近年來，國(guó)內(nèi)各大汽車主機(jī)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(yè)要達(dá)到高效率、高質(zhì)量生產(chǎn)模具的目標(biāo)，必須加快企業(yè)技術(shù)提升、技術(shù)創(chuàng)新的步伐。數(shù)控加工是模具制造過程最重要的環(huán)節(jié)之一，而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化無人加工是模具廠家所追求的高層次階段，是體現(xiàn)和衡量其加工技術(shù)水平、技術(shù)含金量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

　　2011 年我公司開始全面實(shí)現(xiàn)了 (精銑) 數(shù)控加工中心的 3D 自動(dòng)化無人加工。開發(fā)和推進(jìn)中遇到了各種難題，由于編程、機(jī)加、刀具配送等部門的通力協(xié)作，通過技術(shù)提升和改善，在 3D 自動(dòng)化加工方面取得了一定的成績(jī)。覆蓋件模具加工包括結(jié)構(gòu)面2D 加工和型面 3D 加工，本文介紹的僅是型面 3D 自動(dòng)化加工相關(guān)內(nèi)容 (見圖 1、圖 2)。

　　3D 自動(dòng)化無人加工實(shí)施過程涉及模具數(shù)學(xué)模型標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)控編程標(biāo)準(zhǔn)化、刀具配置動(dòng)/靜態(tài)管理、機(jī)床刀具庫管控、刀具壽命規(guī)范化管理、(不同控制系統(tǒng)、不同主軸附件銑頭) 機(jī)床宏程序開發(fā)、工件機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)定規(guī)范化、多環(huán)節(jié)全程安全保障標(biāo)準(zhǔn)建立等多個(gè)環(huán)節(jié); 諸多環(huán)節(jié)涉及模具機(jī)加過程的所有工序，真正實(shí)現(xiàn)控制過程無錯(cuò)誤發(fā)生在數(shù)控加工中心 3D 無人自動(dòng)化加工中難度最大。任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)小的錯(cuò)誤和紕漏都將造成 3D 自動(dòng)化加工中斷、甚至是模具加工過切、刀具折斷、撞機(jī)等嚴(yán)重事故發(fā)生，因此過程控制對(duì)于 3D 自動(dòng)化無人加工(又稱數(shù)控機(jī)床無人值守加工) 的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

一、3D 自動(dòng)化無人加工控制過程及工作原理

　　覆蓋件模具數(shù)控加工長(zhǎng)期以來一直沿用由操作員調(diào)用單段獨(dú)立 NC 程序加工的模式，這種加工模式應(yīng)屬于機(jī)械化加工范疇。機(jī)械化是將數(shù)控加工的基本動(dòng)作由機(jī)床代替人工來完成，但操作和管理加工過程基本動(dòng)作的操縱工作需要操作員手動(dòng)完成; 自動(dòng)化是在機(jī)械化基礎(chǔ)上，不僅數(shù)控加工基本動(dòng)作由數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)，還需要把操作和管理加工過程基本動(dòng)作操縱工作交給機(jī)床來完成。機(jī)床代替人工實(shí)現(xiàn)操縱工作順利完成是自動(dòng)化加工的重要標(biāo)志。

　　針對(duì)模具型面 3D 加工而言，原來機(jī)械化模式數(shù)控加工是由操作員實(shí)施手動(dòng)裝夾更換刀具，手動(dòng)實(shí)施對(duì)刀、測(cè)刀、添加刀具補(bǔ)償?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中，通過人工調(diào)用諸多單一程序?qū)嵤┕ぜ庸? 而 3D 自動(dòng)化加工是將上述全部動(dòng)作都交給數(shù)控加工中心無人操縱完成。

　　實(shí)現(xiàn) 3D 自動(dòng)化無人加工硬件及系統(tǒng)環(huán)境要求是: 機(jī)床必須是數(shù)控加工中心; 配備了機(jī)床刀具庫和自動(dòng)換刀、自動(dòng)測(cè)刀裝置的數(shù)控機(jī)床才能稱之為數(shù)控加工中心。

　　數(shù)控加工基本動(dòng)作包括: 主軸及 (所有附件銑頭) 正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng); X/Y 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng); Z 軸滑枕或套筒運(yùn)動(dòng); W 軸的橫梁運(yùn)動(dòng); 五軸加工的 A/B/C 軸運(yùn)動(dòng)等。數(shù)控加工基本運(yùn)動(dòng)是通過機(jī)床控制系統(tǒng)執(zhí)行 NC 代碼 (G 代碼、M 代碼、S 代碼等) 組成的程序段來實(shí)現(xiàn)數(shù)控設(shè)備機(jī)械化加工的。

