数控技术在自动化机械制造中的应用

2023-02-21刘莉莉

现代制造技术与装备 2023年1期

刘莉莉

（辽宁轨道交通职业学院，沈阳 110027）

数控技术在机械制造业得到了广泛应用，不仅提高了工作效率，而且使产品更加精细。此技术使用电子编程高效控制不同类型的生产设备，属于工业领域以计算机为基础的自动化技术之一。近几年，数控技术在我国机械制造行业中的应用范围不断扩大，但由于其在国内使用时间不长，经验不足，存在待改进之处。基于此，本文针对数控技术在工业、机床、汽车、航空以及采矿领域的具体应用进行分析，研究相关案例，探讨技术优势，不断改进和优化数控技术。

1 数控技术在自动化机械制造中应用的重要性

1.1 提高操作精度

在传统机械制造环节，车间生产涉及的流程多，且大多数是由人工操作机器完成的，易受到外界环境影响，如个人疏忽导致的操作失误等。人工操作精准度无法达到机器生产标准，不利于提高产品质量，使得生产的产品质量参差不齐[1]。如果不合格产品流入市场，会影响消费者的体验感。采用数控技术能充分发挥数字化优势，精确控制产品规格、种类，弥补传统生产环节尺寸大小不一的缺陷，提高操作精度，同时有助于提高生产的零部件的精密性和准确率。

1.2 降低制造成本

机械制造全过程包含诸多工序、流程，其中既涉及设计环节的准备工作，也涵盖审核、预处理以及预加工等细小环节。在传统的生产环节中，以上操作多是由人工完成的，需要的人力、物力以及财力较大。数控技术在各个环节的应用，使工作变得简单，多数操作可以由设备代替人工，无须投入大量人力。数控技术的应用降低了因人工操作失误带来的反工、重做风险，实现了制造过程的自动化，提高了生产效率，降低了制造成本，增加了企业的经济收益。

2 机械制造自动化中数控技术的应用

2.1 工业生产

工业生产环境复杂多变，特别是一些机械化流水线作业，很难在这样的环境中进行人工操作。数据技术应用减少了安全事故的发生，有利于达到安全生产标准[2]。通常情况下，在工业生产场景中会构建基于计算机的自动化体系，其中包含控制中枢、内控单元、驱动单元以及执行单元。例如，在数控车床操作时，主要采用伺服系统，系统划分为开环、半闭环以及闭环，具体框架分别如图1、图2和图3所示。

图1 数控车床的开环控制系统

图2 数控车床的半闭环控制系统

图3 数控车床的闭环控制系统

数控车床中枢能与其他构件分离，也可以通过人工操作或者控制。在计算机中输入已编辑好的程序，远程控制中枢实现自动化操作，完成人力无法完成的高难度作业。当基于数控技术应用的自动化作业发生故障时，传感器、检测设备会及时接收到电位变化的相关信息，并第一时间上传。此时，中控系统将停止输出作业指令，启动预警系统，降低操作安全风险。数控技术在工业生产中的应用，发挥了信息控制优势，可最大限度降低风险，提质增效，促进生产目标的达成，创造更高的效益。

2.2 汽车制造领域

数控技术在汽车制造领域的应用非常广，如焊接、组装以及零部件加工等。应用数控技术简化了制造工艺，大幅提高了制造自动化水平和产品质量，使得汽车零部件制造精度更高[3]。例如，数控技术在汽车覆盖件模具制造中的突出优势。

首先，明确加工策略和工艺参数，按照规定流程进行操作，如图4所示。每一个环节都非常重要，经过定位、加工环节后，待检验合格才能进行下一步操作。

图4 汽车覆盖件模具制造流程

其次，设计数控工艺。具体设计流程以客户提出的要求为准。设计部门根据图纸完成设计，工艺部门审查图纸设计是否科学、合理，是否具备可操作性。设计部门结合工艺部门的修改，调整图纸，并将最终工艺方案上交工艺部门。根据图纸试制模具，若模具各项性能达标，表明图纸及工艺方案设计是合理的。

最后，优化加工工艺，确保数控加工更加精确。优化时重点以粗加工、精加工为主，其中优化粗加工工艺参数时要结合刀具直径、切削量。最小曲率半径不小于12 mm时，精加工刀具半径要为最小曲率半径的0.5～0.75倍；最小曲率半径小于12 mm时，精加工刀具半径要为最小曲率半径的0.75～1倍。粗加工刀具最大直径可表示为

