金属加工自动化初探

2009-06-10王学林

中国高新技术企业 2009年8期

摘要：在科技发展、全球经济一体化的背景下，金属加工企业面临着成本的巨大压力，而自动化技术已经成为金属加工行业获取优势市场竞争力的重要手段之一。在此背景下，文章根据金属加工业的现状，主要分析了我国金属加工自动化的趋势，并叙述了MAZATROL系统下的金属加工实例。

关键词：金属加工；自动化；数字化；智能化

中图分类号：TP108文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）08-0037-02

在全球经济一体化的背景下，金属加工环节面临着巨大的成本压力，这是整个制造链相互挤压的结果。金属加工要减少人工成本，缩短加工准备周期、提高切削速度，就必须走自动化之路。自动化技术不仅有利于金属加工企业提升业务水平，而且有利于提高企业的生产效率和产品质量。

一、金属加工自动化的涵义

（一）从形式方面看

金属加工自动化主要表现在代替人的体力劳动，繁重的体力劳动不再由人去付出，而是通过自动化的机械去完成；采用智能技术实行自动化处理，可以根据指令或者模拟人工智能等来完成简单的自行操作和处理；工作人员、机械以及自动化仪器之间成为一个系统，这个系统能够实现协调的运作与控制，并不断地得以优化。

（二）从涉及面方面看

自动化技术不但涉及到具体加工制造过程，还涉及到产品的整个生命周期。机械制造自动化技术贯穿于整个金属加工过程的始终，能够最大限度地降低人力、物力和财力的消耗，并能最大限度地提高生产效率，能够为企业创造更高的经济效益。

（三）从功能方面看

金属加工自动化不仅仅表现在代替人的体力劳动和脑力劳动，此外，金属加工自动化还表现出诸多的优点：

1．金属加工自动化技术能够极大地提高生产效率，缩短产品生产周期，为产品抢占市场提供了时间保证。

2．加工自动化技术能够确保产品质量达标和规格统一，符合现代社会标准化生产模式，具有良好的发展前景。

3．金属加工自动化技术能够提高生产效率，减少劳动力的消耗和使用，从而帮助企业降低生产成本，提高企业的经济效益。

二、我国金属自动化的发展趋势

根据对国内外金属加工自动化发展的现状，我们认为新时期我国金属加工自动化将会呈现以下发展趋势：

（一）虚拟化

虚拟化是一种方法，本质上讲是指从逻辑角度而不是物理角度来对资源进行配置，是从单一的逻辑角度来看待不同的物理资源的方法。虚拟化是一种逻辑角度出发的资源配置技术，是物理实际的逻辑抽象。金属加工产品的设计原来主要依赖前期的图纸与后期的成品试验，这不但浪费了大量的时间，而且在产品试验过程中消耗了很多人力、物力和财力的消耗，增加了成本。随着电子计算机和网络通讯技术的发展和成熟，人们借用电子计算机可以模拟操作很多工作，通过互联网实现数据的快速传输，从而实现了不同地方的人即时性的交流与合作。这也为金属加工行业的虚拟设计和试验提供了技术支持。

（二）智能化

智能制造系统，是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在加工过程中能够解决难以用数学的方法精确描述的复杂的、随机的、模糊的、柔性的各种问题，具有自我学习、自我适应、自我组织和自我决策等特点，被金属加工企业广泛采用。

智能加工技术能够通过人与机器的合作，极大地扩展和延伸人类在金属加工过程中的脑力劳动，从而优化加工过程、提高生产效率和减少消耗，这主要体现在机床的自动化的两个方面：

1．机械结构。在机械结构方面，早期的自动机床主要是简单的两轴控制的数控车床和三轴控制的铣床。但是这样的自动机床只能实现简单的加工，稍微复杂的工件就加工不了，或者需要将机床停下来，进行手动换刀。因此，在后来的数控机床上增加了能够自动换刀的刀塔，在数控铣床上增加了自动换刀的刀库，为了进一步提高效率，在刀库的基础上又增加了机械手，使得换刀的时间缩短了很多。目前，刀塔和刀库机械手已经成为数控车床和加工中心的标准配置，数控车床的刀塔功能也发生了变化，不但可以装夹车刀，而且可以配置动力刀头实现钻孔和铣削的功能。

