来源：《新技术新工艺》杂志
作者：乐成明
摘要：针对国内数控机床生产效率普遍不高的现状，提出了从单机、单元、车间等3个层次提高生产效率的方法。通过数控加工程序和工艺优化、生产配送、在线测量等措施提高单台数控机床生产效率，通过建立敏捷试制单元、精益加工单元来提高数控加工单元生产效率，通过实施DNC系统与MES系统集成等技术途径提高数控加工车间生产效率，从而实现从微观到宏观全方位提高生产效率的目标，对企业发展具有重要的现实意义。
数控机床因其加工自动化程度高、质量稳定性好等显著优点而在制造业中得到广泛应用；但由于工艺技术落后、管理措施没有相应配套，国内数控机床使用效率不高，据初步调查统计，仅为发达国家的1/4左右，严重制约了产品研制及批量生产。本文将分析总结提高数控机床生产效率的方法，通过数控加工程序和工艺优化、设计制造一体化、精益加工、DNC系统与MES系统集成等技术途径，使数控机床达到单机提速、单元增效和系统集成等3个层次的目标。
1提高单台机床加工效率
1.1 培养数控加工人才
技术人员编制的加工程序决定数控机床的运行效率，操作人员的使用水平影响数控机床的使用效率、寿命和产品质量，维护人员保障数控机床的正常运行，管理人员的生产准备工作减少数控机床的停机等待时间；因此，要提高数控加工效率，应培养出优秀的数控加工人才。
1.2 刀具选用与管理
刀具选用与管理是保证加工质量和提高加工效率的重要环节。刀具的选用与管理应考虑如下几个方面：1）根据工件材料和切削速度范围，选择合理的刀具材料；2）刀具切削部分几何参数对切削效率高低和加工质量影响很大，应选择合理的刀具参数；3）提前对刀具预调，减少刀具在机床上的安装调整时间；4）刀具用钝时应及时刃磨修复后入库，保证下次出库即可正常使用；5）建立完整的刀具数据库，将刀具系统的所有信息纳入计算机管理。
1.3 工装夹具选用与管理
数控加工时工序集中，对工装夹具选用应综合考虑，具体如下：1）尽量采用组合夹具，当产品批量比较大、加工精度要求高时，可以设计专用夹具；2）选择工装夹具时，应有利于刀具交换和在线测量，避免发生碰撞干涉；3）尽可能减少工件定位夹紧的工作量；4）易变形工件宜采用定力夹具装夹；5）对工装夹具进行计算机管理。
1.4 在线测量
数控机床加工中的在线测量是一种基于计算机技术的自动测量技术，其检测过程融于数控加工的内容之中，并由数控程序来控制。在线测量能使操作者及时发现工件加工中存在的误差，并反馈给数控系统，以改变机床的运动参数，更好地保证加工质量。对于具有曲面和多种几何公差要求的复杂零件，采用通用量具无法测量，可采用便携式测量装置对产品进行计算机辅助检测，快速实现生产现场首件测量、抽检，及时发现产品质量问题，提高检测效率。这是一种人工适度参与的半自动测量技术，在自动化程度要求不高的场合较为适用。相对于离线测量，在线测量具有如下优点：1）避免二次装夹误差，提高加工精度；2）节省工件重新装卡时间，缩短生产周期；3）减少昂贵的离线测量设备费用，节约生产成本。
1.5 工艺精益化
围绕提高效率和产品质量及降低成本等目标，设定工艺改进指标，绘制当前工艺路线图，连续跟踪零件的加工过程，收集加工信息，识别改善机会，制定改善措施并实施，收集改善前、后工艺精益化指标的对比数据，经确认后修订相关工艺文件，并将工艺精益化成果在同一产品族内部推广。用仿真优化代替传统试切，建立优化工艺参数数据库，把经验变成有理论依据并经试验验证的科学方法，并制定和完善相关标准。
1.6 优化加工程序
程序的效率直接影响着机床的工作效率，所以优化编程质量是提高数控机床工作效率的重要方法。编程时应考虑如下几个方面。
1）减少非切削时间。主要包括：使不会发生动作干涉的指令并行执行；减少换刀次数；减少换刀过程中主轴快速移动距离和移动中的停顿定位次数；减少工件安装次数，缩短搬运和装夹时间。
2）确定合理的加工路线。主要原则是：保证零件加工精度和表面粗糙度要求；确定最短的走刀路线，减少刀具空程移动时间；数值计算简单，程序段最少。
