近年來，國內(nèi)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(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，而實現(xiàn)數(shù)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(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現(xiàn)了 (精銑) 數(shù)控加工中心的 3D 自動化無人加工。開發(fā)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(xié)作，通過技術(shù)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(jié)構(gòu)面2D 加工和型面 3D 加工，本文介紹的僅是型面 3D 自動化加工相關(guān)內(nèi)容 (見圖 1、圖 2)。

　　3D 自動化無人加工實施過程涉及模具數(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/靜態(tài)管理、機床刀具庫管控、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) 機床宏程序開發(fā)、工件機床坐標(biāo)原點設(shè)定規(guī)范化、多環(huán)節(jié)全程安全保障標(biāo)準(zhǔn)建立等多個環(huán)節(jié); 諸多環(huán)節(jié)涉及模具機加過程的所有工序，真正實現(xiàn)控制過程無錯誤發(fā)生在數(shù)控加工中心 3D 無人自動化加工中難度最大。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)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(yán)重事故發(fā)生，因此過程控制對于 3D 自動化無人加工(又稱數(shù)控機床無人值守加工) 的實現(xiàn)至關(guān)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(shù)控加工長期以來一直沿用由操作員調(diào)用單段獨立 NC 程序加工的模式，這種加工模式應(yīng)屬于機械化加工范疇。機械化是將數(shù)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(chǔ)上，不僅數(shù)控加工基本動作由數(shù)控機床實現(xiàn)，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(xiàn)操縱工作順利完成是自動化加工的重要標(biāo)志。

　　針對模具型面 3D 加工而言，原來機械化模式數(shù)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?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 自動化加工是將上述全部動作都交給數(shù)控加工中心無人操縱完成。

　　實現(xiàn) 3D 自動化無人加工硬件及系統(tǒng)環(huán)境要求是: 機床必須是數(shù)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(shù)控機床才能稱之為數(shù)控加工中心。

　　數(shù)控加工基本動作包括: 主軸及 (所有附件銑頭) 正反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)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(shù)控加工基本運動是通過機床控制系統(tǒng)執(zhí)行 NC 代碼 (G 代碼、M 代碼、S 代碼等) 組成的程序段來實現(xiàn)數(shù)控設(shè)備機械化加工的。

　　數(shù)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(diào)用，附件銑頭調(diào)用、自動加工安全預(yù)警等; 通過開發(fā)主程序自動生成軟件和自動化加工過程控制來實現(xiàn)機床基本動作和操縱動作的全自動化過程，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(biāo)準(zhǔn)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(shù)控機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就會造成大量刀具閑置; 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(guī)格刀具數(shù)量配置比例要達(dá)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(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(jié)構(gòu)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?yōu)?3D 自動化加工配置的精銑刀具實現(xiàn)了模具鑄鐵材料型面連續(xù)切削三十幾個小時的目標(biāo)，減少了每臺機床不同規(guī)格相同伸長精銑刀具的配置數(shù)量。僅此一項五臺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(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)用時按模具加工順序逐一取出使用; 它的優(yōu)點是控制簡單，工作可靠;缺點是刀具庫刀具配備數(shù)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(dǎo)致人為錯誤產(chǎn)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(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存放，利用控制系統(tǒng)來識別、記憶所有刀具和刀座。其優(yōu)點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，自動換刀裝置通用性強、應(yīng)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(jù) 3D 自動化加工試驗數(shù)據(jù)分析驗證結(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)留多個刀座位置動態(tài)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(jié)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(xiàn)象發(fā)生，從而達(dá)到了刀具成本控制的目的。通過近一年的運行，運用現(xiàn)場 3D 自動加工數(shù)據(jù)統(tǒng)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(guī)格小范圍的調(diào)整，使公司 5 臺數(shù)控加工中心刀具庫刀具配置達(dá)到了相對合理狀態(tài)。

　　3. 刀具在線識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(tài)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(biāo)準(zhǔn)化等問題對無人加工的影響，這些問題不解決，會導(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)實施了刀具靜態(tài)檢測，保證刀具各項指標(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 自動無人加工時間最長可達(dá)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(tài)，如何做到能夠在加工過程中自動識別和準(zhǔn)確判斷上述情況并作出對應(yīng)的自動安全回應(yīng)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(guī)格的刀具定義出對應(yīng)在線加工狀態(tài)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(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)的機床宏程序，通過控制系統(tǒng)和機床刀長檢測裝置完成對刀具自動識別的工作，實現(xiàn)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(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(xiàn)了多把甚至是十幾把刀具頻繁報警的情況，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)刀具長度等的限定范圍，超差僅為百分之幾都會報警。經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)執(zhí)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(jù)我公司實際情況制定刀具裝配公差范圍標(biāo)準(zhǔn)，同時制定嚴(yán)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(shù)改善，提高刀具裝配準(zhǔn)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(huán)節(jié)最容易導(dǎo)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(shè)計制造裝刀輔助工具配合標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi); 經(jīng)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(xiàn)報警的問題。

　　(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間為準(zhǔn)還是以磨損情況為準(zhǔn)? 檢測手段是以設(shè)備檢測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)還是以目視檢測破損程度為準(zhǔn)? 如果每次自動加工結(jié)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(shè)備根本無法在規(guī)定時間內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)和管理制度，就會有刀具檢測更換不及時情況發(fā)生，將直接影響 3D 自動加工模面質(zhì)量。

　　解決方案: 制定數(shù)控加工中心自動化加工刀具日點檢制度，加工結(jié)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(jù)加工時間標(biāo)準(zhǔn)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(guī)定范圍內(nèi)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(zhǔn)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(tài)刀

　　具定義易產(chǎn)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(shù)量刀具結(jié)合批量刀具動態(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態(tài)選取并命名刀具號，要求編程員對動態(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，動態(tài)刀具則需要編程員在庫中調(diào)用后重新定義刀具號，有了人為操作就不可能達(dá)到真正 100% 無過錯;盡管編程制定了刀具定義的標(biāo)準(zhǔn)也實施了培訓(xùn)，但在 3D 自動化運行兩年的時間里還是出現(xiàn)了因動態(tài)刀具定義錯誤、動態(tài)刀具號定義重復(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，限定固定刀具號范圍和動態(tài)刀具號范圍，通過軟件方式自動識別過濾掉重復(fù)刀具號和錯誤刀具號; 這一改善去除了刀具定義環(huán)節(jié)的人為操作，通過自動方式生成了動態(tài)刀具，具體實施后徹底解決了此問題。

三、結(jié)語

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

　　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(wěn)定運行; 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、任意選刀等方法的應(yīng)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(fā)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(wěn)運行已經(jīng)超過了兩年的時間，機加車間五臺數(shù)控加工中心實現(xiàn)了真正意義上的 3D 型面無人值守加工。尤其節(jié)假日(長、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(shù)控機床勞動生產(chǎn)方面發(fā)揮了優(yōu)勢作用。