数控机床应用与车间数字化(201104)

数控机床应用与车间数字化-切削加工过程数字化探讨,2011年4月,北京航空制造工程研究所,主要内容,机械制造业发展概述数控机床应用及车间现状应用的技术基础与主要环节数控车间增效技术途径结论与展望,一、机械制造业发展概述,人类文明的发展与制造技术的进步密切相关,石器时代,天然石料,工具与技术,青铜器和铁器时代,采矿、冶炼、锻造，手工劳动,手工作坊,工业时代,1784,蒸汽机,1796,机床,19世纪,新型冶炼、内燃机、电气技术,批量生产、科学管理理论,20世纪初,现代制造,一、机械制造业发展概述,传统制造以机械-电力技术为核心：单件生产+高度的个人制造技巧规模生产+一体化的生产组织模式+细化的专业分工,产品质量和劳动生产率的提高依赖于人力和设备投入,现代制造以新材料、数控、微电子和自动化为基础：从单件小批量少品种大批量多品种变批量系统化及其技术和管理的集成,强调生产自动化程度和适应性、新工艺方法和新技术的投入,一、机械制造业发展概述,制造模式的变革,一、机械制造业发展概述,发展的基础1：机床,机械单元，1796年车床出现,手工操作,机械自动,电气控制,计算机控制,网络化/信息化,电子技术,微电子技术,计算机技术,软件技术,机械液压,1952年，第一台数控机床出现,1958年世界上第一块集成电路(IC)问世，揭开了人类“硅”时代的序幕,高速、高精,智能,自动,切削加工,一、机械制造业发展概述,发展的基础2：刀具,切削加工,一、机械制造业发展概述,发展的基础3：工艺,传统加工：泰勒(Taylor)切削方程式,vcTm=C,高速加工：基础是1931年德国切削物理学家萨洛蒙(CarlSalomon)提出的高速切削加工理论及著名的“萨洛蒙曲线”。,切削加工,二、数控机床应用及车间现状,数控技术适应多品种、批量小、形状复杂、精度高等零件的制造。国内自20世纪80年代起即步入了数控技术的实际应用阶段。,普通转数控,低速转高速,二、数控机床应用及车间现状,数控铣削加工设备：重切削：8000rpm,数控设备：机加类、焊接类、钣金类、复材类等；材料：铝合金、钛合金、高温合金等,软件工具：不同程度地采用了数控加工车间所必须的软件，但是层次不同，效果不同。CAD/CAM/仿真：国外产品，以CATIA、UG为主；CAPP：国产软件，均有应用；MES：国产软件，联合开发；数据库：典型实施；,二、数控机床应用及车间现状,二、数控机床应用及车间现状,数字化集成：局部应用为主体，无纸设计制造、异地协同不断探索、深化研究、逐步推进国家863CIMS示范工程：数控车间为主体航空CIMS工程：设计制造型号管理、异地协同FMS研究与推广：生产线车间信息化：运行管理,目前应用状态：单台应用、多台联网复杂及大型结构件的主要手段：框、壁板、机匣、壳体；工艺技术：高速铣削、高效加工、特殊结构加工；工艺参数：不断积累，数据库；管理技术：信息化、状态统计与监控联网运行：DNC网络与应用,二、数控机床应用及车间现状,二、数控机床应用及车间现状,目前车间的数据层次,数控技术是车间数字化的起源和基础，国内的车间数字化工作主体上是围绕数控车间展开的，目前热点是飞机装配,三、应用的技术基础与主要环节,数控机床应用涉及的基础是数控工艺技术，车间数字化是工艺技术、运行管理、软件工具、网络环境、数控设备的综合集成,数控工艺技术是以切削技术为核心，应用计算机辅助设计制造软件工具、数控机床以及数控测量设备等，完成工艺设计、数控程序编制、工件制造、尺寸测量等工作过程的方法、数据、文件等的集合,三、应用的技术基础与主要环节,组成,三、应用的技术基础与主要环节,关键技术基础：切削技术,三、应用的技术基础与主要环节,关键技术基础：CAD/CAM,几何模型内核:Parasolid、ACIS几何造型：表面、实体、特征刀位轨迹生成：点位、轮廓、型腔、曲面数据交换：IGES、STEP、DXF后置处理：刀位文件转换成数控程序,三、应用的技术基础与主要环节,关键技术基础：机床,坐标系、辅助装置轴定义、工作范围、测量装置代码格式、NC系统功能基本指令系统、专用指令、子程序输入输出：接口、协议数控设备：结构形式、精度、主轴进给速