3）选择合理的切削参数。根据数控加工过程仿真和加工经验，总结适合不同加工方法、加工精度、工件材料和刀具等的切削参数，以保证产品质量，提高刀具耐用度，提高加工效率；建立优化数据库，规范切削参数的选择。
4）推广计算机编程，加强数控加工过程仿真。一方面，开展数控加工几何仿真，应用数控加工程序仿真软件VERICUT，可对加工过程的过切、碰撞和干涉等进行检验，并且可以优化刀具切削路径；另一方面，开展数控加工物理仿真，通过进给速度优化保持切削过程恒定负载，不仅使加工过程平稳可靠，而且对于改进加工质量和提高加工效率具有重要意义。数控加工过程仿真示例如图1所示。建立产品试切制度，认真作好试切记录，最终验证确认数控加工程序。
1.7 生产配送
把影响数控加工效率的因素尽量暴露在生产前期，把生产前的准备工作做足，最大程度地提高切削时间占工作时间的比例，减少由于等待程序、技术处理、刀夹量具和检验等原因造成的停机时间。通过梳理生产流程，找出流程中的不增值环节，简化生产流程，根据生产计划建立生产配送体系，明确物料、工艺规程、数控程序、工装夹具、辅具、刀具、量具配送责任人以及配送时间、配送地点，减少数控机床停机时间，提高生产准备效率。
1.8 机床维护
数控机床系统复杂，结构精密，出现故障不易维修。应加强数控机床的保养，以保证其正常运行。一旦出现故障，应及时维修，恢复设备的正常运行。必要时，应对旧数控机床进行改造，以减少新设备购买费用，充分提高设备的使用效率。
2建立加工单元
2.1 敏捷试制单元
为了适应快速变化的市场，企业的生产模式更加灵活，单元化的敏捷制造车间是现代企业生产的重要趋势。借助敏捷制造的理念，采用计算机网络技术，实施CAD/CAPP/CAM一体化解决方案，涵盖产品研制全过程，通过快速配置各种资源，把动态灵活的虚拟组织、先进的拟实制造技术和高素质的人员进行有机结合，建立敏捷试制单元，精准响应用户需求，缩短产品生产周期，加快产品开发速度，使企业在快速变化的市场环境中赢得先机，提高企业的市场竞争力。敏捷试制单元示例如图2所示。
2.1.1 设计制造一体化系统
按照数字化设计和制造的特点，通过基于设计制造一体化的产品数据管理，建立产品协同设计、制造和管理系统支持环境，通过业务流程再造、并行工程实施，优化业务流程，调整组织，实现资源的优化配置，建立适应数字化特点的并行协同工作系统，实现产品设计制造从传统模式向基于MBD模型的数字化模式的根本改变。设计制造一体化系统将先期的产品设计与后续的制造工艺集成，实现信息共享和并行工作。产品开发人员一开始就应考虑到产品整个生命周期里的结构、性能、工艺、质量和成本等所有因素，用数字计算方法设计产品，可靠地模拟产品的功能特性；工艺人员运用计算机和制造知识，精确地模拟产品制造过程。各项工作是同时进行的，而不是按顺序进行的。在开发新产品的同时，并行编制工艺规程和数控程序，及时准备生产。设计制造一体化技术在缩短新产品的开发与生产周期上可充分发挥作用。企业只有基于真正意义上的设计制造一体化的集成，才能实现敏捷制造、精良生产乃至虚拟企业，提高综合竞争能力。
2.1.2 单元执行层
敏捷试制单元执行层可参照柔性制造系统，采用3台以上高度柔性的数控机床，由集中的控制系统及物料系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、小批量的加工管理。柔性是敏捷试制单元的最大特点，体现系统内部对外部环境的适应能力；自动化是指将手工操作减至最低，甚至最后完全取消。敏捷试制单元克服了传统的刚性自动线只适用于大量生产的局限性，表现出对多品种、小批量生产制造自动化的适应能力。
2.1.3 项目团队管理
新产品投放市场的速度是最重要的竞争优势。在动态竞争的环境中，关键因素是人员。根据不同产品，采取不同形式的项目团队，以灵活的管理方式达到组织、人员与技术的有效集成，保证企业内部信息及时沟通，对企业外部的市场做出灵敏反应，以最快的办法推出新产品。项目团队是为了完成特定的任务，由企业内分布在不同部门的设计、工艺、操作和管理人员等组成的。
