數控技術在自動化車輛機械制造業中的應用

于波

摘要：近年來，隨著信息化時代的到來，數控技術體系日益完善，為自動化車輛機械制造業提供了全新發展契機，數控加工模式逐漸取代傳統的機械制造模式，在實踐應用期間取得諸多顯著成果。因此，為推動自動化車輛機械制造業的健康穩步發展，充分發揮技術優勢，本文對數控技術概念、特點及應用意義進行闡述，探討數控技術在自動化車輛機械制造業中的具體應用，以供參考。

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.

關鍵詞：數控技術;自動化車輛;機械制造業

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

中圖分類號：F407.471 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0190-03

0 ?引言

在全新時代背景下，數控技術在車輛機械制造領域中得到應用推廣，有助于柔性自動化、智能化與集成化目標的達成，車輛生產效率與產品質量均得到明顯提升。與此同時，由于數控技術的大規模應用時間較短，數控技術與傳統機械制造技術正處于深度融合的關鍵時期，技術價值有待深入挖掘。如何推動二者融合進程，建立以數控技術為核心的現代化車輛機械制造體系，是一項重要課題，本文就此開展研究探討。

1 ?數控技術概述

1.1 技術概念

數控技術是在傳統機械制造技術基礎上融合計算機、網絡通信、傳感檢測等多項信息技術手段而形成的一項現代制造業基礎技術，使用數字信息來控制車輛機械制造過程與機床等設備的機械運動行為。同時，數控技術由機床本體、數控系統、外圍技術三部分組成，機床本體由床身、導軌、刀架、立柱等部件組成，負責執行數控系統下達的控制指令，按特定軌跡開展機械運動，數控系統由輸入/輸出設備、操作系統、PLC可編程邏輯控制器、測量裝置等部分組成，負責收集現場監測信號來判斷生產工況、根據預先設定的生產目標來輸出具體控制指令、實現特定生產目標，外圍技術包括網絡通信、編程系統、工具技術等，用于維持數控加工系統的穩定運行狀態，提供現場監測信號與控制指令通信傳達等功能服務。

1.2 技術特點

在自動化車輛機械制造領域中，數控技術有著高效性、便捷性、經濟性的技術特征，具體如下：其一，高效性。數控加工系統具備自動控制、遠程控制、自動換速與自動換刀等多元化使用功能，以及較高的自動化水平，可以替代人工完成大量生產操作，以及在無人工干預條件下獨立完成一些簡單的車輛機械制造任務，車輛機械生產效率與加工精度因此得到明顯提升。例如，使用數控系統的自動換速、自動換刀與自動檢測功能，憑借數控機床較大切削用量，替代人工在極短時間內完成零部件加工作業，簡化工序間的零部件檢驗、測量步驟，大幅縮減整體作業時間與工序環節間的時間差。其二，便捷性。較之傳統機械制造模式，數控加工模式的實際作業流程較為簡單，工作人員僅需做好前期編程、作業現場檢查、系統運行監測與故障診斷等工作即可，無需以手工方式開展刀具更換等操作，這將在客觀層面上起到提高機械加工精度、縮短生產周期、改善現場作業條件等多重作用。例如，在加工曲面等復雜曲線的機械零件時，由數控系統控制數控機床等設備，采取多坐標軸聯動方式開展零件加工作業，既可以提高機械零件可加工性，還可以解決手工操作難以加工、作業流程繁瑣等實際問題。其三，經濟性。傳統車輛機械制造成本居高不下的原因在于，手工操作工作量較大和生產設備種類數量繁多，因此產生高昂的設備采購、維護保養、使用成本及勞動力成本。而對數控技術的應用，有助于“工序集中、一機多用”目標的達成，既可以替代人工完成大量生產操作，還可以由數控機床來取代普通機床等設備，同時減少勞動力成本、設備采購成本與維護使用成本，幫助企業獲取額外的經濟效益，將車輛機械制造總體成本控制在較低程度。

