数控技术在自动化车辆机械制造业中的应用

于波

摘要：近年来，随着信息化时代的到来，数控技术体系日益完善，为自动化车辆机械制造业提供了全新发展契机，数控加工模式逐渐取代传统的机械制造模式，在实践应用期间取得诸多显著成果。因此，为推动自动化车辆机械制造业的健康稳步发展，充分发挥技术优势，本文对数控技术概念、特点及应用意义进行阐述，探讨数控技术在自动化车辆机械制造业中的具体应用，以供参考。

Abstract： In recent years， with the advent of the information age， the numerical control technology system has become more and more perfect， providing a new development opportunity for the automated vehicle machinery manufacturing industry. The numerical control processing mode has gradually replaced the traditional mechanical manufacturing mode， and many significant results have been achieved during the practical application period. . Therefore， in order to promote the healthy and steady development of the automated vehicle machinery manufacturing industry and give full play to its technical advantages， this article explains the concept， characteristics and application significance of CNC technology， and discusses the specific application of CNC technology in the automated vehicle machinery manufacturing industry for reference.

關键词：数控技术;自动化车辆;机械制造业

Key words： numerical control technology;automated vehicles;machinery manufacturing

中图分类号：F407.471                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0190-03

0  引言

在全新时代背景下，数控技术在车辆机械制造领域中得到应用推广，有助于柔性自动化、智能化与集成化目标的达成，车辆生产效率与产品质量均得到明显提升。与此同时，由于数控技术的大规模应用时间较短，数控技术与传统机械制造技术正处于深度融合的关键时期，技术价值有待深入挖掘。如何推动二者融合进程，建立以数控技术为核心的现代化车辆机械制造体系，是一项重要课题，本文就此开展研究探讨。

1  数控技术概述

1.1 技术概念

数控技术是在传统机械制造技术基础上融合计算机、网络通信、传感检测等多项信息技术手段而形成的一项现代制造业基础技术，使用数字信息来控制车辆机械制造过程与机床等设备的机械运动行为。同时，数控技术由机床本体、数控系统、外围技术三部分组成，机床本体由床身、导轨、刀架、立柱等部件组成，负责执行数控系统下达的控制指令，按特定轨迹开展机械运动，数控系统由输入/输出设备、操作系统、PLC可编程逻辑控制器、测量装置等部分组成，负责收集现场监测信号来判断生产工况、根据预先设定的生产目标来输出具体控制指令、实现特定生产目标，外围技术包括网络通信、编程系统、工具技术等，用于维持数控加工系统的稳定运行状态，提供现场监测信号与控制指令通信传达等功能服务。

1.2 技术特点

在自动化车辆机械制造领域中，数控技术有着高效性、便捷性、经济性的技术特征，具体如下：其一，高效性。数控加工系统具备自动控制、远程控制、自动换速与自动换刀等多元化使用功能，以及较高的自动化水平，可以替代人工完成大量生产操作，以及在无人工干预条件下独立完成一些简单的车辆机械制造任务，车辆机械生产效率与加工精度因此得到明显提升。例如，使用数控系统的自动换速、自动换刀与自动检测功能，凭借数控机床较大切削用量，替代人工在极短时间内完成零部件加工作业，简化工序间的零部件检验、测量步骤，大幅缩减整体作业时间与工序环节间的时间差。其二，便捷性。较之传统机械制造模式，数控加工模式的实际作业流程较为简单，工作人员仅需做好前期编程、作业现场检查、系统运行监测与故障诊断等工作即可，无需以手工方式开展刀具更换等操作，这将在客观层面上起到提高机械加工精度、缩短生产周期、改善现场作业条件等多重作用。例如，在加工曲面等复杂曲线的机械零件时，由数控系统控制数控机床等设备，采取多坐标轴联动方式开展零件加工作业，既可以提高机械零件可加工性，还可以解决手工操作难以加工、作业流程繁琐等实际问题。其三，经济性。传统车辆机械制造成本居高不下的原因在于，手工操作工作量较大和生产设备种类数量繁多，因此产生高昂的设备采购、维护保养、使用成本及劳动力成本。而对数控技术的应用，有助于“工序集中、一机多用”目标的达成，既可以替代人工完成大量生产操作，还可以由数控机床来取代普通机床等设备，同时减少劳动力成本、设备采购成本与维护使用成本，帮助企业获取额外的经济效益，将车辆机械制造总体成本控制在较低程度。