　　數(shù)控加工中心操縱動(dòng)作包括識(shí)別、檢測(cè)、更換刀具，子程序順序調(diào)用，附件銑頭調(diào)用、自動(dòng)加工安全預(yù)警等; 通過開發(fā)主程序自動(dòng)生成軟件和自動(dòng)化加工過程控制來實(shí)現(xiàn)機(jī)床基本動(dòng)作和操縱動(dòng)作的全自動(dòng)化過程，以此達(dá)到了數(shù)控加工中心無人值守加工的目的 (見圖 3)。

二、3D 自動(dòng)化無人加工過程控制常見問題分析及解決方案

　　1. 3D 自動(dòng)化加工刀具配置標(biāo)準(zhǔn)化管理階段刀具成本難于控制的成因分析

　　3D 自動(dòng)化加工時(shí)需要為一個(gè)數(shù)控機(jī)床配置幾十把甚至上百把刀具，在刀具配置標(biāo)準(zhǔn)化管理階段，這么龐大的配置量，刀具成本控制是個(gè)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(nèi)板件的大、中型模具全工序都有加工; 因模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同，僅 3D 型面加工就需要配備多類型、多規(guī)格大批刀投入使用; 如果為了滿足復(fù)雜模具加工的需求，配置數(shù)量過多的刀具，平衡各種類型模具加工時(shí)就會(huì)造成大量刀具閑置; 反過來如果盡量使配置刀具數(shù)量最小化，成本雖然降低了但卻滿足不了復(fù)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(dòng)化加工對(duì)刀具配置的需求量和刀具成本控制要找到一個(gè)平衡點(diǎn)，同一種類不同規(guī)格刀具數(shù)量配置比例要達(dá)到相對(duì)合理。從這兩個(gè)角度入手上述問題可以解決。

　　2. 3D 自動(dòng)加工配置刀具成本控制的解決方案

　　通過 3D 自動(dòng)化加工試驗(yàn)，我們制定科學(xué)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(dòng)加工刀具選用原則歸納為以下三點(diǎn): 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(zhǎng)的材料制成。②選用鑲裝刀片結(jié)構(gòu)的刀具更適合自動(dòng)化加工。③實(shí)施高速自動(dòng)化加工時(shí)要選用動(dòng)平衡性能好的刀具。

　　按此選刀原則我們?yōu)?3D 自動(dòng)化加工配置的精銑刀具實(shí)現(xiàn)了模具鑄鐵材料型面連續(xù)切削三十幾個(gè)小時(shí)的目標(biāo)，減少了每臺(tái)機(jī)床不同規(guī)格相同伸長(zhǎng)精銑刀具的配置數(shù)量。僅此一項(xiàng)五臺(tái)加工中心刀具庫共節(jié)省 15 把 30 球刀的配置量，節(jié)約成本約 5 萬元。試驗(yàn)中我們確定用兩種刀庫選刀方式實(shí)施分析驗(yàn)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(yán)格根據(jù)工序的先后順序依次將刀具安放在刀具庫中，調(diào)用時(shí)按模具加工順序逐一取出使用; 它的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，工作可靠;缺點(diǎn)是刀具庫刀具配備數(shù)量較多，機(jī)床更換模具部件加工時(shí)機(jī)床刀具庫必須重新排列刀具，頻繁地配刀和排列刀具，導(dǎo)致人為錯(cuò)誤產(chǎn)生幾率加大，給 3D自動(dòng)化加工帶來極大的安全隱患。

　　(2) 任意選刀方式

　　是根據(jù)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(hào)存放，利用控制系統(tǒng)來識(shí)別、記憶所有刀具和刀座。其優(yōu)點(diǎn)是相同的刀具在工件一次裝夾中可重復(fù)使用，因此刀具數(shù)量較合理，自動(dòng)換刀裝置通用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣。

　　通過兩種方式對(duì)比分析，考慮我公司模具加工實(shí)際情況，我們確定任意選刀方式用于 3D 自動(dòng)化加工。根據(jù) 3D 自動(dòng)化加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證結(jié)論和大批量模具加工刀具使用頻率的分析結(jié)果，我們?yōu)闄C(jī)床刀具庫配置了一定數(shù)量的固定刀具，另外在刀具庫中還預(yù)留多個(gè)刀座位置動(dòng)態(tài)配置部分刀具，方法是: 用一套公用刀具供五臺(tái)加工中心隨機(jī)選用，節(jié)省了另外 4 臺(tái)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(xiàn)象發(fā)生，從而達(dá)到了刀具成本控制的目的。通過近一年的運(yùn)行，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng) 3D 自動(dòng)加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和刀具使用頻率分析等方法，對(duì)機(jī)床刀具庫實(shí)施了刀具規(guī)格小范圍的調(diào)整，使公司 5 臺(tái)數(shù)控加工中心刀具庫刀具配置達(dá)到了相對(duì)合理狀態(tài)。

