高效加工中心为柔性制造赋能

高效加工中心为柔性制造赋能

林世勇

广西玉柴机器股份有限公司广西玉林 537000

摘要：经济的发展，社会的进步推动了我国综合能力的提升，也带动了科学技术的发展。从传统生产方式到智能生产方式的变化是基于信息物理融合生产系统和系统协同的智能制造技术，以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据为基础，将传统生产方式柔性化、智能化和高度集成化，从而实现智能生产。

关键词：高效加工中心；柔性制造

引言

随着经济的发展，柔性制造系统进入到人们的生产和生活中，它的概念第一次出现在英国Molines公司研制的“系统24”中。柔性制造系统是由大型数控自动加工管理装置、物料自动存储管理装置以及电脑自动控制管理系统等组合构成的一种新型自动化产品制造管理系统。

1柔性制造的概述

在消费结构升级，以及买方市场和消费者对于个性化、定制化和时效性需求的步步紧逼下，满足“多样化、小规模、周期可控”的柔性制造系统（FMS）逐渐成为制造企业抢占多元化市场的致胜法宝。柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统，具有高度柔性和自动化的加工能力。

2高效加工中心为柔性制造赋能

2.1增/减材柔性制造及加工系统构成形式

增/减材柔性制造工艺是利用柔性制造技术将增材制造、数控加工有机复合而成的一种多柔性加工方法。该工艺包含了单一增材制造、多材质混合串行增材制造、多沉积头混合并行增材制造和三轴/五轴数控切削加工等多种增/减材加工，还可以在这些加工方式之间进行混合加工，包括增材制造方式之间的混合沉积加工，以及增材制造与数控切削加工间的混合增减材加。由于增/减材柔性制造需要在增材与增材之间，以及增材与减材之间来回切换，如果按照快速成型传统的平面分层，由于分层过多，导致来回切换次数过多，严重影响增/减材混合加工的效率，没有应用价值。所以只能采用多次堆积，形成一定厚度且具有一定几何形状层后再进行减材加工或另一材料的沉积加工，来减少沉积工件在各工位上的交换次数，进而提高沉积效率。而按照零件几何形状进行工序切换，在沉积过程中，由于工件的结构特点，分为几个部分进行材料沉积，但这会由于层厚过厚而造成一次沉积的材料过多，使沉积后的材料冷却时间延长，使材料的内部残留应力增加，从而影响成形零件的性能。因此，在按照几何形状进行工序间交换的基础上，还需要考虑沉积材料的性能特点以及减材加工的可加工性，综合这些问题后，复杂柔性增减材的工序间转换是上述两种交换方法的有机结合。基于增/减材柔性制造工艺对于零件增减材工序间转换的特殊要求，在柔性增减材工序间的转换时机上需要考虑更多的因素。因此柔性增减材工序间的转换方法还有待深入研究。