1.3 应用意义

在自动化车辆机械制造业中，数控技术的应用意义体现在提升机床控制水平、满足车辆机械制造业发展需求、保障作业安全三方面。其中，在提升机床控制水平方面，运用传感检测技术与使用PLC可编程逻辑控制器等设备，持续采集现场监测信号，自动完成信号转换、预处理、分类整理、逻辑运算等任务，帮助工作人员实时掌握与控制车辆机械制造加工工况，如建立闭环控制系统，由PLC装置对比检测输出端与输出端信号，量化评价加工参数目标值与实际值，根据二者偏差程度来输出相应控制指令，将加工参数偏差控制在一定范围内。在满足车辆机械制造业发展需求方面，对数控技术的应用，是实现高精度、高效率与柔性自动化车辆机械制造目标的关键，突破技术水平对机械加工精度、产品质量与生产效率提升造成的阻碍，使我国自动化车辆机械制造业的整体技术水平达到世界先进水平，这也为制造业的智能化发展提供了明确方向。而在保障作业安全方面，车辆机械制造现场的生产条件较为恶劣，使用油漆、稀料等持续释放有毒有害气体的材料，以及分布工业气瓶、电动机械、手持电动工具等危险品与工具设备，因错误操作行为，偶尔出现火灾爆炸、触电、机械伤害、起重伤害等生产安全事故。而对数控技术的应用，使用数控加工系统的自动控制功能，可以替代绝大多数或完全替代一线操作岗位，避免在出现设备故障、错误操作等问题时形成生产安全事故而造成人员伤亡。

2  数控技术在自动化车辆机械制造业中的应用场景

2.1 汽车零部件加工

在自动化车辆机械制造业早期发展阶段，强调于实现汽车零部件加工的效益化与规模化目标，采取大规模量产的生产模式，对汽车零部件的形状结构、种类数量与型号有着严格要求。然而，随着行业发展，汽车零部件制造目标发生改变，以多品类、小批量与小规模为生产目标，对生产线反应速度与机械制造系统的环境适应能力提出更高要求，传统大规模量产生产模式缺乏适用性，难以满足消费者定制需求和汽车零部件加工需求。

在这一行业背景下，需要在汽车零部件加工场景中广泛应用到数控技术，依托数控技术来建立柔性制造系统，以此来取代传统刚性自动化生产线，以消费者需求为导向来生产多品种、小批量的汽车零部件，数控系统与机器设备可以根据所加工零件的类型与要求来快速切换工艺流程，使系统具备特定的加工能力，简单来讲，则是在数控技术驱动下将多项制造工艺整合为技术密集型的技术群，由系统自动控制与管理零件加工过程，在零件类型发生变化时触发程序，在无需过多人工介入情况下调整生产方式。例如，在加工汽车发动机时，由数控系统对气缸体依次开展连续铸造、数控机床铣“三孔四面”、精膛缸筒处理，对活塞零件进行铸造、数控加工与精磨处理，对曲轴使用数控机床进行凸轮轴型线加工处理来满足动平衡要求，对汽缸盖与连杆进行数控机床加工处理，并使用数控机床预先加工油底壳的冲压模具。在加工汽车变速箱时，可以使用数控机床完成变速箱内装的齿轮与轴类零件加工作业，取代传统的滚齿、插齿和剃齿等工艺，在机床上连续完成轴类零件的铣键槽与拉花键等工序，并在数控加工中心对变速箱壳体进行铣端面与钻箱孔作业，以此来提高加工效率与精度，如提高轴类零件配合精度与控制轴间间距。而在加工汽车驱动桥时，使用数控机床来一次性完成主减速器双曲面齿轮、差速器锥形齿轮、桥壳端面螺栓孔钻孔与桥壳铣削端面的加工作业。

