數控機床因其加工自動化程度高,、質量穩(wěn)定性好等顯著優(yōu)點而在制造業(yè)中得到廣泛應用,；但由于工藝技術落后,、管理措施沒有相應配套，國內數控機床使用效率不高,，據初步調查統(tǒng)計,，僅為發(fā)達國家的1/4左右，嚴重制約了產品研制及批量生產,。本文將分析總結提高數控機床生產效率的方法,，通過數控加工程序和工藝優(yōu)化、設計制造一體化,、精益加工,、DNC系統(tǒng)與MES系統(tǒng)集成等技術途徑，使數控機床達到單機提速,、單元增效和系統(tǒng)集成等3個層次的目標,。

1.1 培養(yǎng)數控加工人才

技術人員編制的加工程序決定數控機床的運行效率，操作人員的使用水平影響數控機床的使用效率,、壽命和產品質量,，維護人員保障數控機床的正常運行，管理人員的生產準備工作減少數控機床的停機等待時間,；因此，要提高數控加工效率,，應培養(yǎng)出優(yōu)秀的數控加工人才。

1.2 刀具選用與管理

刀具選用與管理是保證加工質量和提高加工效率的重要環(huán)節(jié),。刀具的選用與管理應考慮如下幾個方面：1）根據工件材料和切削速度范圍，選擇合理的刀具材料,；2）刀具切削部分幾何參數對切削效率高低和加工質量影響很大,，應選擇合理的刀具參數；3）提前對刀具預調,，減少刀具在機床上的安裝調整時間,；4）刀具用鈍時應及時刃磨修復后入庫，保證下次出庫即可正常使用,；5）建立完整的刀具數據庫,，將刀具系統(tǒng)的所有信息納入計算機管理。

1.3 工裝夾具選用與管理

數控加工時工序集中,，對工裝夾具選用應綜合考慮,，具體如下：1）盡量采用組合夾具，當產品批量比較大,、加工精度要求高時,，可以設計專用夾具,；2）選擇工裝夾具時，應有利于刀具交換和在線測量,，避免發(fā)生碰撞干涉,；3）盡可能減少工件定位夾緊的工作量；4）易變形工件宜采用定力夾具裝夾,；5）對工裝夾具進行計算機管理,。

1.4 在線測量

數控機床加工中的在線測量是一種基于計算機技術的自動測量技術,，其檢測過程融于數控加工的內容之中,，并由數控程序來控制,。在線測量能使操作者及時發(fā)現(xiàn)工件加工中存在的誤差,，并反饋給數控系統(tǒng)，以改變機床的運動參數,，更好地保證加工質量,。對于具有曲面和多種幾何公差要求的復雜零件,，采用通用量具無法測量，可采用便攜式測量裝置對產品進行計算機輔助檢測,，快速實現(xiàn)生產現(xiàn)場首件測量,、抽檢，及時發(fā)現(xiàn)產品質量問題,，提高檢測效率,。這是一種人工適度參與的半自動測量技術，在自動化程度要求不高的場合較為適用,。相對于離線測量,，在線測量具有如下優(yōu)點：1）避免二次裝夾誤差,，提高加工精度,；2）節(jié)省工件重新裝卡時間，縮短生產周期,；3）減少昂貴的離線測量設備費用,，節(jié)約生產成本。

1.5 工藝精益化

圍繞提高效率和產品質量及降低成本等目標,，設定工藝改進指標,，繪制當前工藝路線圖，連續(xù)跟蹤零件的加工過程,，收集加工信息,，識別改善機會,，制定改善措施并實施，收集改善前,、后工藝精益化指標的對比數據,，經確認后修訂相關工藝文件，并將工藝精益化成果在同一產品族內部推廣,。用仿真優(yōu)化代替?zhèn)鹘y(tǒng)試切,，建立優(yōu)化工藝參數數據庫，把經驗變成有理論依據并經試驗驗證的科學方法,，并制定和完善相關標準,。