2.2非线性约束和协同过滤算法在柔性制造系统中的应用

柔性制造系统是基于工业物联网技术、自动化技术和人工智能技术的系统。其具有排产、调度与监控等功能，能帮助中小型加工制造业解决柔性化制造转型过程中存在的信息收集与传输、运行控制、数据管理与通信网络等问题。实现缩短生产周期，保证生产能力的相对稳定，提高设备的利用率，减少直接劳动力，提高产品质量的一致性，并有效地针对多品种、中小批量生产的特点来制定精益生产的方式。在加工区，系统采用传感器采集加工液参数信息通过云服务器传输到系统，并且可以在ＬＥD显示屏上投放车间生产实况信息。系统设计的结构分为智慧排程子系统、无线监控子系统、多屏协同通信子系统和云端数据分析与远程监控子系统四个模块。其中智能化排程子系统的核心技术是两大算法，分别是非线性约束算法和协同过滤算法，通过运用这两种算法建立模型可以优化排程过程，本文重点介绍如何通过算法建模实现柔性制造系统的智慧排程。无线传感实时监控子系统实现了设备智能控制，按照设定的方案智能控制生产设备的运行，减少不合理的等待时间。该本系统使用的是MQXLite嵌入式操作系统，因为本系统的设计对外部设备功能的依赖性较强，所以以设备为中心对系统进行任务划分。云端数据分析与远程监控子系统将生产现场采集到的加工液数据、排程数据、设备运行数据等各相关数据上传至云服务器，可以让用户远程监控加工的作业现场。其中包括对LED显示屏的工作状态进行查看和切换，对产品加工计划进行实时调整以及对产品加工历史信息进行查看等。此处LoRa模块的工作模式主要分为两种，分别是点对多点无线模式和网关模式。点对多点无线模式的特点是LoRa快速组网透传，无需复杂布线，主机可以接收从机的数据，从机不限个数。例如，工控机的上位机程序需要实时获取来自各类溶液传感器的数据，因此需要在工控机端通过USB转RS485模块并设为主机状态；又例如，在电镀排程过程中各类溶液通过RS485接口与LoRa模块相连并设为从机状态。

2.3复杂壳体智能柔性生产线应用

2.3.1加工方案设计

根据有关技术状态文件、技术协议和合同，以某型产品的某壳体为例，结合智能柔性生产线供应商提供的交钥匙方案，编制复杂壳体的智造工艺流程图、工艺布局图和工艺规程等，并进行工艺评审。

2.3.2刀具、夹具及量具方案

复杂壳体智能制造需要的刀具、夹具及量具由智能设备供应商提供。智能夹具在智能柔性生产线上安装调整，并进行试加工以确认合格。智能大刀具库配置刀具340把，其中标准刀具138把，非标专用刀具202把，融合安装在智能卧式和五轴加工中心中。采用传统量具，进行人工测量。

2.3.3检测方案

（1）尺寸检测。对智能柔性生产线上加工的复杂壳体，按照工艺规程要求进行全尺寸测量，结果合格。对部分精加工孔尺寸进行测量数据统计，结果表明尺寸稳定且一致性好。（2）对比检测。为考核复杂壳体变形对加工尺寸的影响，将合格复杂壳体放置6个月后，再次对其进行检测。对比检测数据发现，复杂壳体变形对高精度尺寸的变化影响在0.005mm之内，符合要求。（3）解剖检测。对3件复杂壳体的型孔和油路的孔壁尺寸、位置公差和表面质量进行解剖检测，结果合格。

2.4 现代发动机增材制造

增材制造技术是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术，在航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域已经展示了重大价值和广阔的应用前景。增材制造技术已成为制造业的研究热点，是智能制造不可分割的重要组成部分，代表着制造业发展的新趋势，被誉为有望成为“第三次工业革命”的代表性技术。近年来，这些发动机的质量功率比有了进一步优化。３缸和４缸发动机的质量功率比约为1.1kg／ｋＷ。这一特征代表了材料特性、负荷曲线和结构利用率在既定制造边界条件下的平衡。这表明传统制造工艺无法进一步减轻整机质量。增材制造技术具有更高的自由度，不仅可以减少整机质量，还可用于改善发动机功能。同时在材料及负荷曲线相似或相同的情况下，研究人员将传统制造工艺替换为激光粉床熔化（LPBF）技术，从而可进一步减轻整机质量。

结语

总之，未来，数控加工中心不仅要适应柔性制造系统由点向线、由线到面、由面到体的逐渐改变，也要更加注重应用性和经济性。此外,数控加工中心也将朝着网络化、信息集成和智能化的方向不断发展。

参考文献

［1］肖茹，钱洪美．ＦＭＳ柔性制造生产线仿真技术研究［J］．计算机仿真，2019，36（8）：204-209，270．

［2］李仲宇．复杂结构件增减材混合加工方法［D］．南京：南京航空航天大学，2018．

［3］江森．复杂结构件增减材混合制造工艺规划方法［D］．南京：南京航空航天大学，2019．