2.2 汽车底盘生产

汽车底盘是车辆的重要组成部分，发挥着承受发动机重力、保障汽车运动安全等多重作用，考虑到各型号款式车辆的底盘配置方案、纵梁形状尺寸存在差异性，需要根据底盘生产要求来选择恰当的生产方式。在传统汽车底盘生产模式中，普遍采取大吨位压力机冲压与摇臂钻床划线靠模的方式，这两种生产方式都存在着局限性，如大吨位压力机冲压方式存在前期投入成本高昂、生产周期长的局限性，主要用于大批量生产老旧车型车辆，摇臂钻床划线靠模方式有着作业效率与加工精度低、需要配置大量一线作业人员的局限性，多用于中小车型的新型车辆试制生产。

为突破传统生产方式的局限性，可以在汽车底盘生产场景中应用到数控技术，应用措施包括建立纵梁数控冲孔生产线、采用焊接机器人和设立数控加工中心。首先，组合运用数控加工、气动控制与光电等技术手段来建立纵梁数控冲孔生产线，根据作业要求来编写数控程序，在程序启动后依次将台车载料准备就位、使用电磁吸盘将纵梁上料、测定工件空间位置、移动紧闭夹钳夹料、控制齿轮齿条将板料送至X轴定位与主机Y轴定位，再通过过滤式冲孔将纵梁移动到下料部位开展自动下料作业，废料自动输出，完成纵梁冲孔加工任务。较之传统加工方式，此项方式有着无需调整板料方向、生产线设备通过网络连接计算机操作系统、具备轮廓冲突检测与丝杠螺杆距误差补偿等多项使用功能、采取效果更佳的油水冷方式、在加工异常时自动报警的优势。其次，配置焊接机器人，数控系统向机器人与焊接设备远程下达控制指令，设备按规划轨迹开展运行，以此来提高汽车底盘加工精度与生产效率，替代一线作业人员，避免作业人员因长时间处于恶劣工作环境中而造成人体伤害。例如，日本丰田汽车公司在车辆机械生产线中广泛应用数控技术与焊接机器人技术，配置新型点焊机器人来开展车体下部零件与汽车底盘的焊接作业。而我国天津博信汽车零部件公司则采取MIG焊接工艺与焊接机器人完成SUV、皮卡等车型悬架、副车架與减振器等零部件的焊接作业。最后，设立数控加工中心，可以将其视作为一种具备加工复杂零件条件与较高自动化水平的数控机床，负责在车辆机械加工制造期间完成自动交换主轴加工刀具、车库自动安装对应类型刀具、工件一次装夹加工、集成开展零件铣削与钻削等多项操作的生产任务，数控加工中心的零件加工效率是普通机床为5-10倍，还可以完成形状复杂、加工精度高的零件加工任务。

2.3 高精度机械加工

在传统车辆机械制造模式中，机械加工精度会受到人为因素影响，如依赖生产人员的自身工作经验来主观判断工件情况、加工路线与开展基点节点等数值计算工作，且工件加工过程的控制时效性不足。因此，为满足车辆机械制造的高精度加工需求，需要应用到数控技术，数控系统在无人、少人干预条件下，基于程序运行准则向数控机床的运动部件下达功能指令代码，自动完成零件图识别、零件数控加工工艺选择、数值计算、程序单编写、程序校验、工件加工、工件验收与质量误差分析等任务，根据实际机械加工情况来动态纠偏调整主轴转速、刀具给进量、主轴旋转方向、刀具移动速度等工艺参数，以及在特定时间点执行刀头夹紧与刀头冷却等操作，例如，某车辆机械制造企业应用数控加工中心来取代原有加工中心，将汽车零部件的加工精度由3-5μm提高至1-1.5μm，且数控机床与随动系统的MTBF数值分别保持在8000h与40000h以上，加工精度与零件质量得到明显提升。

2.4 复合机械加工

在开展形状复杂的车辆零件机械加工作业时，组合应用数控技术与五轴联动技术，数控技术负责将原本分布于五面加工机床的多功能主轴在同一数控机床上进行集成处理，使用数控系统的自动控制功能，按照控制方案内容顺序输出控制指令，控制多功能主轴的六个垂直面采取不同角度开展加工作业，以此来突破五轴联动加工技术的设备结构复杂、机床占地面积大、主轴结构运转要求严格的局限性。某车辆机械制造企业在生产线上搭配应用这两项技术，根据实际生产情况来看，取得了明显提升3D曲面零件加工精度与切割效率、保持最佳几何切割角度与零件形状、具备快速完成高硬度钢零件铣削碎加工条件、车辆机械加工光洁度得到保证的应用效果。