1.3 應用意義

在自動化車輛機械制造業中，數控技術的應用意義體現在提升機床控制水平、滿足車輛機械制造業發展需求、保障作業安全三方面。其中，在提升機床控制水平方面，運用傳感檢測技術與使用PLC可編程邏輯控制器等設備，持續采集現場監測信號，自動完成信號轉換、預處理、分類整理、邏輯運算等任務，幫助工作人員實時掌握與控制車輛機械制造加工工況，如建立閉環控制系統，由PLC裝置對比檢測輸出端與輸出端信號，量化評價加工參數目標值與實際值，根據二者偏差程度來輸出相應控制指令，將加工參數偏差控制在一定范圍內。在滿足車輛機械制造業發展需求方面，對數控技術的應用，是實現高精度、高效率與柔性自動化車輛機械制造目標的關鍵，突破技術水平對機械加工精度、產品質量與生產效率提升造成的阻礙，使我國自動化車輛機械制造業的整體技術水平達到世界先進水平，這也為制造業的智能化發展提供了明確方向。而在保障作業安全方面，車輛機械制造現場的生產條件較為惡劣，使用油漆、稀料等持續釋放有毒有害氣體的材料，以及分布工業氣瓶、電動機械、手持電動工具等危險品與工具設備，因錯誤操作行為，偶爾出現火災爆炸、觸電、機械傷害、起重傷害等生產安全事故。而對數控技術的應用，使用數控加工系統的自動控制功能，可以替代絕大多數或完全替代一線操作崗位，避免在出現設備故障、錯誤操作等問題時形成生產安全事故而造成人員傷亡。

2 ?數控技術在自動化車輛機械制造業中的應用場景

2.1 汽車零部件加工

在自動化車輛機械制造業早期發展階段，強調于實現汽車零部件加工的效益化與規?；繕?，采取大規模量產的生產模式，對汽車零部件的形狀結構、種類數量與型號有著嚴格要求。然而，隨著行業發展，汽車零部件制造目標發生改變，以多品類、小批量與小規模為生產目標，對生產線反應速度與機械制造系統的環境適應能力提出更高要求，傳統大規模量產生產模式缺乏適用性，難以滿足消費者定制需求和汽車零部件加工需求。

在這一行業背景下，需要在汽車零部件加工場景中廣泛應用到數控技術，依托數控技術來建立柔性制造系統，以此來取代傳統剛性自動化生產線，以消費者需求為導向來生產多品種、小批量的汽車零部件，數控系統與機器設備可以根據所加工零件的類型與要求來快速切換工藝流程，使系統具備特定的加工能力，簡單來講，則是在數控技術驅動下將多項制造工藝整合為技術密集型的技術群，由系統自動控制與管理零件加工過程，在零件類型發生變化時觸發程序，在無需過多人工介入情況下調整生產方式。例如，在加工汽車發動機時，由數控系統對氣缸體依次開展連續鑄造、數控機床銑“三孔四面”、精膛缸筒處理，對活塞零件進行鑄造、數控加工與精磨處理，對曲軸使用數控機床進行凸輪軸型線加工處理來滿足動平衡要求，對汽缸蓋與連桿進行數控機床加工處理，并使用數控機床預先加工油底殼的沖壓模具。在加工汽車變速箱時，可以使用數控機床完成變速箱內裝的齒輪與軸類零件加工作業，取代傳統的滾齒、插齒和剃齒等工藝，在機床上連續完成軸類零件的銑鍵槽與拉花鍵等工序，并在數控加工中心對變速箱殼體進行銑端面與鉆箱孔作業，以此來提高加工效率與精度，如提高軸類零件配合精度與控制軸間間距。而在加工汽車驅動橋時，使用數控機床來一次性完成主減速器雙曲面齒輪、差速器錐形齒輪、橋殼端面螺栓孔鉆孔與橋殼銑削端面的加工作業。

2.2 汽車底盤生產

汽車底盤是車輛的重要組成部分，發揮著承受發動機重力、保障汽車運動安全等多重作用，考慮到各型號款式車輛的底盤配置方案、縱梁形狀尺寸存在差異性，需要根據底盤生產要求來選擇恰當的生產方式。在傳統汽車底盤生產模式中，普遍采取大噸位壓力機沖壓與搖臂鉆床劃線靠模的方式，這兩種生產方式都存在著局限性，如大噸位壓力機沖壓方式存在前期投入成本高昂、生產周期長的局限性，主要用于大批量生產老舊車型車輛，搖臂鉆床劃線靠模方式有著作業效率與加工精度低、需要配置大量一線作業人員的局限性，多用于中小車型的新型車輛試制生產。