　　3. 刀具在線識(shí)別和刀具壽命管理標(biāo)準(zhǔn)化問題原因分析

　　刀具庫配置完成后，如何做到刀具配置標(biāo)準(zhǔn)化管理，又成了 3D 自動(dòng)化加工的另一難題。實(shí)際上大家極易忽略的是刀具在線切削狀態(tài)控制 (即為刀具自動(dòng)識(shí)別) 和自動(dòng)加工過程中刀具壽命管理標(biāo)準(zhǔn)化等問題對(duì)無人加工的影響，這些問題不解決，會(huì)導(dǎo)致模具加工質(zhì)量問題頻繁發(fā)生。

　　刀具初次裝入刀具庫前已經(jīng)實(shí)施了刀具靜態(tài)檢測(cè)，保證刀具各項(xiàng)指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，這方面容易控制; 大型復(fù)雜模具 3D 自動(dòng)無人加工時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)100 多小時(shí)，3D 自動(dòng)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(dòng)等均屬于加工在線切削狀態(tài)，如何做到能夠在加工過程中自動(dòng)識(shí)別和準(zhǔn)確判斷上述情況并作出對(duì)應(yīng)的自動(dòng)安全回應(yīng)呢? 這些又是 3D 自動(dòng)加工中需要重點(diǎn)解決的問題之一。

　　4. 刀具在線識(shí)別問題的解決方案

　　首先針對(duì)刀具庫中各類型所有規(guī)格的刀具定義出對(duì)應(yīng)在線加工狀態(tài)下刀具變化限定值和限定范圍;對(duì)不同形式的刀柄端面間隙做出互換設(shè)定; 限定和設(shè)定依據(jù)則是刀具性能和模具加工材料、機(jī)床主軸功率等技術(shù)參數(shù)，另外要參考以往積累的模具加工參數(shù)、刀具切削參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫用于以上限定值的制定; 依據(jù)限定值編制出不同數(shù)控控制系統(tǒng)的機(jī)床宏程序，通過控制系統(tǒng)和機(jī)床刀長(zhǎng)檢測(cè)裝置完成對(duì)刀具自動(dòng)識(shí)別的工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工過程中對(duì)刀具磨損、崩刃、折斷的線判斷和安全回應(yīng) (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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、刀具更換標(biāo)準(zhǔn)、刀具庫管理流程規(guī)范及無過錯(cuò)定義刀具等。

　　(1) 在線自動(dòng)檢測(cè)刀長(zhǎng)實(shí)施補(bǔ)償報(bào)警問題的解決方案

　　我公司 3D 自動(dòng)化加工試運(yùn)行初期，在線自動(dòng)檢測(cè)刀長(zhǎng)實(shí)施補(bǔ)償遇到瓶頸。主程序空運(yùn)行試切(模擬運(yùn)行) 時(shí)兩臺(tái)機(jī)床均出現(xiàn)了多把甚至是十幾把刀具頻繁報(bào)警的情況，經(jīng)過排查，找到了問題的主要癥結(jié): 刀具裝配超出了主程序中設(shè)定的有關(guān)刀具長(zhǎng)度等的限定范圍，超差僅為百分之幾都會(huì)報(bào)警。經(jīng)過分析有兩點(diǎn)主要原因: 一是配刀沿用非自動(dòng)加工的刀具裝刀方式，沒有按自動(dòng)加工配刀標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行;二是刀具庫裝刀后測(cè)量工具和測(cè)量方法不完善。

　　解決方法: 首先根據(jù)我公司實(shí)際情況制定刀具裝配公差范圍標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)制定嚴(yán)格的配刀管理制度來實(shí)施刀具裝配階段的過程控制。再則通過技術(shù)改善，提高刀具裝配準(zhǔn)確率。公司刀具配送和測(cè)量中心具體實(shí)施自動(dòng)化刀具的裝配和測(cè)量工作，其中有兩個(gè)環(huán)節(jié)最容易導(dǎo)致刀具伸長(zhǎng)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(shè)計(jì)制造裝刀輔助工具配合標(biāo)準(zhǔn)量具實(shí)施刀具裝配，使 3D 自動(dòng)加工刀具裝刀和刀長(zhǎng)限定均做到了在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi); 經(jīng)過 3 個(gè)月的實(shí)施推動(dòng)，完全消除了自動(dòng)檢測(cè)刀長(zhǎng)實(shí)施補(bǔ)償時(shí)出現(xiàn)報(bào)警的問題。

