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数控机床应用与车间数字化---切削加工过程数字化探讨2011年4月北京航空制造工程研究所主要内容一．机械制造业发展概述二．数控机床应用及车间现状三．应用的技术基础与主要环节四．数控车间增效技术途径五．结论与展望一、机械制造业发展概述人类文明的发展与制造技术的进步密切相关石器时代天然石料工具与技术青铜器和铁器时代采矿、冶炼、锻造，手工劳动手工作坊工业时代1784蒸汽机1796机床19世纪新型冶炼、内燃机、电气技术批量生产、科学管理理论20世纪初现代制造一、机械制造业发展概述传统制造以机械---电力技术为核心：单件生产+高度的个人制造技巧规模生产+一体化的生产组织模式+细化的专业分工产品质量和劳动生产率的提高依赖于人力和设备投入现代制造以新材料、数控、微电子和自动化为基础：从单件小批量少品种大批量多品种变批量系统化及其技术和管理的集成强调生产自动化程度和适应性、新工艺方法和新技术的投入一、机械制造业发展概述生产方式技术特点劳动密集型对工人技术水平要求高、产品精度一致性差设备密集型劳动生产率较高、产品精度一致性较好信息密集型人—机之间有信息交流，快速、准确地实现加工；数控机床知识密集型制造系统，具有数据库、专家系统，获取较少信息完成加工要求；FMS、CIMS智能密集型在探索的方式，试图使制造系统本身具有人工智能，目标是无图纸加工、无人化加工制造模式的变革一、机械制造业发展概述发展的基础1：机床机械单元，1796年车床出现手工操作机械自动电气控制计算机控制网络化/信息化电子技术微电子技术计算机技术软件技术机械液压1952年，第一台数控机床出现1958年世界上第一块集成电路(IC)问世，揭开了人类“硅”时代的序幕高速、高精智能自动切削加工一、机械制造业发展概述发展的基础2：刀具切削加工一、机械制造业发展概述发展的基础3：工艺传统加工：泰勒(Taylor)切削方程式vc·Tm=C高速加工：基础是1931年德国切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)提出的高速切削加工理论及著名的“萨洛蒙曲线”。切削加工二、数控机床应用及车间现状数控技术适应多品种、批量小、形状复杂、精度高等零件的制造。国内自20世纪80年代起即步入了数控技术的实际应用阶段。普通转数控低速转高速二、数控机床应用及车间现状数控铣削加工设备：•重切削：6000rpm•轻合金：8000rpm•数控设备：机加类、焊接类、钣金类、复材类等；•材料：铝合金、钛合金、高温合金等•软件工具：不同程度地采用了数控加工车间所必须的软件，但是层次不同，效果不同。1.CAD/CAM/仿真：国外产品，以CATIA、UG为主；2.CAPP：国产软件，均有应用；3.MES：国产软件，联合开发；4.数据库：典型实施；二、数控机床应用及车间现状二、数控机床应用及车间现状•数字化集成：局部应用为主体，无纸设计制造、异地协同不断探索、深化研究、逐步推进1.国家863CIMS示范工程：数控车间为主体2.航空CIMS工程：设计—制造—型号管理、异地协同3.FMS研究与推广：生产线4.车间信息化：运行管理目前应用状态：单台应用、多台联网1.复杂及大型结构件的主要手段：框、壁板、机匣、壳体；2.工艺技术：高速铣削、高效加工、特殊结构加工；3.工艺参数：不断积累，数据库；4.管理技术：信息化、状态统计与监控5.