為突破傳統生產方式的局限性，可以在汽車底盤生產場景中應用到數控技術，應用措施包括建立縱梁數控沖孔生產線、采用焊接機器人和設立數控加工中心。首先，組合運用數控加工、氣動控制與光電等技術手段來建立縱梁數控沖孔生產線，根據作業要求來編寫數控程序，在程序啟動后依次將臺車載料準備就位、使用電磁吸盤將縱梁上料、測定工件空間位置、移動緊閉夾鉗夾料、控制齒輪齒條將板料送至X軸定位與主機Y軸定位，再通過過濾式沖孔將縱梁移動到下料部位開展自動下料作業，廢料自動輸出，完成縱梁沖孔加工任務。較之傳統加工方式，此項方式有著無需調整板料方向、生產線設備通過網絡連接計算機操作系統、具備輪廓沖突檢測與絲杠螺桿距誤差補償等多項使用功能、采取效果更佳的油水冷方式、在加工異常時自動報警的優勢。其次，配置焊接機器人，數控系統向機器人與焊接設備遠程下達控制指令，設備按規劃軌跡開展運行，以此來提高汽車底盤加工精度與生產效率，替代一線作業人員，避免作業人員因長時間處于惡劣工作環境中而造成人體傷害。例如，日本豐田汽車公司在車輛機械生產線中廣泛應用數控技術與焊接機器人技術，配置新型點焊機器人來開展車體下部零件與汽車底盤的焊接作業。而我國天津博信汽車零部件公司則采取MIG焊接工藝與焊接機器人完成SUV、皮卡等車型懸架、副車架與減振器等零部件的焊接作業。最后，設立數控加工中心，可以將其視作為一種具備加工復雜零件條件與較高自動化水平的數控機床，負責在車輛機械加工制造期間完成自動交換主軸加工刀具、車庫自動安裝對應類型刀具、工件一次裝夾加工、集成開展零件銑削與鉆削等多項操作的生產任務，數控加工中心的零件加工效率是普通機床為5-10倍，還可以完成形狀復雜、加工精度高的零件加工任務。

2.3 高精度機械加工

在傳統車輛機械制造模式中，機械加工精度會受到人為因素影響，如依賴生產人員的自身工作經驗來主觀判斷工件情況、加工路線與開展基點節點等數值計算工作，且工件加工過程的控制時效性不足。因此，為滿足車輛機械制造的高精度加工需求，需要應用到數控技術，數控系統在無人、少人干預條件下，基于程序運行準則向數控機床的運動部件下達功能指令代碼，自動完成零件圖識別、零件數控加工工藝選擇、數值計算、程序單編寫、程序校驗、工件加工、工件驗收與質量誤差分析等任務，根據實際機械加工情況來動態糾偏調整主軸轉速、刀具給進量、主軸旋轉方向、刀具移動速度等工藝參數，以及在特定時間點執行刀頭夾緊與刀頭冷卻等操作，例如，某車輛機械制造企業應用數控加工中心來取代原有加工中心，將汽車零部件的加工精度由3-5μm提高至1-1.5μm，且數控機床與隨動系統的MTBF數值分別保持在8000h與40000h以上，加工精度與零件質量得到明顯提升。

2.4 復合機械加工

在開展形狀復雜的車輛零件機械加工作業時，組合應用數控技術與五軸聯動技術，數控技術負責將原本分布于五面加工機床的多功能主軸在同一數控機床上進行集成處理，使用數控系統的自動控制功能，按照控制方案內容順序輸出控制指令，控制多功能主軸的六個垂直面采取不同角度開展加工作業，以此來突破五軸聯動加工技術的設備結構復雜、機床占地面積大、主軸結構運轉要求嚴格的局限性。某車輛機械制造企業在生產線上搭配應用這兩項技術，根據實際生產情況來看，取得了明顯提升3D曲面零件加工精度與切割效率、保持最佳幾何切割角度與零件形狀、具備快速完成高硬度鋼零件銑削碎加工條件、車輛機械加工光潔度得到保證的應用效果。