1.6 優(yōu)化加工程序

程序的效率直接影響著機床的工作效率，所以優(yōu)化編程質量是提高數控機床工作效率的重要方法,。編程時應考慮如下幾個方面,。

1）減少非切削時間。主要包括：使不會發(fā)生動作干涉的指令并行執(zhí)行,；減少換刀次數,；減少換刀過程中主軸快速移動距離和移動中的停頓定位次數；減少工件安裝次數,，縮短搬運和裝夾時間,。

2）確定合理的加工路線。主要原則是：保證零件加工精度和表面粗糙度要求,；確定最短的走刀路線,，減少刀具空程移動時間；數值計算簡單,，程序段最少,。

3）選擇合理的切削參數。根據數控加工過程仿真和加工經驗,，總結適合不同加工方法,、加工精度、工件材料和刀具等的切削參數,，以保證產品質量,，提高刀具耐用度，提高加工效率,；建立優(yōu)化數據庫,，規(guī)范切削參數的選擇。

4）推廣計算機編程,，加強數控加工過程仿真,。一方面，開展數控加工幾何仿真，應用數控加工程序仿真軟件VERICUT,，可對加工過程的過切,、碰撞和干涉等進行檢驗，并且可以優(yōu)化刀具切削路徑,；另一方面,，開展數控加工物理仿真，通過進給速度優(yōu)化保持切削過程恒定負載,，不僅使加工過程平穩(wěn)可靠,，而且對于改進加工質量和提高加工效率具有重要意義。數控加工過程仿真示例如圖1所示,。建立產品試切制度,，認真作好試切記錄，最終驗證確認數控加工程序,。

1.7 生產配送

把影響數控加工效率的因素盡量暴露在生產前期,，把生產前的準備工作做足，最大程度地提高切削時間占工作時間的比例,，減少由于等待程序,、技術處理、刀夾量具和檢驗等原因造成的停機時間,。通過梳理生產流程,，找出流程中的不增值環(huán)節(jié)，簡化生產流程,，根據生產計劃建立生產配送體系,，明確物料、工藝規(guī)程,、數控程序,、工裝夾具、輔具,、刀具,、量具配送責任人以及配送時間、配送地點,，減少數控機床停機時間,，提高生產準備效率。

1.8 機床維護

數控機床系統(tǒng)復雜,，結構精密,，出現(xiàn)故障不易維修,。應加強數控機床的保養(yǎng),，以保證其正常運行。一旦出現(xiàn)故障,，應及時維修,，恢復設備的正常運行,。必要時，應對舊數控機床進行改造,，以減少新設備購買費用,，充分提高設備的使用效率。

2.1 敏捷試制單元

為了適應快速變化的市場,，企業(yè)的生產模式更加靈活,，單元化的敏捷制造車間是現(xiàn)代企業(yè)生產的重要趨勢。借助敏捷制造的理念,，采用計算機網絡技術,，實施CAD/CAPP/CAM一體化解決方案，涵蓋產品研制全過程,，通過快速配置各種資源,，把動態(tài)靈活的虛擬組織、先進的擬實制造技術和高素質的人員進行有機結合,，建立敏捷試制單元,，精準響應用戶需求，縮短產品生產周期,，加快產品開發(fā)速度,，使企業(yè)在快速變化的市場環(huán)境中贏得先機，提高企業(yè)的市場競爭力,。敏捷試制單元示例如圖2所示,。

2.1.1 設計制造一體化系統(tǒng)

按照數字化設計和制造的特點，通過基于設計制造一體化的產品數據管理,，建立產品協(xié)同設計,、制造和管理系統(tǒng)支持環(huán)境，通過業(yè)務流程再造,、并行工程實施,，優(yōu)化業(yè)務流程，調整組織,，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置,，建立適應數字化特點的并行協(xié)同工作系統(tǒng)，實現(xiàn)產品設計制造從傳統(tǒng)模式向基于MBD模型的數字化模式的根本改變,。設計制造一體化系統(tǒng)將先期的產品設計與后續(xù)的制造工藝集成,，實現(xiàn)信息共享和并行工作。產品開發(fā)人員一開始就應考慮到產品整個生命周期里的結構,、性能,、工藝、質量和成本等所有因素，用數字計算方法設計產品,，可靠地模擬產品的功能特性,；工藝人員運用計算機和制造知識，精確地模擬產品制造過程,。各項工作是同時進行的,，而不是按順序進行的。在開發(fā)新產品的同時,，并行編制工藝規(guī)程和數控程序,，及時準備生產。設計制造一體化技術在縮短新產品的開發(fā)與生產周期上可充分發(fā)揮作用,。企業(yè)只有基于真正意義上的設計制造一體化的集成,，才能實現(xiàn)敏捷制造、精良生產乃至虛擬企業(yè),，提高綜合競爭能力,。