联网运行：DNC网络与应用二、数控机床应用及车间现状二、数控机床应用及车间现状目前车间的数据层次数控技术是车间数字化的起源和基础，国内的车间数字化工作主体上是围绕数控车间展开的，目前热点是飞机装配三、应用的技术基础与主要环节数控机床应用涉及的基础是数控工艺技术，车间数字化是工艺技术、运行管理、软件工具、网络环境、数控设备的综合集成数控工艺技术是以切削技术为核心，应用计算机辅助设计制造软件工具、数控机床以及数控测量设备等，完成工艺设计、数控程序编制、工件制造、尺寸测量等工作过程的方法、数据、文件等的集合三、应用的技术基础与主要环节组成三、应用的技术基础与主要环节关键技术基础：切削技术…三、应用的技术基础与主要环节关键技术基础：CAD/CAM•几何模型内核:Parasolid、ACIS•几何造型：表面、实体、特征•刀位轨迹生成：点位、轮廓、型腔、曲面•数据交换：IGES、STEP、DXF•后置处理：刀位文件转换成数控程序三、应用的技术基础与主要环节关键技术基础：机床•坐标系、辅助装置轴定义、工作范围、测量装置•代码格式、NC系统功能基本指令系统、专用指令、子程序•输入输出：接口、协议•数控设备：结构形式、精度、主轴•进给速度分配：FX、FY、FZ，FA、FB、FCQui?…Où?...Cycle...Comment?StockCAD制图加载Qui?Où?...Programmeur...Comment?Val.ajoutée零件和3D模型研究Cycle...Qui?OpérateurOù?......Comment?Val.ajoutée加工工艺设计Cycle...分析和确认Qui?ProgOù?...Comment?Val.ajoutée切削刀具定义Cycle...Qui?ProgOù?...Comment?Val.ajoutéeCycle...Qui?ProgOù?...Comment?Val.ajoutéeNC编程Cycle...建立用于加工的组件(工具、坯料、CAD模型…)NC编程准备Transport数据加载用于NC模拟Qui?ProgOù?...SDGANCSImulCycle...Comment?模拟检查Qui?ProgOù?...SDGACycle...Comment?StockNC文件储存(用于加工)Qui?ProgOù?...Comment?Val.ajoutéeNC加工文件Cycle...后置处理生产现场主要环节之一：工艺数据(工艺与程序、刀具与参数)三、应用的技术基础与主要环节(1)工艺优化：三、应用的技术基础与主要环节切削参数优化、工艺优化设计、加工变形控制。切削温度θ=Cθ˙vcZθ˙fYθ˙apXθ()()()()()()ttcterrcreaacaeFKahKaFKahKaFKahKa切削力(2)数控加工仿真：几何仿真：以理想几何图形来检验数控代码是否正确，不考虑切削参数、切削力等因素对切削加工的影响。物理仿真：将整个工艺系统视为弹塑性实体，对物理特性及其变化特征进行模拟。加工过程仿真：将几何形体与物理性质的变化集成在一起，对加工过程进行较为真实模拟的一种仿真形式。三、应用的技术基础与主要环节(3)数控加工成本：生产费用通常包括：(1)材料费用(C材)；(2)机床费用(C机)；(3)工资费用(C工)；(4)换刀费用(C换)；(5)刀具费用(C刀)。生产一个工件的总费用：C总=C材+(C机+C工)(t准+t机)+(C换+C刀)(t机/T)三、应用的技术基础与主要环节(C换+C刀)(t机/T)：适当选择高质量刀具，虽然增加刀具成本，但可使T增加、t机缩短，总成本下降主要环节之二：数控加工在线控制三、应用的技术基础与主要环节•数控设备网络化连接•加工过程控制与管理•在线检测数据服务器应用服务器现场服务器工艺设计生产管理设备资源存储现场管理检验车间网络(1)DNC技术上层控制器RS232网络微机•NC程序传输•CNC控制指令传输•机床工作状态采集•零件工艺传输•工票显示RS232网络嵌入式CNC控制器DNC接口及传输数据I/O信号采集才能反映实时状态三、应用的技术基础与主要环节(2)加工状态监控技术三、应用的技术基础与主要环节等负荷切削：根据切削实际情况调整程序设定的切削参数测量头(刀具、工件)数控系统中断存储器数控程序/子程序显示/输出切削工具监测：物理量监测刀具切削状态、判定工况在线检测：利用测量装置，检测工件/刀具尺寸(3)现场数据采集数据源采集装置信息格式化处理上报传输主要环节之三：数控车间/生产线系统集成---