3 ?數控技術在自動化車輛機械制造業中的應用策略

3.1 采取自動編程技術

在數控技術應用早期，受到技術水平限制，車輛機械制造企業普遍采取手動編程方式，憑借編程人員的自身工作經驗來熟悉加工工件圖紙，從中提取工件形狀結構、材質、公差尺寸精度要求等基礎信息，根據加工工藝流程規劃方案來手動編寫工件夾位的控制程序，在程序中設定工件結構外形節點坐標、找好加工坐標系、設定噴頭等裝置位置等，編程作業效率有待提升，同時，受人為因素影響，存在零件計算誤差問題，導致數控系統在運行期間有可能出現癱瘓運行、運行故障、程序錯誤、機械運動不及時等一系列問題，進而影響到機械加工質量與實際生產效率，限制了數控技術功能效用的發揮。因此，需要將自動編程作為數控系統的一項外圍技術，由企業采購RPO/E、Powrmill、CAXA制造工程師等計算機專用軟件，編程人員使用軟件自帶工具開展數控加工程序的編寫工作，僅需保證編程人員熟練掌握數控語言、熟悉軟件正確操作方案、按照規定要求順序開展數值導入計算、后置處理等操作，由程序替代人工完成數值計算與基礎參數提取等操作，即可快速完成數控編程作業，保證數控程序質量，消除手動編寫程序時產生的誤差。

3.2 引進新型車輛機械加工設備

隨著車輛機械加工精度與產品質量要求的提高，以及數控技術的優化發展，早期型號的數控機床與機械加工設備的使用性能有待提高，存在使用功能單一、運算速度慢、外圍技術種類少等問題，難以滿足實際制造需求。因此，車輛機械制造企業需要積極引進新型的車輛機械加工設備，以新型數控機床為例，機床使用性能得到全面提升，如采取內裝式電主軸，將主軸最高轉速保持在200000r/min及以上、在0.01μm分辨率時的最大進給率超過240m/min、刀具交換時間縮短至1s內，同時，在數控機床中采取高速插補、誤差補償、網格解碼器檢查、車銑復合加工等全新技術手段，更好的滿足車輛機械制造要求。

3.3 培育數控人才

在數控技術全面推廣的行業發展背景下，車輛機械加工精度、產品質量、作業效率與生產效益均得到明顯提升，與此同時，也對作業人員和編程人員的專業水平提出更高要求，當前部分作業人員對數控技術缺乏深入了解，尚未掌握基于數控技術的正確車輛機械制造生產方法，數控技術應用價值未得到完全、充分發揮，這也是技術應用推廣期間亟待解決的一項重要問題。

因此，車輛機械制造企業必須加大對數控人才的培育力度。首先，在數控技術推廣期間，定期舉辦宣講會等活動，以數控技術概念、特點、應用案例、全新車輛機械制造模式等作為主要內容，使得工作人員對數控技術有著全面了解，調整自身工作意識，積極配合數控技術的應用落實。其次，以實際工作要求為導向，開展專項人員培訓工作，使工作人員掌握正確的車輛機械制造方法，例如，對于編程人員，以自動編程方法的流程步驟、注意事項、常用自動編程軟件操作方法為培訓內容，對于現場作業人員，以機械制圖、可編程邏輯控制器調試檢查、數控系統監測作為培訓內容，對于維修人員，則以數控機床等新型設備的結構原理、常見故障、故障診斷方法與檢修方法為培訓內容。最后，調整團隊結構與人員招聘要求，優先聘用具備較高理論水平、全新知識結構、對數控技術有著深入了解的專業人才，以及增設數控系統維護改造、數控編程等技術型崗位。

4 ?結語

綜上所述，為促進我國自動化車輛機械制造業的可持續發展，將車輛機械制造水平提高至世界先進水準，對數控技術的應用是十分有必要的。因此，車輛機械制造企業務必正確認識到數控技術的應用價值，從技術概念、特點、應用場景等方面著手，做到對數控技術的全面認識、深入了解，積極解決實際生產中的問題，使數控技術在實踐應用期間發揮出應有作用。

參考文獻：

[1]王曉玉.數控技術在自動化車輛機械制造業中的應用[J].內燃機與配件，2021（15）：85-86.

[2]戴星明.試論數控技術在機械加工中的應用及其發展前景[J].內燃機與配件，2021（20）：185-186.

[3]栗長遠.數控技術在自動化機械制造中的運用分析[J].內燃機與配件，2021（20）：175-176.

[4]張永永.數控加工在汽車模具制造中的應用[J].時代汽車，2021（20）：135-136.

[5]趙渭平.機械制造應用中數控技術的問題及應對探究[J].大眾標準化，2021（16）：167-169.

[6]計輝.機電一體化數控技術在機械加工中的應用[J].內燃機與配件，2021（15）：95-96.