數控技術在智能制造中的應用

江蘇省如皋第一中等專業學校 吳鵬宇

智能制造是以智能工廠為載體、網絡為支撐的智能化生產加工過程，即將先進信息通信技術、制造技術相結合，融入至設計、生產及管理等制造作業的各環節，實現設備與設備、設備與系統及企業間的有效互通互聯，能夠彌補傳統制造業生產方式的不足，促使新的智能制造產業形成，以增強制造行業的整體競爭力。本文主要對數控技術在智能制造中應用的優點進行分析，并指出該技術的具體應用，希望為數控技術在智能制造中推廣、應用提供新思路。

在新一輪產業和科技革命下，制造業中逐漸融入了大數據、5G、人工智能、物聯網等新的信息技術，推動制造行業朝著網絡化、智能化及數字化的方向發展。智能制造是指智能制造技術與智能制造系統的合稱，屬于一種人機一體化的職能制造系統，主要包含智能機械與專業人員，通過高度柔性與集成的方式，將智能制造技術充分融入到制造的各個環節，該模式具備極強的自律能力，通過系統采集、理解自身與環境信息，在此基礎上對自身的行為作出客觀準確的分析、判斷和規劃，進而實現人與機械之間的高度統一。同時，數控技術作為一種新型機床加工技術，在加工精度、效率、產品適應性等方面優勢突出，將該技術應用于汽車工業、機械制造、航空航天及智能機器人生產等方面，不僅可以推動制造業生產方式，而且能夠提高生產效率，實現成本的節約，為智能制造企業創造更多效益。

1 數控技術及其在智能制造中應用的優點分析

1.1 定義及原理

數控技術指的是借助數控設備（數控機床）進行自動化加工的技術，其中數控機床這一關鍵設備能夠實現柔性自動化，數控機床加工原理為：使用規范的代碼、格式將被加工零件圖紙上的工藝、幾何信息編寫成加工程序，將其輸入至數控裝置，按照程序要求對信息進行處理、分配，然后以最小位移量對各坐標進行移動，其合成運動即刀具與工件之間的相對運動，就可以實現零件的加工。

1.2 優點

1.2.1 能夠提升制造加工效率

數控技術已普遍應用于智能制造的全過程中，其中在機床操控方面，該技術與智能系統的相結合，便于機床自主判斷、分析數據、診斷問題等，以提升智能制造生產加工效率。同時，對精密零件產品生產加工時，由于這類產品對生產要求比較高，合理利用數控技術，使產品在高自動化生產中的加工難度降低，保證零部件產品質量的同時，縮減生產加工時間，即實現生產成本的控制。

1.2.2 提高產品加工精度

與普通機械加工相比較，數控技術在智能制造中應用，可根據產品圖樣要求來設定加工程序，減少以往人為因素對產品精度的干擾，并且數控系統具備誤差補償、自動檢測功能，尤其在加工精密機械零件過程中，可借助機床系統來保證加工精度，且在同一數控設備上對零件進行批量生產加工，確保其質量更加穩定，提高產品加工精確度。

1.2.3 凸顯出數控技術很強的適應性

隨著制造業的快速發展，對各類零件產品的精度、復雜性提出了更高的要求，意味著生產加工難度加大。而在智能制造中應用數控技術，充分利用數控機床本身所具備的適應性強這一特點，對更新速度快、復雜的產品進行加工，比如借助CAM、CAD技術實現復雜產品的加工[1]，尤其可以對一些無法直接監測的部位進行加工，凸顯出數控機床多軸聯動功能這一優勢。

1.2.4 提高生產管理水平

智能制造中融入數控技術，可根據實際加工要求進行自動變速、換刀等，無需人工操作就可以實現加工工序的集中，使以往依靠人工操作的勞動強度降低，為工作人員提供相關安全的作業環境。同時，利用數控機床來加工零件，可以準確計算其加工所需時間，評估其生產周期、產品交付時間等，并且對現場生產情況、機器設備運轉情況進行實時遠程監控，促使生產管理水平提升。