2.2 精益加工单元
精益加工单元是按零件加工流程紧密排列设备，在满足客户节拍时间的前提下，实现少人化、连续流生产的生产组织方式，适用于订单稳定且具有中小批量的产品或产品族。
2.2.1 选择产品族
零件产品族划分的标准是零件的相似性，包括结构相似性、材料相似性和工艺相似性等3个方面。产品族的划分方法主要包含直觉分组法、生产流程分析法和编码分类法。在进行产品族划分的过程中，不同的阶段采用不同的方法，3种方法互相结合才能达到理想的效果。
选择产品族的流程如下。
1）产品梳理。产品梳理是便于产品特征的统计而界定产品族划分的范围，是对企业或企业某一个部门所承担的所有产品/零件进行统计。
2）产品大类划分。根据零件的基本形状特征将零件粗略划分为回转体和非回转体两大类，回转体又分为完全回转体类和带变异的回转体类。
3）产品小类划分。按照形状、功能进一步划分成小类，形成产品族分类体系。
4）产品族划分。在产品小类划分的基础上，依据零件的相似性将尺寸、精度、工艺路线或加工设备相近的产品划分成一个产品族，每一个小类可以划分成一个或若干个产品族。
5）产品族选择。在产品族划分的基础上，选择计划组建单元的产品族。
2.2.2 生产线平衡
运用产品路径分析法，从年产量最大的分类中选取工序最长的零部件作为精益加工单元的典型零件。计算客户需求节拍时间，依据节拍时间，运用生产线平衡法优化典型零件的工艺流程，调整各工序的作业内容或工作量，使各工序的循环时间尽可能相等，消除工序间等待浪费，实现按节拍连续流生产。生产线平衡方法主要包括：1）改善循环时间超过节拍时间的瓶颈工序；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）依据节拍时间重新排布工序内容，使每个工序的循环时间均衡且接近节拍时间等。
2.2.3 单元布局
统计上一年度零件族所有零件的年产量及零件各工序时间，计算单元所需的设备型号和数量；依据典型零件工艺路线及单元内的设备型号，统计各设备间的物料运输次数及运输方向；按运输次数越多设备排列越近的原则设计2种以上设备布局方案，计算物料运输距离，选择距离最短的方案作为精益加工单元的布局方案；编制单元的标准作业图以及各工序的标准作业指导书；绘制精益加工单元布局图，并按布局图调整设备及相关工位器具。精益加工单元布局示意图如图3所示。
2.2.4 单元运行与管理
精益加工单元应按标准作业图的要求执行标准作业，并通过开展计划管理、生产配送、设备自主维护和管理、多能工培养和质量管理等逐步形成单元的自主管理体系。
3车间网络化
遵循生产过程管理和控制一体化的理念，结合企业信息化发展规划，通过分布式数字控制系统DNC连接数控机床，建立程序传输、机床监控网络，并与制造执行系统（MES）集成，实现数控加工程序传输和管理，收集现场第一手生产数据，实现车间制造过程实时监控、加工能力分析和生产任务节点控制，确保管理者实时了解和处理生产动态，为生产决策与生产规划提供有效支撑，提高设备单位时间创造的价值，减少设备采购与设备能耗，实现均衡生产，提高设备整体有效运转率，建设一个全新的加工流程透明、实时可视的网络化车间（见图4）。
3.1 DNC系统
广义DNC系统不仅包含程序传输和管理功能，还包括机床监控与数据采集（MDC）功能。MDC已经成为DNC系统不可缺少的一部分，MDC功能成为选择DNC系统的一个最重要的标准。
MDC主要用于采集数控机床和其他智能设备的工作和运行状态数据，使相关部门随时准确掌握生产现场设备的运行状态、参数信息和报警信息，实现对设备的监视与控制，对设备应用效率指标的综合统计和分析，随时掌握设备利用率情况，找出车间生产瓶颈，作为持续改进生产的重要依据，并为MES提供数据支持。
