加工材料、機床主軸功率等技術參數，另外要參考以往積累的模具加工參數、刀具切削參數的經驗數據庫用于以上限定值的制定; 依據限定值編制出不同數控控制系統的機床宏程序，通過控制系統和機床刀長檢測裝置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損、崩刃、折斷的線判斷和安全回應 (見圖 6、圖 7)。
5. 刀具壽命管理階段問題解決刀具壽命管理包括刀具裝配標準規范、刀具更換標準、刀具庫管理流程規范及無過錯定義刀具等。
(1) 在線自動檢測刀長實施補償報警問題的解決方案
我公司 3D 自動化加工試運行初期，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) 時兩臺機床均出現了多把甚至是十幾把刀具頻繁報警的情況，經過排查，找到了問題的主要癥結: 刀具裝配超出了主程序中設定的有關刀具長度等的限定范圍，超差僅為百分之幾都會報警。經過分析有兩點主要原因: 一是配刀沿用非自動加工的刀具裝刀方式，沒有按自動加工配刀標準執行;二是刀具庫裝刀后測量工具和測量方法不完善。
解決方法: 首先根據我公司實際情況制定刀具裝配公差范圍標準，同時制定嚴格的配刀管理制度來實施刀具裝配階段的過程控制。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具體實施自動化刀具的裝配和測量工作，其中有兩個環節最容易導致刀具伸長裝配誤差，一是刀體與刀柄的裝配均為人工操作，二是整體鎢鋼刀刃部磨損后要通過熱夾方式多次更換裝配。我們通過設計制造裝刀輔助工具配合標準量具實施刀具裝配，使 3D 自動加工刀具裝刀和刀長限定均做到了在標準范圍之內; 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方案
3D 自動加工刀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加工時間為準還是以磨損情況為準? 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? 如果每次自動加工結束后都把所有刀具從刀具庫取下來送到刀具測量中心檢測，一臺檢測設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制定出完善的刀具檢測更換標準和管理制度，就會有刀具檢測更換不及時情況發生，將直接影響 3D 自動加工模面質量。
解決方案: 制定數控加工中心自動化加工刀具日點檢制度，加工結束后由機床檢查刀具情況 (見圖 8)，精加工刀片即刻更換，用于多刀清角的鎢鋼刀根據加工時間標準進行及時更換。磨損的鎢鋼刀和刀片由配送中心實施檢測，磨損量在規定范圍內的刀具將用于半精銑和單刀清角; 刀具檢測中心實施待更換刀具的裝配和配送，并配合機加工人員用對刀座號的方法準確將刀具放置到機床刀具庫中。
(3) 全程刀路無過切過程階段問題— — —動態刀
具定義易產生錯誤的解決方案前面提到，為了合理控制刀具成本，我們采用的是刀具庫固定一定數量刀具結合批量刀具動態管理的方式管理刀具庫;
其中采用的任意選刀方式，避免了機床刀具庫使用頻率較低刀具的閑置問題，降低了刀具成本。可是此種模式中公用刀具需要編程員人為動態選取并命名刀具號，要求編程員對動態刀具定義必須完全正確。
刀具庫固定刀具已在軟件中設定成庫直接調用，動態刀具則需要編程員在庫中調用后重新定義刀具號，有了人為操作就不可能達到真正 100% 無過錯;盡管編程制定了刀具定義的標準也實施了培訓，但在 3D 自動化運行兩年的時間里還是出現了因動態刀具定義錯誤、動態刀具號定義重復問題導致模具型面局部過切的問題發生。
解決方案: 開發刀具批定義軟件，限定固定刀具號范圍和動態刀具號范圍，通過軟件方式自動識別過濾掉重復刀具號和錯誤刀具號; 這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，具體實施后徹底解決了此問題。
三、結語
3D 自動化加工在日本等國外大型汽車模具公司應用較普遍，國內僅有一汽模具和一汽豐田模具等個別大型企業真正實現了 3D 自動化加工。一些企業自動加工試運行階段因過程控制手段不完善，頻繁出現過程問題點，導致模具數控加工效率下滑，故而中止了自動加工試驗和開發。
我公司在 3D 自動化加工試運行階段對本文提到的過程控制問題點制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定運行; 在保證提高加工效率和加工質量的前提下，我們通過科學數據統計、任意選刀等方法的應用，做到了合理配置自動加工刀具庫，避免了閑置刀具問題發生，使刀具成本得到了很好的控制。
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，機加車間五臺數控加工中心實現了真正意義上的 3D 型面無人值守加工。尤其節假日(長、短假期)，周六周日和中夜班等時段，機加車間都合理安排加工中心實施 3D 型面無人值守加工，在提高數控機床勞動生產方面發揮了優勢作用。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