2.1.2 單元執(zhí)行層

敏捷試制單元執(zhí)行層可參照柔性制造系統(tǒng)，采用3臺以上高度柔性的數控機床,，由集中的控制系統(tǒng)及物料系統(tǒng)連接起來,，可在不停機的情況下實現(xiàn)多品種、小批量的加工管理,。柔性是敏捷試制單元的最大特點,，體現(xiàn)系統(tǒng)內部對外部環(huán)境的適應能力；自動化是指將手工操作減至最低,，甚至最后完全取消,。敏捷試制單元克服了傳統(tǒng)的剛性自動線只適用于大量生產的局限性，表現(xiàn)出對多品種,、小批量生產制造自動化的適應能力,。

2.1.3 項目團隊管理

新產品投放市場的速度是最重要的競爭優(yōu)勢。在動態(tài)競爭的環(huán)境中,，關鍵因素是人員,。根據不同產品，采取不同形式的項目團隊,，以靈活的管理方式達到組織,、人員與技術的有效集成，保證企業(yè)內部信息及時溝通,，對企業(yè)外部的市場做出靈敏反應,，以最快的辦法推出新產品。項目團隊是為了完成特定的任務,，由企業(yè)內分布在不同部門的設計,、工藝,、操作和管理人員等組成的。

2.2 精益加工單元

精益加工單元是按零件加工流程緊密排列設備,，在滿足客戶節(jié)拍時間的前提下,，實現(xiàn)少人化,、連續(xù)流生產的生產組織方式,，適用于訂單穩(wěn)定且具有中小批量的產品或產品族。

2.2.1 選擇產品族

零件產品族劃分的標準是零件的相似性,，包括結構相似性,、材料相似性和工藝相似性等3個方面。產品族的劃分方法主要包含直覺分組法,、生產流程分析法和編碼分類法,。在進行產品族劃分的過程中，不同的階段采用不同的方法,，3種方法互相結合才能達到理想的效果,。

選擇產品族的流程如下。

1）產品梳理,。產品梳理是便于產品特征的統(tǒng)計而界定產品族劃分的范圍,，是對企業(yè)或企業(yè)某一個部門所承擔的所有產品/零件進行統(tǒng)計。

2）產品大類劃分,。根據零件的基本形狀特征將零件粗略劃分為回轉體和非回轉體兩大類,，回轉體又分為完全回轉體類和帶變異的回轉體類。

3）產品小類劃分,。按照形狀,、功能進一步劃分成小類，形成產品族分類體系,。

4）產品族劃分,。在產品小類劃分的基礎上，依據零件的相似性將尺寸,、精度,、工藝路線或加工設備相近的產品劃分成一個產品族，每一個小類可以劃分成一個或若干個產品族,。

5）產品族選擇,。在產品族劃分的基礎上，選擇計劃組建單元的產品族,。

2.2.2 生產線平衡

運用產品路徑分析法,，從年產量最大的分類中選取工序最長的零部件作為精益加工單元的典型零件。計算客戶需求節(jié)拍時間,，依據節(jié)拍時間,，運用生產線平衡法優(yōu)化典型零件的工藝流程,，調整各工序的作業(yè)內容或工作量，使各工序的循環(huán)時間盡可能相等,，消除工序間等待浪費,，實現(xiàn)按節(jié)拍連續(xù)流生產。生產線平衡方法主要包括：1）改善循環(huán)時間超過節(jié)拍時間的瓶頸工序,；2）取消或合并多余的工序,；3）用高效的加工方法取代低效的加工方法；4）依據節(jié)拍時間重新排布工序內容,，使每個工序的循環(huán)時間均衡且接近節(jié)拍時間等,。