DNC程序传输和管理功能主要用于数控加工程序的传输和管理。DNC可实现计算机与数控机床之间的程序双向传输。DNC服务器对所连接机床的通信端口进行实时监控，当机床有通信申请时，DNC服务器就及时做出响应。无论是串口通信还是以太网通信，采用DNC交换协议，可实现无人值守的工作方式；同时，DNC通过数据库实现加工程序文件和全过程数据的规范管理，提供NC程序的入库、换版、更改审批流程管理功能，以及NC程序存取操作（上传、下载和版本修改等）的日志记录及统计查询功能。
DNC系统采用独特的通信协议，依据每台数控机床的具体配置，采用相应的直接以太网连接、串口服务器连接和数据采集模块连接等方式接入到DNC网络中，实现机床通信资源的共享，建立覆盖车间生产现场开放式和非开放式数控系统机床的监控和程序传输网络环境。DNC系统既是MES系统管控一体的底层管理和执行平台，也是MES系统重要的数据支撑平台。
3.2 MES系统
美国先进制造研究机构ARM将MES定义为“位于企业上层的计划管理系统和底层工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”。MES是处于计划层（ERP）和车间层操作控制系统（SFC）之间的执行层，主要负责生产现场的生产管理和调度执行。MES系统是以实时协同思想为主导，以生产计划的执行及车间动态调度为核心，集精益生产理念和方法、约束理论、企业资源优化理论、供应链管理、外协管理、人力资源管理和业务管理等先进管理理念为一体的企业生产信息化集成管理应用系统。
通过MES系统可以实现如下几方面内容。
1）制造数据管理。包括产品结构、工艺路线和工时定额等管理。
2）生产计划管理。全面管理企业制造订单的整个生产流程，了解每份订单、每个零件、每道工序、每组工位的计划节点、实际完成节点、投入数量、产出数量等实时信息。
3）能力平衡分析。通过直观的数据图表，为企业提供设备任务负荷分析、部门/班组任务负荷分析及工种任务负荷分析，有利于均衡生产任务，优化生产计划排程。
4）任务派工管理。生产计划完成后，自动生成任务派工单，并通过条码扫描向现场自动输送加工程序、零件图样和工艺指导文件等。
5）现场资源管理。包括成品、在制品、刀具和工装库存管理。
6）全面质量管理。包括供应商管理、数据采集、信息传递、数据分析、实时监控、流程控制、文档管理和抱怨管理等内容。
7）动态过程监控。实时展示该工位当前加工任务、操作人员、完成数量和完成进度等信息，足不出户实时了解车间现场生产状态。
3.3 系统集成
DNC与MES集成有助于消除底层设备的信息孤岛，通过获取数控设备的实时状态信息，对控制层设备进行动态管理，实现企业计划层与控制层之间的信息交换。由DNC向MES提供真实的设备情况，如准确的开机时间、NC运行时间和主轴运转时间，应用于统计分析。当DNC实时检测的机床停机和停止时间超过一定阈值时，自动向MES发起问题处理。MES通过DNC实现向生产现场进行任务派工管理，MES派工单指定给操作工的NC程序，可方便从DNC快速调用。通过DNC与MES集成，实现车间计划指令与机床的物理关联，将机床的生产状态及时反馈给MES系统，为MES系统的工序加工计划提供可靠的依据，并为车间可视化的现场展示提供准确、实时的数据。通过MES与ERP、CAPP等系统集成，可实现从生产现场到企业计划管理层的全方位信息化管理。
4结语
通过数控加工程序和工艺优化、生产配送、在线测量等措施提高单台数控机床生产效率，通过建立相对柔性的敏捷试制单元、相对刚性的精益加工单元，提高数控加工单元生产效率，通过实施DNC系统与MES集成等技术途径提高数控加工车间生产效率，从而从微观到宏观，从单机、单元和车间等3个层次全方位提高生产效率，对增加企业的效益，增强企业的综合竞争力，提高企业的可持续发展能力都具有重要的现实意义，并且可为企业向数字化制造、智能化工厂升级转变，实现“工业4.0”的纵向集成奠定良好的基础。
作者简介：乐成明（1968-），男，高级工程师，硕士，主要从事机械加工工艺设计、数控编程和数字化制造技术等方面的研究。
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