2．控制系统。在控制系统方面，主要表现在加工中心上。加工中心是金属加工自动化中的核心设备，也是整个自动化切削系统中一台简单的自动化机器，它是“自动换刀的数控铣谴床”。加工中心的刀库正在向着容量更大、换刀速度更快的方向发展。随着机器人技术的发展，出现了带视觉系统的机器人，机床的智能化达到了一个更高的水平，如有些公司就配置了机器人的柔性成产系统，可以实现720小时无人化的加工。在这个过程中，加工中心和换刀机器人有着密切的联系，换刀过程是由单元计算机统一调度的。单元机对机床发装、卸命令，让机床刀库转到要求位置。与此同时，对换刀机器人发相应命令，待机床刀库到位后让单元机通知换刀机器人进行换刀。在整个换刀过程中，禁止加工程序中的换刀请求。

正是在机械结构和控制系统的相互作用下，不断推动了机床自动化水平，又由于智能化网络技术在机床方面的应用，使得机床不但具有金属加工的功能，而且具备了管理方面的能力。

（三）环保化

近年来，虽然大多数国家都实现了经济的快速增长，人们的生活条件更加优越，但是，资源消耗和环境污染等重大社会问题却给人类的生存和发展提出了严峻的挑战，促进人类与环境的可持续发展也已成为全人类的共同声音。金属加工业是污染较为严重的行业，近年来，“废水、废气、废渣”等“三废”给环境造成的巨大污染和负面影响已经显现，出现了全球气候变暖、水资源污染、各种自然灾害频发等现象。然而，通过提高金属加工自动化水平，我们可以减少字眼的消耗，从而降低的排放，从而“废水、废气、废渣”，有利于实现“节能减排”的目标。在促进社会可持续发展、营造和谐社会的今天，金属加工自动化向着环保化方向发展必将成为必然趋势。

三、MAZATROL系统环境下的金属自动化加工

机床也在向无人化方向发展，为了虽短加工的准备时间，提高机床的利用率，机床增加了托盘自动交换装置，为了进一步提高机床的自动化水平和无人化的工作时间，托盘的数量也在增加，可从2个一直到14个托盘，这就是FMC（柔性制造单元）。

随着机器人技术的发展，带视觉系统机器人的出现，机床无人化水平更是发展了一个新的高度，如山崎马扎克公司配置了机器人的柔性生产系统可以实现720H的无人化加工。

在控制系统方面，需要新的、更加开放的智能化网络化的系统。数控程序也向着人机对话式的发现发展。

传统的G代码程序的编程不但需要编程人员具有丰富的工艺知识，而且编程复杂需要很长的编制和调试时间。对于人机对话式的编程方式来说就非常简单了。下面就以MAZAK公司的MAZAK 640系统为例来说明智能化网络化系统的功能和特点。

人机对话式编程的MAZATROL系统来说，只要告诉系统要加工的材质和试用的刀具材质，系统就会根据内置的专家库自动给出主轴转速，进给速度等切削参数，当然也可以对切削参数进行修改，并且可以将用户的经验纳入专家库。加工向导预测功能可以根据切削条件计算出主轴的功率负荷，并且给出总的加工时间和每一把刀具的加工时间，以及每把刀具的加工时间在总加工时间中的比率，编程操作人员可以根据主轴的负荷和加工时间对程序进行进一步的优化。

当输入要加工零件的形状、要求等信息后，系统可以自动展开所需刀具和自动生成刀具的加工路径，系统还有三维实体模拟加工和防止干涉碰撞的功能，程序编制完成后，马上可以进行三维实体的模拟试切演示来检验程序的正确性，由于程序中包含了刀具的相关信息，因此，通过三维的实体模拟得到是真实的加工形状，MAZATROL系统内置了机床的边界条件，如果再加上夹具的模拟数据，还可以实现防止干涉碰撞的功能，档手动操作机床的情况下，机床会根据已经建立的机床、刀具、夹具和工作形成的空间的位置和边界条件，时刻监控机床的运行过程，当发现将要发生碰撞危险时，机床会在设定的安全距离内停止运动并发出报警，从而避免干涉碰撞对机床、刀具和工作造成的破坏。

另外，MAZATROL系统的刀具管理功能，可以大大缩短机床加工的准备时间，机床的监控功能可以随时了解机床的运行状况，图示化的诊断画面可以帮助维修人员尽快排除机床的故障。

四、结语

金属加工自动化是提高生产效率、节约人力资源成本、减少人为因素影响、满足批量生产需要的重要手段之一。目前，虽然我国在这方面的研究取得了一些成绩，但是与国外发达国家相比，还存在着一定差距，需要相关部门和人员结合我国具体情况，通过大家的共同努力不断提高我国金属加工自动化技术水平。

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