2.2.3 單元布局

統(tǒng)計上一年度零件族所有零件的年產量及零件各工序時間，計算單元所需的設備型號和數量,；依據典型零件工藝路線及單元內的設備型號,，統(tǒng)計各設備間的物料運輸次數及運輸方向；按運輸次數越多設備排列越近的原則設計2種以上設備布局方案,，計算物料運輸距離,，選擇距離最短的方案作為精益加工單元的布局方案；編制單元的標準作業(yè)圖以及各工序的標準作業(yè)指導書,；繪制精益加工單元布局圖,，并按布局圖調整設備及相關工位器具。精益加工單元布局示意圖如圖3所示,。

 2.2.4 單元運行與管理

精益加工單元應按標準作業(yè)圖的要求執(zhí)行標準作業(yè),，并通過開展計劃管理、生產配送,、設備自主維護和管理,、多能工培養(yǎng)和質量管理等逐步形成單元的自主管理體系。

遵循生產過程管理和控制一體化的理念,，結合企業(yè)信息化發(fā)展規(guī)劃,，通過分布式數字控制系統(tǒng)DNC連接數控機床，建立程序傳輸,、機床監(jiān)控網絡,，并與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）集成，實現(xiàn)數控加工程序傳輸和管理,，收集現(xiàn)場第一手生產數據,，實現(xiàn)車間制造過程實時監(jiān)控、加工能力分析和生產任務節(jié)點控制,，確保管理者實時了解和處理生產動態(tài),，為生產決策與生產規(guī)劃提供有效支撐，提高設備單位時間創(chuàng)造的價值,，減少設備采購與設備能耗,，實現(xiàn)均衡生產,，提高設備整體有效運轉率，建設一個全新的加工流程透明,、實時可視的網絡化車間（見圖4）,。

3.1 DNC系統(tǒng)

廣義DNC系統(tǒng)不僅包含程序傳輸和管理功能，還包括機床監(jiān)控與數據采集（MDC）功能,。MDC已經成為DNC系統(tǒng)不可缺少的一部分,，MDC功能成為選擇DNC系統(tǒng)的一個最重要的標準。

MDC主要用于采集數控機床和其他智能設備的工作和運行狀態(tài)數據,，使相關部門隨時準確掌握生產現(xiàn)場設備的運行狀態(tài),、參數信息和報警信息,，實現(xiàn)對設備的監(jiān)視與控制,，對設備應用效率指標的綜合統(tǒng)計和分析，隨時掌握設備利用率情況,，找出車間生產瓶頸,，作為持續(xù)改進生產的重要依據，并為MES提供數據支持,。

DNC程序傳輸和管理功能主要用于數控加工程序的傳輸和管理,。DNC可實現(xiàn)計算機與數控機床之間的程序雙向傳輸。DNC服務器對所連接機床的通信端口進行實時監(jiān)控,，當機床有通信申請時,，DNC服務器就及時做出響應。無論是串口通信還是以太網通信,，采用DNC交換協(xié)議,，可實現(xiàn)無人值守的工作方式；同時,，DNC通過數據庫實現(xiàn)加工程序文件和全過程數據的規(guī)范管理,，提供NC程序的入庫、換版,、更改審批流程管理功能,，以及NC程序存取操作（上傳、下載和版本修改等）的日志記錄及統(tǒng)計查詢功能,。

DNC系統(tǒng)采用獨特的通信協(xié)議,，依據每臺數控機床的具體配置，采用相應的直接以太網連接,、串口服務器連接和數據采集模塊連接等方式接入到DNC網絡中,，實現(xiàn)機床通信資源的共享，建立覆蓋車間生產現(xiàn)場開放式和非開放式數控系統(tǒng)機床的監(jiān)控和程序傳輸網絡環(huán)境,。DNC系統(tǒng)既是MES系統(tǒng)管控一體的底層管理和執(zhí)行平臺,，也是MES系統(tǒng)重要的數據支撐平臺,。