　　(2) 刀具更換標(biāo)準(zhǔn)難確定問題原因分析及解決方案

　　3D 自動(dòng)加工刀具更換依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)不好確定，鑲片刀刀片和整體鎢鋼刀磨損量是以加工時(shí)間為準(zhǔn)還是以磨損情況為準(zhǔn)? 檢測(cè)手段是以設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)還是以目視檢測(cè)破損程度為準(zhǔn)? 如果每次自動(dòng)加工結(jié)束后都把所有刀具從刀具庫取下來送到刀具測(cè)量中心檢測(cè)，一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備根本無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)完成;如果自動(dòng)化加工前沒有制定出完善的刀具檢測(cè)更換標(biāo)準(zhǔn)和管理制度，就會(huì)有刀具檢測(cè)更換不及時(shí)情況發(fā)生，將直接影響 3D 自動(dòng)加工模面質(zhì)量。

　　解決方案: 制定數(shù)控加工中心自動(dòng)化加工刀具日點(diǎn)檢制度，加工結(jié)束后由機(jī)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(jù)加工時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行及時(shí)更換。磨損的鎢鋼刀和刀片由配送中心實(shí)施檢測(cè)，磨損量在規(guī)定范圍內(nèi)的刀具將用于半精銑和單刀清角; 刀具檢測(cè)中心實(shí)施待更換刀具的裝配和配送，并配合機(jī)加工人員用對(duì)刀座號(hào)的方法準(zhǔn)確將刀具放置到機(jī)床刀具庫中。

　　(3) 全程刀路無過切過程階段問題— — —動(dòng)態(tài)刀

　　具定義易產(chǎn)生錯(cuò)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(shù)量刀具結(jié)合批量刀具動(dòng)態(tài)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(jī)床刀具庫使用頻率較低刀具的閑置問題，降低了刀具成本?？墒谴朔N模式中公用刀具需要編程員人為動(dòng)態(tài)選取并命名刀具號(hào)，要求編程員對(duì)動(dòng)態(tài)刀具定義必須完全正確。

　　刀具庫固定刀具已在軟件中設(shè)定成庫直接調(diào)用，動(dòng)態(tài)刀具則需要編程員在庫中調(diào)用后重新定義刀具號(hào)，有了人為操作就不可能達(dá)到真正 100% 無過錯(cuò);盡管編程制定了刀具定義的標(biāo)準(zhǔn)也實(shí)施了培訓(xùn)，但在 3D 自動(dòng)化運(yùn)行兩年的時(shí)間里還是出現(xiàn)了因動(dòng)態(tài)刀具定義錯(cuò)誤、動(dòng)態(tài)刀具號(hào)定義重復(fù)問題導(dǎo)致模具型面局部過切的問題發(fā)生。

　　解決方案: 開發(fā)刀具批定義軟件，限定固定刀具號(hào)范圍和動(dòng)態(tài)刀具號(hào)范圍，通過軟件方式自動(dòng)識(shí)別過濾掉重復(fù)刀具號(hào)和錯(cuò)誤刀具號(hào); 這一改善去除了刀具定義環(huán)節(jié)的人為操作，通過自動(dòng)方式生成了動(dòng)態(tài)刀具，具體實(shí)施后徹底解決了此問題。

三、結(jié)語

　　3D 自動(dòng)化加工在日本等國(guó)外大型汽車模具公司應(yīng)用較普遍，國(guó)內(nèi)僅有一汽模具和一汽豐田模具等個(gè)別大型企業(yè)真正實(shí)現(xiàn)了 3D 自動(dòng)化加工。一些企業(yè)自動(dòng)加工試運(yùn)行階段因過程控制手段不完善，頻繁出現(xiàn)過程問題點(diǎn)，導(dǎo)致模具數(shù)控加工效率下滑，故而中止了自動(dòng)加工試驗(yàn)和開發(fā)。

　　我公司在 3D 自動(dòng)化加工試運(yùn)行階段對(duì)本文提到的過程控制問題點(diǎn)制訂出有效的解決方案，做到了3D 自動(dòng)化加工在試運(yùn)行階段就能夠穩(wěn)定運(yùn)行; 在保證提高加工效率和加工質(zhì)量的前提下，我們通過科學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、任意選刀等方法的應(yīng)用，做到了合理配置自動(dòng)加工刀具庫，避免了閑置刀具問題發(fā)生，使刀具成本得到了很好的控制。

　　目前我公司 3D 自動(dòng)化加工平穩(wěn)運(yùn)行已經(jīng)超過了兩年的時(shí)間，機(jī)加車間五臺(tái)數(shù)控加工中心實(shí)現(xiàn)了真正意義上的 3D 型面無人值守加工。尤其節(jié)假日(長(zhǎng)、短假期)，周六周日和中夜班等時(shí)段，機(jī)加車間都合理安排加工中心實(shí)施 3D 型面無人值守加工，在提高數(shù)控機(jī)床勞動(dòng)生產(chǎn)方面發(fā)揮了優(yōu)勢(shì)作用。