度分配：FX、FY、FZ，FA、FB、FC,Qui?,O?,.,Programmeur,.,Comment?,Val.ajoute,零件和3D模型研究,Qui?,Oprateur,O?,.,.,Comment?,Val.ajoute,加工工艺设计,分析和确认,Qui?,Prog,O?,.,Comment?,Val.ajoute,切削刀具定义,Qui?,Prog,O?,.,Comment?,Val.ajoute,NC编程,建立用于加工的组件(工具、坯料、CAD模型),NC编程准备,Transport,数据加载用于NC模拟,Qui?,Prog,O?,.,SDGANCSImul,Comment?,模拟检查,Qui?,Prog,O?,.,SDGA,Comment?,Stock,NC文件储存(用于加工),Qui?,Prog,O?,.,Comment?,Val.ajoute,NC加工文件,后置处理,生产现场,主要环节之一：工艺数据(工艺与程序、刀具与参数),三、应用的技术基础与主要环节,(1)工艺优化：,三、应用的技术基础与主要环节,切削参数优化、工艺优化设计、加工变形控制。,切削温度=CvcZfYapX,切削力,(2)数控加工仿真：,几何仿真：以理想几何图形来检验数控代码是否正确，不考虑切削参数、切削力等因素对切削加工的影响。物理仿真：将整个工艺系统视为弹塑性实体，对物理特性及其变化特征进行模拟。加工过程仿真：将几何形体与物理性质的变化集成在一起，对加工过程进行较为真实模拟的一种仿真形式。,三、应用的技术基础与主要环节,(3)数控加工成本：,生产费用通常包括：(1)材料费用(C材)；(2)机床费用(C机)；(3)工资费用(C工)；(4)换刀费用(C换)；(5)刀具费用(C刀)。生产一个工件的总费用：C总=C材+(C机+C工)(t准+t机)+(C换+C刀)(t机/T),三、应用的技术基础与主要环节,(C换+C刀)(t机/T)：适当选择高质量刀具，虽然增加刀具成本，但可使T增加、t机缩短，总成本下降,主要环节之二：数控加工在线控制,三、应用的技术基础与主要环节,数控设备网络化连接加工过程控制与管理在线检测,(1)DNC技术,上层控制器,RS232网络,微机,NC程序传输CNC控制指令传输机床工作状态采集零件工艺传输工票显示,RS232网络嵌入式,CNC控制器,DNC接口及传输数据,I/O信号采集才能反映实时状态,三、应用的技术基础与主要环节,(2)加工状态监控技术,三、应用的技术基础与主要环节,等负荷切削：根据切削实际情况调整程序设定的切削参数,测量头(刀具、工件),数控系统,中断,存储器,数控程序/子程序,显示/输出,切削工具监测：物理量监测刀具切削状态、判定工况,在线检测：利用测量装置，检测工件/刀具尺寸,(3)现场数据采集,数据源,采集装置,信息格式化处理,上报传输,主要环节之三：数控车间/生产线系统集成-车间数字化,三、应用的技术基础与主要环节,数字化的模型集成的工艺数据准备平台生产作业计划与运行管理制造资源的及时配送数控设备运行状态的实时统计,信息流、物质流、能量流的协调运转,产品,工艺过程,制造资源,三、应用的技术基础与主要环节,(1)工艺数据准备,线框模型的整体框的数控编程,实体模型的零件工艺设计,CAD/CAPP/CAM系统,作业计划、运行调度、过程跟踪,三、应用的技术基础与主要环节,(2)生产线运行技术,三、应用的技术基础与主要环节,(3)车间管理系统,刀具、夹具、量具等管理；零件质量状态管理；资源配送管理；物资数据管理；生产/运行状态统计,生产信息的电子化管理过程文件的辅助处理,三、应用的技术基础与主要环节,(4)设计制造集成,基于PDM生产工艺文档的规范化管理和变更控制不同生产方式的生产过程的有效管理与控制,数据生成：CAD/CAPP/CAM集成系统生产运行：不同阶段的工艺管理、生产现场管理数据管理：物料标识、网络化数据采集传输与监控,四、数控车间增效技术途径,数控设备综合应用效率=实际的设备能力/核定的设备能力,实际的设备能力=有效工作时间*实际单位时间零件加工量*合格零件数,数控设备综合应用效率=(有效工作时间/制度工作时间)*(实际单位时间零件加工量/理想单位时间零件加工量)*(合格零件数/零件总数),参考：吴汉洪、董红霞编著.