3.2 MES系統(tǒng)

美國先進制造研究機構ARM將MES定義為“位于企業(yè)上層的計劃管理系統(tǒng)和底層工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)”。MES是處于計劃層（ERP）和車間層操作控制系統(tǒng)（SFC）之間的執(zhí)行層,，主要負責生產現(xiàn)場的生產管理和調度執(zhí)行,。MES系統(tǒng)是以實時協(xié)同思想為主導，以生產計劃的執(zhí)行及車間動態(tài)調度為核心,，集精益生產理念和方法,、約束理論、企業(yè)資源優(yōu)化理論,、供應鏈管理,、外協(xié)管理、人力資源管理和業(yè)務管理等先進管理理念為一體的企業(yè)生產信息化集成管理應用系統(tǒng),。

通過MES系統(tǒng)可以實現(xiàn)如下幾方面內容,。

1）制造數據管理。包括產品結構,、工藝路線和工時定額等管理,。

2）生產計劃管理。全面管理企業(yè)制造訂單的整個生產流程,，了解每份訂單,、每個零件、每道工序,、每組工位的計劃節(jié)點,、實際完成節(jié)點、投入數量,、產出數量等實時信息,。

3）能力平衡分析。通過直觀的數據圖表,，為企業(yè)提供設備任務負荷分析,、部門/班組任務負荷分析及工種任務負荷分析，有利于均衡生產任務,，優(yōu)化生產計劃排程,。

4）任務派工管理。生產計劃完成后,，自動生成任務派工單,，并通過條碼掃描向現(xiàn)場自動輸送加工程序、零件圖樣和工藝指導文件等,。

5）現(xiàn)場資源管理,。包括成品、在制品,、刀具和工裝庫存管理,。

6）全面質量管理,。包括供應商管理、數據采集,、信息傳遞,、數據分析、實時監(jiān)控,、流程控制,、文檔管理和抱怨管理等內容。

7）動態(tài)過程監(jiān)控,。實時展示該工位當前加工任務,、操作人員、完成數量和完成進度等信息,，足不出戶實時了解車間現(xiàn)場生產狀態(tài),。

3.3 系統(tǒng)集成

DNC與MES集成有助于消除底層設備的信息孤島，通過獲取數控設備的實時狀態(tài)信息,，對控制層設備進行動態(tài)管理,，實現(xiàn)企業(yè)計劃層與控制層之間的信息交換,。由DNC向MES提供真實的設備情況,，如準確的開機時間、NC運行時間和主軸運轉時間,，應用于統(tǒng)計分析,。當DNC實時檢測的機床停機和停止時間超過一定閾值時，自動向MES發(fā)起問題處理,。MES通過DNC實現(xiàn)向生產現(xiàn)場進行任務派工管理,，MES派工單指定給操作工的NC程序，可方便從DNC快速調用,。通過DNC與MES集成,，實現(xiàn)車間計劃指令與機床的物理關聯(lián)，將機床的生產狀態(tài)及時反饋給MES系統(tǒng),，為MES系統(tǒng)的工序加工計劃提供可靠的依據,，并為車間可視化的現(xiàn)場展示提供準確、實時的數據,。通過MES與ERP,、CAPP等系統(tǒng)集成，可實現(xiàn)從生產現(xiàn)場到企業(yè)計劃管理層的全方位信息化管理,。

通過數控加工程序和工藝優(yōu)化,、生產配送、在線測量等措施提高單臺數控機床生產效率,，通過建立相對柔性的敏捷試制單元,、相對剛性的精益加工單元,，提高數控加工單元生產效率，通過實施DNC系統(tǒng)與MES集成等技術途徑提高數控加工車間生產效率,，從而從微觀到宏觀,，從單機、單元和車間等3個層次全方位提高生產效率,，對增加企業(yè)的效益,，增強企業(yè)的綜合競爭力，提高企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力都具有重要的現(xiàn)實意義,，并且可為企業(yè)向數字化制造,、智能化工廠升級轉變，實現(xiàn)“工業(yè)4.0”的縱向集成奠定良好的基礎,。

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