2 數控技術在智能制造中的具體應用

2.1 應用于機械制造方面

2.1.1 應用木材加工

目前所使用的數控機床木材加工設備包括數控鏤銑機、數控加工中心、數控仿形磨機等[2]。其中數控鏤銑機是用于木材加工處理的設備，借助三軸聯動功能實現木材的雕刻、鏤銑、鉆削加工，結合木材加工銑削速度快這一特性，使加工刀具在坐標軸空間內實現圓弧或直線插補運動，滿足加工工序高速、位置精確等要求，確保復雜加工零件的外觀形狀、質量，在木材加工中，主軸變速效果、轉速率會影響加工效果，將數控技術應用其中，即鏤銑機主軸結構使用高速電主軸結構，電主軸所使用的傳動方式為“零傳動”，機床主軸內置電機，使機床主軸與電子轉子融為一體，驅動主軸高速轉動，且將冷卻裝置設置于電機外殼與定子間，使電主軸在工作過程中保持恒溫，以滿足木材加工中對不同樹種、工藝的加工要求。

2.1.2 應用于采煤機制造

隨著煤礦業工藝水平的不斷提升，對采煤機械裝備性能、可靠性等提出更高的要求。而采煤機設備運行情況受其零部件生產精度因素影響，為了解決以往采煤機加工中人工劃線下料導致尺寸偏差、材料浪費問題，將數控技術應用中，即用數控切割來替代以往的仿形法，基于數控技術下的采煤機加工下料流程如圖1所示，通過龍骨板程序進行下料，使生產效率得以提高，并且數控切割機具有自動可調切縫補償功能，借助程序來控制構件的實際輪廓，相當于數控機床對銑刀半徑的補償，即通過調節切縫補償值就可以對毛坯件的加工余量進行精確控制；在切削加工方面，借助數控技術對形狀復雜、精度要求高的零件進行加工，比如采煤機的搖臂、行走部位的支撐輪等零件會設有密封圈，且安裝槽設置為曲面形狀，浮動油封結構中其密封可靠性受內外環凹曲面加工精度影響，使用數控機床編程加工，能夠確保其凹曲面的精度，即滿足浮動油封結構的實際使用要求。此外，掘進機、輸送機及液壓支架作為煤礦開采中重要機械設備，這些設備的零部件均采取焊接工藝技術加工，為了確保焊接質量和效率，將數控技術應用到其中實現自動化焊接，實時對焊縫進行檢測、反饋，合理調整焊接工藝參數。

圖1 基于數控技術下的采煤機加工下料流程圖Fig.1 Shearer processing and blanking flow chart based on numerical control technology

2.2 應用于汽車工業

汽車產業在促進國民經濟增長方面發揮著重要作用。隨著汽車工業的不斷發展，汽車產業逐漸朝著輕量化、智能化、電動化等方向發展，對汽車零部件及其加工設備提出更高的標準。其中將數控技術運用至汽車工業中，充分發揮數控技術集加工中心、數控機床為一體這一優勢，組成高效率柔性生產線，滿足汽車產品多品種、小批量及更新換代快等需求。其中汽車底盤生產中應用數控技術，準確定位汽車底盤構件、配置，確保底盤技術有效實施，比如汽車底盤縱梁生產中，受車型因素影響，需對其大小、孔徑及孔型等進行調整，通過整合光電、數控、通信等技術，在計算機控制下實現縱梁加工的可視化監控。

同時，汽車焊接、外車噴漆及整車裝配等環節，借助數控技術實現智能制造，比如在焊接環節，為工業機器人配置焊接工具，配合使用傳感器，就可以完成車身焊接操作，在保證焊接速度、質量的同時，減少人工焊接中存在的風險；外車噴漆過程中，為機器人配置相應的程序、噴漆工具，確保噴漆操作的一致性、標準性；整車裝配過程比較復雜，使用機器人對汽車車窗、儀表及座椅等部件進行規范配裝，確保裝配的精確性和效率。此外，為了滿足汽車產業發展需求，數控機床制造企業加大數控機床研發力度，比如目前所研發的五軸立式加工中心、立式線性導軌加工中心等新機床數控加工技術[3]，能夠滿足復雜汽車零件的制造。如圖2所示為汽車組裝中應用機器人。

