【金属加工】数控系统在汽车零部件制造中的应用

汽车产业是我国国民经济重要的支柱产业，其产业链长、就业面广、消费拉动力大，在国民经济发展中发挥着重要作用。随着汽车产业的迅速发展，汽车复杂关键零部件的高效、高精度、高稳定性加工成为缩短产品生产周期、提高企业效益和竞争力的有效措施。数控加工技术可实现复杂汽车零部件的快速成型制造，与此同时，数控技术中的虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术都在现代汽车加工制造业中得到了广泛应用。数控制造技术在汽车零部件生产过程的智能化发展将成为汽车制造产业的一项发展趋势。

随着工业4.0和中国制造2025核心规划的提出，昭示着全球第四次工业革命的到来，更多地强调产品制造过程信息化与工业化的融合，实现制造装备及其控制的智能化，如智能工厂、智能生产、人机交互、物联网、机器自组织、数字化制造等。数控机床和数控系统是实现智能化生产的核心要素，数控加工技术可实现复杂汽车零部件的快速成型制造，并且数控技术中的虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术都逐步在现代汽车加工制造业中得到了广泛应用。数控系统在汽车零部件制造过程中的智能化发展也将成为现代汽车制造产业的一项必然发展趋势。本文介绍了数控系统用于汽车零部件制造过程的重要性，并简单介绍了经常使用的数控系统种类。随后详细介绍了FANUC数控系统在智能制造方面的特点及其优势，并提出一些该系统针对汽车用特殊零部件制造过程的改进措施。在本文的最后，简单总结了未来数控系统的发展趋势。



图1 FANUC系统FS0i-F(C)智能化应用

数控系统在汽车零部件制造过程中的重要性

随着汽车产业的迅速发展，对汽车复杂关键零部件的高效、高精度、高稳定性加工成为缩短产品生产周期、提高企业效益和竞争力的有效措施。数控加工技术可便捷实现复杂汽车零部件的快速成型制造，与此同时数控技术中的虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术都在现代汽车加工制造业中得到了广泛应用。与手工生产制造而言，数控技术为实现汽车零部件制造的规范性、标准化，提高国产汽车零部件生产质量和实际装备率奠定了基础。数控技术可为汽车关键零部件制造提供成套自动化解决方案，基于工业互联网和加工过程大数据的监控及远程服务接收加工数据，随后进行虚拟加工及程序代码检测，接下来利用数控系统的加工状态自感知、自学习、自适应、自优化功能实现工件的高质量加工，随后利用工业机器人和数控机床在线批量化检测方法实现数控机床在汽车关键零部件的高效柔性加工与批量化制造中的广泛应用。

汽车零部件制造过程中常用数控系统种类

目前，国产数控机床及日本、美国、欧洲进口机床较多采用发那科(FANUC)和西门子(SIEMENS)两种数控系统，均可使用G代码实现程序编制。其中，大部分车削、多轴铣削数控机床均采用上述两种数控系统，并方便与计算机辅助设计集成。上述两款数控系统占据当今机床数控行业绝大多数市场份额。现今，引进的一些用于复杂曲面加工的德国多轴加工中心装备有海德汉(HEIDENHAIN)数控系统，该系统具有可视化和模块化大型程序编辑能力，可以快速插入和编辑信息并可实现复杂曲面及多孔结构的快速成型加工。随着智能制造和智能工厂的不断发展和建立，一些机床公司开始按照客户要求开发专用数控系统，例如日本大隈(OKUMA)公司、日本山崎马扎克(YAMAZAKI MAZAK)公司、德国德马吉森精机(DMG MORI)公司、中国沈阳机床(SMTCL)公司等。