3  数控技术在自动化车辆机械制造业中的应用策略

3.1 采取自动编程技术

在数控技术应用早期，受到技术水平限制，车辆机械制造企业普遍采取手动编程方式，凭借编程人员的自身工作经验来熟悉加工工件图纸，从中提取工件形状结构、材质、公差尺寸精度要求等基础信息，根据加工工艺流程规划方案来手动编写工件夹位的控制程序，在程序中设定工件结构外形节点坐标、找好加工坐标系、设定喷头等装置位置等，编程作业效率有待提升，同时，受人为因素影响，存在零件计算误差问题，导致数控系统在运行期间有可能出现瘫痪运行、运行故障、程序错误、机械运动不及时等一系列问题，进而影响到机械加工质量与实际生产效率，限制了数控技术功能效用的发挥。因此，需要将自动编程作为数控系统的一项外围技术，由企业采购RPO/E、Powrmill、CAXA制造工程师等计算机专用软件，编程人员使用软件自带工具开展数控加工程序的编写工作，仅需保证编程人员熟练掌握数控语言、熟悉软件正确操作方案、按照规定要求顺序开展数值导入计算、后置处理等操作，由程序替代人工完成数值计算与基础参数提取等操作，即可快速完成数控编程作业，保证数控程序质量，消除手动编写程序时产生的误差。

3.2 引进新型车辆机械加工设备

随着车辆机械加工精度与产品质量要求的提高，以及数控技术的优化发展，早期型号的数控机床与机械加工设备的使用性能有待提高，存在使用功能单一、运算速度慢、外围技术种类少等问题，难以满足实际制造需求。因此，车辆机械制造企业需要积极引进新型的车辆机械加工设备，以新型数控机床为例，机床使用性能得到全面提升，如采取内装式电主轴，将主轴最高转速保持在200000r/min及以上、在0.01μm分辨率时的最大进给率超过240m/min、刀具交换时间缩短至1s内，同时，在数控机床中采取高速插补、误差补偿、网格解码器检查、车铣复合加工等全新技术手段，更好的满足车辆机械制造要求。

3.3 培育数控人才

在数控技术全面推广的行业发展背景下，车辆机械加工精度、产品质量、作业效率与生产效益均得到明显提升，与此同时，也对作业人员和编程人员的专业水平提出更高要求，当前部分作业人员对数控技术缺乏深入了解，尚未掌握基于数控技术的正确车辆机械制造生产方法，数控技术应用价值未得到完全、充分发挥，这也是技术应用推广期间亟待解决的一项重要问题。

因此，车辆机械制造企业必须加大对数控人才的培育力度。首先，在数控技术推广期间，定期举办宣讲会等活动，以数控技术概念、特点、应用案例、全新车辆机械制造模式等作为主要内容，使得工作人员对数控技术有着全面了解，调整自身工作意识，积极配合数控技术的应用落实。其次，以实际工作要求为导向，开展专项人员培训工作，使工作人员掌握正确的车辆机械制造方法，例如，对于编程人员，以自动编程方法的流程步骤、注意事项、常用自动编程软件操作方法为培训内容，对于现场作业人员，以机械制图、可编程逻辑控制器调试检查、数控系统监测作为培训内容，对于维修人员，则以数控机床等新型设备的结构原理、常见故障、故障诊断方法与检修方法为培训内容。最后，调整团队结构与人员招聘要求，优先聘用具备较高理论水平、全新知识结构、对数控技术有着深入了解的专业人才，以及增设数控系统维护改造、数控编程等技术型岗位。

4  结语

综上所述，为促进我国自动化车辆机械制造业的可持续发展，将车辆机械制造水平提高至世界先进水准，对数控技術的应用是十分有必要的。因此，车辆机械制造企业务必正确认识到数控技术的应用价值，从技术概念、特点、应用场景等方面着手，做到对数控技术的全面认识、深入了解，积极解决实际生产中的问题，使数控技术在实践应用期间发挥出应有作用。

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