管理经济学.北京：清华大学出版社,按管理经济学原理：,四、数控车间增效技术途径,数控应用效率=设备利用率零件加工率零件合格率,零件加工率(加工效果)=材料切除率(MMR)/机床主轴数设备利用率=设备开机率设备使用率设备运行率主轴运转率零件合格率=合格零件数/加工零件数,四、数控车间增效技术途径,材料切除率(MMR)受工艺系统因素影响，提升幅度不同本环节核心因素是工艺参数、设备功能，合理参数选择是关键零件结构、材料、刀具限制不能采用更高的工艺参数数控设备及工艺系统限制不能达到高的工艺参数,工艺系统,航空主机厂数控切削工艺水平提升较快，合适的工艺参数范围已有铝合金切削线速度已达2000m/min(20000rpm);钛合金切削线速度100m/min以下,实现稳定加工、保证质量的基础,零件,机床,刀具,夹具,四、数控车间增效技术途径,设备利用率受生产过程因素影响，提升空间较大工艺过程优化数控程序优化生产条件优化使用生产过程管理及生产数据管理适应批量产品生产过程,减少非加工时间、减少辅助时间,零件合格率受设备精度、工艺方法、过程控制影响设备选型与使用维护加工过程控制：基准协调、在线监控,强化技术、在线监控,四、数控车间增效技术途径,单机提高材料切除率参数、功能能用，用好，完成工序加工在设备功能应用、材料去除率等环节实现增效。单元提高设备利用率工艺、程序、底层控制、工装单项/小批零件主要针对产品加工过程，设备协调，提高产品加工过程效率。系统提高设备平衡和生产过程优化能力计划、组织、资源、工艺、系统集成批量生产主要针对车间加工过程，设备负荷平衡，提高综合应用效率。,增效途径之一：针对单台设备(工序加工)工艺系统，设备能力发挥工艺参数优化及数据库：参数试验与优选、典型结构方法设备功能：检测功能、多工作台、刀库、数控系统功能(宏指令、固定循环、子程序等)专用程序：后置处理、结构化编程、特殊结构,局部增效,四、数控车间增效技术途径,增效途径之二：针对生产单元(零件加工)工序集合，多设备协调工作才完成零件加工工艺优化：装夹方案、工艺路线、余量分配、刀具、测量程序优化：典型结构、轨迹优化、轨迹检查、数控程序仿真零件工艺：变形控制、典型工艺、工艺装备、工艺数据库DNC及数据管理：工艺流程、数控程序、工序状态、设备状态,产品增效,四、数控车间增效技术途径,增效途径之三：针对生产车间(批量生产)生产过程，负荷平衡与流程优化工艺数据准备与管理：工艺规程、数控程序、质量数据、现场状态MES：作业计划、动态调度、运行统计资源管理：设备、工装、人员数据库及管理系统NET-DNC：数据传送与采集、作业指令、现场状态信息,综合增效,四、数控车间增效技术途径,工艺基础技术：提升单台设备使用效能，解决技术关键工艺综合技术：围绕产品加工，优化工艺，提高效率设备控制技术：对生产数据的控制与管理，掌握状态系统集成技术：缩短准备与辅助时间，提高综合效率,四类技术集车间数字化的支持技术,四、数控车间增效技术途径,五、结论与展望,系统集成技术设备与信息技术生产系统运行技术,现代生产系统的变化,加工方法：机械、光学、化学、电力、磁力、流体和声波等多种能量的运用,五、结论与展望,五、结论与展望,o计算几何o人工智能o模式识别o微分流形o弹塑性理论o自律控制,理论基础(多学科交叉),制造理论与关键技术,基础理论,O制造信息的形式化、数字化O非确定性制造过程的表征与控制O混合制造约束分析与约束问题求解,关键技术,产品开发,产品数字化建模；虚拟设计；创新设计；数字样机技术；面向制造的设计(DEM)等,数控装备,智能控制技术；高速高精度驱动技术；嵌入式数字控制技术；远程诊断技术与智能维护技术等,网络环境,高速通讯网络和协议；信息集成与资源共享技术；信息安全技术等,应用平台,CAD、CAE、CAPP、CAM、RE、VP、RP,NC、CNC、DNC、MC、FMC、FMS,基于Web的嵌入式联网系统；基于VPN信息安全系统,智能化网络化可视化,数字化制造技术的发展趋势,参考资料,1王润孝主编先进制造技术导论北京：科学出版社，2004.42杨继昌，李金伴主编数控技术基础北京：化学工