车间数字化三、应用的技术基础与主要环节•数字化的模型•集成的工艺数据准备平台•生产作业计划与运行管理•制造资源的及时配送•数控设备运行状态的实时统计信息流、物质流、能量流的协调运转产品工艺过程制造资源三、应用的技术基础与主要环节(1)工艺数据准备线框模型的整体框的数控编程实体模型的零件工艺设计CAD/CAPP/CAM系统作业计划、运行调度、过程跟踪三、应用的技术基础与主要环节(2)生产线运行技术调度软件调度数据平台数据采集过程跟踪生产计划MES系统生产调度MES数据平台数据获取与更新方式数据访问接口调度数据模型的映射三、应用的技术基础与主要环节(3)车间管理系统•刀具、夹具、量具等管理；•零件质量状态管理；•资源配送管理；•物资数据管理；•生产/运行状态统计生产信息的电子化管理过程文件的辅助处理任务进度甘特图设备任务进度设备负荷三、应用的技术基础与主要环节(4)设计制造集成基于PDM生产工艺文档的规范化管理和变更控制不同生产方式的生产过程的有效管理与控制•数据生成：CAD/CAPP/CAM集成系统•生产运行：不同阶段的工艺管理、生产现场管理•数据管理：物料标识、网络化数据采集传输与监控机床库工装库工艺模板库加工术语库文件仓库工艺设计与管理系统TCMPP/CAPP零件信息输入工艺信息生成工艺信息输出集成管理工艺设计流程管理工艺分工工艺管理模型定义管理加工仿真UG/CAM资源库知识库系统数据库统一产品信息模型资源分类模型知识管理模型对象建模组件管理基本服务接口管理Web扩展其他扩展底层接口与协议PDM/TCEng组织权限模型MES制造执行系统集成调用模块、中间数据库数控编程信息返回协同环境管理文档管理工作流管理过程管理···产品配置管理知识管理与知识集成项目管理组织管理应用工具集成与管理工艺统计汇总知识库管理用户界面/工具封装/Portal数字化设计UG/CAD零件三维设计可制造性评价毛坯设计工序图设计3C应用层PDM支持层数据层集成工艺设计与管理集成计划与执行控制工厂模型库......产品设计库3C数据库工艺设计库......OracleTCEng四、数控车间增效技术途径数控设备综合应用效率=实际的设备能力/核定的设备能力实际的设备能力=有效工作时间*实际单位时间零件加工量*合格零件数数控设备综合应用效率=(有效工作时间/制度工作时间)*(实际单位时间零件加工量/理想单位时间零件加工量)*(合格零件数/零件总数)参考：吴汉洪、董红霞编著.管理经济学.北京：清华大学出版社按管理经济学原理：四、数控车间增效技术途径数控应用效率=设备利用率×零件加工率×零件合格率•零件加工率(加工效果)=材料切除率(MMR)/机床主轴数•设备利用率=设备开机率×设备使用率×设备运行率×主轴运转率•零件合格率=合格零件数/加工零件数四、数控车间增效技术途径§材料切除率(MMR)受工艺系统因素影响，提升幅度不同本环节核心因素是工艺参数、设备功能，合理参数选择是关键•零件结构、材料、刀具限制不能采用更高的工艺参数•数控设备及工艺系统限制不能达到高的工艺参数工艺系统航空主机厂数控切削工艺水平提升较快，合适的工艺参数范围已有•铝合金切削线速度已达2000m/min(20000rpm);•钛合金切削线速度100m/min以下实现稳定加工、保证质量的基础零件机床刀具夹具四、数控车间增效技术途径§设备利用率受生产过程因素影响，提升空间较大•工艺过程优化•数控程序优化•生产条件优化使用•生产过程管理及生产数据管理•适应批量产品生产过程减少非加工时间、减少辅助时间§零件合格率受设备精度、工艺方法、过程控制影响•设备选型与使用维护•加工过程控制：基准协调、在线监控强化技术、在线监控四、数控车间增效技术途径•单机提高材料切除率参数、功能能用，用好，完成工序加工在设备功能应用、材料去除率等环节实现增效。•单元提高设备利用率工艺、程序、底层控制、工装单项/小批零件主要针对产品加工过程，设备协调，提高产品加工过程效率。•系统提高设备平衡和生产过程优化能力计划、组织、