圖2 汽車組裝中應用機器人Fig.2 Application robot in automobile assembly

2.3 應用于航空制造

航空制造行業具有小批量、多品種等生產特點，在航空領域可以通過智能制造體系來增強行業競爭力，其中智能制造體系實現的關鍵在于基礎技術的不斷突破，及使用各種智能裝備。其中航天零部件的加工離不開數控機床裝備，由于航空零部件加工質量要求高、工藝復雜，且加工期間容易出現刀具與工件受熱變形、刀具和導軌磨損等問題，影響工件加工精度，所以，航空裝備制造中應用數控技術，借助高速高精多軸聯動智能數控機床，對加工過程中振動、磨損及發熱等情況進行感知，實現對環境和機床運行狀態進行監控、預警，并利用數控機床上設置的網絡接口實時采集、存儲機床運行信息、工況數據，以遠程的方式實時查看、自主分析與決策，滿足航空制造業對制造可靠性、精度方面的需求。

此外，航空發動機是影響飛機性能的主要因素之一，葉片作為飛機的動力元件，如圖3所示，其品種數量比較多，結構復雜，且幾何精度要求很高，意味著其加工難度大。而將五軸聯動數控加工技術應用于航空發動機葉片、螺旋槳等復雜曲面的加工中，在具體生產加工中，先規劃刀具路徑，確定最佳的走刀步距，檢查并消除干涉，確定位點，然后沿著刀具路徑來計算步距上的刀位點，最后將所有的走刀軌跡連接起來，生成完整的數控加工程序，將其導入數控機床，就可以實現曲面的加工[4]。

圖3 航空發動機葉片Fig.3 Aeroengine blade

3 數控技術在智能制造中的發展趨勢

在可以預見的未來，數控技術將在智能制造領域發揮出更大的作用，并向著更加高速化、精準化、智能化等方向發展。

3.1 更加高速與精準

隨著5G、大數據、物聯網等技術的發展，將進一步推動高速運算、快速插補、超高速通信、高速主軸等技術的進步，進而促進數控機床計算機系統的高度指令處理，在極短的時間里計算出伺服系統的移動量，精準地提高產品質量。

3.2 更具高柔性與可靠性

在將來，數控機床為了更好地適應不同的加工對象，將由單機柔性向單元柔性化、系統化的方向發展。比如，增加數控機床功能，配置自動化的裝置，通過與工業機器人等產生要素，組成新的加工中心和柔性制造系統。

3.3 更加智能化和網絡化

將自適應控制系統、故障診斷系統、智能伺服驅動裝置等引入到數控機床，進而不斷地增強其智能化和網絡化程度。

4 結語

綜上所述，在現代制造業中，數控技術作為智能制造的基礎，智能制造是數控技術的延伸，二者處于共同發展、相互依存的關系。在智能制造中合理應用數控技術，使智能制造系統不斷優化，提高產品生產質量和效率，使智能制造業朝著更好的方向發展，并加大數控技術研發力度，使其朝著高速度和精度、柔性化、功能集成化及可靠性等方向發展，更好地適應現代制造業生產加工要求。

引用

[1]陳豪.淺談數控技術在智能制造中的應用[J].設備管理與維修,2022(10):125-127.

[2]吳言政.數控技術在智能制造中的應用現狀及發展路徑[J].中阿科技論壇(中英文),2021(7):35-37.

[3]王眇,張振明,李龍,等.數控技術發展狀況及在智能制造中的作用[J].航空制造技術,2021,64(10):20-26.

[4]段好運.機床數控技術在智能制造中的應用探討[J].中國設備工程,2021(14):257-258.