式中：D精为精加工刀具直径；δ允max为允许最大加工余量；δ搭min为允许最小搭刀量；δ余为加工余量；α为凹陷与边界夹角，一般为0°～180°。在获取精加工刀具直径的前提下，可以直接使用计算获得。在优化粗加工刀具直径时，要先读取工件几何模型，计算代加工表面最小曲率半径和平均曲率半径后，再计算精加工刀具直径和允许最大加工余量，输出加工余量和最小搭刀量，明确最小边界夹角范围，根据式（1）选择粗加工刀具直径。优化粗加工切削量时，要重视切削速度、深度及进给量，根据工艺系统刚度承受范围、机床约束条件、刀具耐磨性，得出

式中：Tc为全部切削时间；Tt为全部空刀时间；Tu为装卸及准备工件时间；Td为换刀占用时间；T为刀具使用全周期寿命。

优化细加工切削量时，也需要获取式（2）的值，但需要注意优化时限制性因素为加工表面粗糙度、允许最大粗糙度等。

除了关注粗加工、精加工优化时刀具、切削量的选择外，还要关注走刀方式、螺旋线刀位轨迹、平行线刀位轨迹以及充填法等。汽车制造涉及的零部件多，对于精细化要求高。数控技术的应用不仅实现了制造自动化，而且计算过程更加准确，降低了零部件制造误差，有助于提高汽车的整体性能及质量。

2.3 航空工业

航空制造与其他工业制造存在明显差异，其中航空制造对技术含量的要求更高，主要原因是在制造过程中涉及了一些高硬度、高强度、高韧度、高热硬性、耐磨性、良好耐热冲击性及化学稳定性的零部件[4]。应用数控技术能够提高工艺水平，发挥其精度高、柔韧性好的优势。例如，制造飞机发动机机匣时，主要有对开环形、整体环形以及异形壳体3种结构，多使用耐高温、高强度的钛合金材料。机匣结构要求薄壁、弱刚性，型面复杂，对精度要求高，加工难度大。机匣属于大型零件，如果航空发动机机匣有15 000 kg，那么直径应该是Ф800 mm。大飞机大型风扇机匣外形尺寸为Ф1 825.5 mm×546 mm时，最薄处的壁厚仅为3 mm。因此，在制造机匣时应选用一些中型、大型且功能较多、精度高的数控机床。比如，制造直径为Ф2 000 mm的数控立车、精密数控立车时，工作台尺寸是2 400 mm×5 000 mm龙门式五轴联动制造中心，同时要拥有双工位、在线测量以及仿真等功能，刀库容量在60把以上。数控系统具备高级编程功能，工作台为3 000 mm×5 000 mm龙门式数控镗铣床，能够满足航空制造提出的高要求。数控设备刚性强，操作简单，能实现人机交互，能高精度制造加工众多拐角，同时具备在线测量与仿真功能。

3 数控技术在自动化机械制造中的应用前景及发展趋势

3.1 智能化

近年我国进入科学技术高速发展时期，自动化机械制造中对超精密度的需求越来越高。普通加工件精度虽然与过去相比提高了近1倍（能够实现5 μm精度），精密加工件提高了2个数量级，但社会制造业发展快，科技水平越来越高，超精密加工件精度不仅要实现纳米级，还应该不断提高数控系统适应能力，由原来的自动化转变为智能化，最关键的是要提高自适应控制系统调整进给速率。在编程控制器层面，自动编程技术实现了跨越式发展。从数控技术长远发展角度出发，未来自动化机械制造趋于智能化控制，因此需要更多的技术人员给予支持，不断对数控工艺系统升级、优化、改进，以推进智能制造快速发展。

3.2 网络化

网络技术发展迅速，正逐步实现全球网络一体化，促使机械制造行业的网络化和信息化成为未来的发展趋势[5]。企业内部应该构建数控数据联网系统，促进各部门间的数据高效共享。各部门都可以根据自身权限快速查阅、查实相关数据，最大程度上为工艺改进、技术优化提供最新的参数。此外，数据网络化可以远程操作仪器，提高自动化水平。

3.3 开放型数控系统

在自动化机械制造中，计算机技术发挥了重要作用。但是，封闭式数控的缺点多，如维修难、软件移植效果不理想等，导致用户的有些需求无法满足，且用户很难结合自身需求更改程序，系统扩展性能较差。在以后的发展中，需要引进开放性数控系统，结合用户需求高效运行，实现接口、通信、交互等模式的标准化、规范化，也使维修、软件移植更加方便快捷。