FANUC系统在智能化制造方面的特点及改进措施

FANUC系统在当今世界数控系统的研发、设计、制造和销售方面具有强大的势力。其产品系列覆盖多种制造工艺，如车削、铣削、磨削、加工中心等。FANUC数控系统使用起来较为方便、稳定、可靠，对工业环境的要求比较低。FANUC系统采用较为通用的G代码编制程序，并且程序语句结构简单，系统稳定可靠。该系统可根据零件图上指定的零件轮廓尺寸直接编程，如直线倾角、圆弧半径、倒角值等，简单直观。FANUC系统能够自行规划粗加工和精加工循环路径及按照设计值留有设计者指定的加工余量，简化了复杂编程。针对多孔零件只需给定孔中心位置，随后可采用简单的循环指令如G82-G89实现多孔自动循环加工。在进行曲面加工过程中，可利用宏程序(例如将#1,#2等作为变量)根据曲面方程(含有#1,#2等变量的方程)直接编程，直观、高效、实用。与此同时，FANUC系统具有便捷的坐标系变换功能，可简单实现多坐标系混合编程。FANUC系统具有智能化人机交互界面，从创建加工程序到实际加工的所有操作最终都能在同一画面上进行调试和仿真，轻松实现车床、加工中心以及铣床加工循环丰富的编程引导、可视化和检查功能。



图2 FANUC系统加工V6缸体

在智能化方面，FANUC系统可以利用丰富的网络功能，构建适合CNC机床的系统，还可以将CNC与电脑连接起来，进行复杂零件的3D设计及NC代码转化(利用CAM软件)随后进行NC程序传输和监视CNC状态，实现复杂几何形貌零件的智能化制造。还可以通过以太网将工厂内的机床连接起来，对机床的运转状态进行集中统一管理、控制和监视，实现CNC与电脑的高度融合。图1展示了FANUC系统FS0i-F(C)在智能化生产或智能化工厂建立方面的应用。目前FANUC系统引入了实时优化控制实现对智能机床的控制，根据负载、温度、位置等机械状况的变化，进行实时优化控制。通过使用这些功能群来实现高速、高精度和高质量加工。尤其在汽车部件和金属模具等复杂形状的加工时，通过预读的程序指令判断指令形状，适当控制速度和加速度，在公差范围内获得平滑加工路径，使得机械性冲击减弱，发挥数控机床的最优性能和智能化制造。

针对于汽车行业薄壁壳体零件的制造，如发动机壳体、变速箱壳体等铣削过程应该装载一些特殊的后处理程序，比如切削过程中由于低刚度壳体造成的切削振颤导致加工精度的降低(如图2)，装载自适应转速控制和机床各轴力矩、扭矩监测模块，通过自动调节主轴转速以达到各轴力矩维持切削稳定状态，提高加工质量和加工效率。

目前日本大隈(OKUMA)公司已将该功能装在自研发的数控系统中，降低对操作者需具备大量加工经验的要求。同时装载各轴电机力矩及扭矩监测数控模块也有助于判别切削过程中刀具或刀柄与工件或夹具的瞬间碰撞，从而急停机床运动，保护主轴不受损伤。另外，希望FANUC系统装载在线检测模块如雷尼绍(Renishaw)探头，尤其针对汽车多孔零件的孔径检测和位置检测，将一些简单的三坐标检测功能集成于数字控制系统，实现加工、检测和修复一体式的高精度、高效率加工模式。

未来数控系统发展趋势展望

面对多自由度复杂零部件高质量、高效率的一体化智能生产制造需求，未来的数控系统向着多自由度复合加工化的方向发展，实现一次装卡完成多加工面的车、铣、钻等多工艺复合加工。另外，数控系统需要拥有更先进的轨迹规划策略和电机控制策略以实现高速、高精度加工。随着智能化制造的发展趋势，数控系统需拥有高度智能化的人机界面，并实现加工工艺规划功能和加工过程的诊断和自适应控制策略，未来的数控系统将会实现机床自身制造全程全方位的自我监测和管理。数控系统可根据零部件的3D模型自动规划装卡位置、加工轨迹和加工刀具，更有可能采用以太网和互联网技术实现工厂各机床的相互通信和协作，规划时间最短化工艺步骤，借助于与机械手的通信实现自动上下料和装卡、搬运等，实现关键复杂零部件的自动智能化快速成型制造。