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Tebis CAD元素排版编程与制造过程优化

  1. 优化CNC制造过程

      1.1  注塑模具深孔钻加工车间面临的问题

注塑模具油路、水路深孔加工存在数量多，方向多，必须配合五轴以上复合加工机床进行生产的特点。客户现场使用了7轴五联动的钻铣复合机床，工作台使用了扩展的B旋转轴，在线性Z轴中增加了扩展线性轴W轴，如要提升效率，实现自动换刀，存在安全碰撞检查难，扩展轴控制难，行程超极限预判难等情况。

从深孔钻加工反映的问题可以看到，这些问题都与制造可靠性息息相关。而可靠性首先是系统性的设计，是认知问题。因此要解决这些问题，必须先解决编程工程师对机床的认知问题，这里我们利用Tebis的虚拟机床打开工程师的认知通道，让编程人员实现面向机床的CAM编程，从而达到事半功倍的效果。

1.2 Tebis虚拟机床运动结构的创建。

如何解决机床工位在铣削过程中，不发生碰撞？客户现场机床7轴结构包括X/Y/Z/W等4个线性运动轴，和A/B/C等3个旋转运动轴。如果有需要，也可以把测刀系统的扩展运动轴、刀库门开关的扩展运动轴等也定义到虚拟机床中。同时由于该机床铣削机头和深孔钻机头，运动结构存在较大区别，这里通过双机床头切换来进行配置，如图1所示。

图1  7轴深孔钻虚拟机床运动结构

 把机床原始零点和装刀原点进行定义，确保这些位置和现场物理机床完全一致。根据所选的机床运动结构，定义好线性轴和旋转轴的行程范围，同时根据控制系统模块属性定义好旋转轴的旋转模式，如图2所示，确保运动范围和现场物理机床完全一致。

图2  7 轴深孔钻虚拟机床行程范围

1.3  Tebis虚拟机床宏的创建

如何解决非切削运动的真实仿真与安全输出？硬件配置好之后，我们需要使用代码来驱动虚拟机床，比如自动换刀、手动换刀、测刀、钻套夹紧、钻套压紧等，使机床的仿真动作和现场达到完全一致，如图3所示。Tebis机床宏可以通过VM_MOVE指令来控制机床的位置仿真，通过NCOUTPUT指令与后置器的交互，把机床轴仿真实际的位置点输出到NC代码之中，从而实现仿真和代码的完全一致。

INCLUDE_BEG = BUSHING_PRESS

功能：钻套开始压紧 

INCOUTPUT   = 6, BUSHING_PRESS

功能：钻套压紧动作交互到后置器进行运算

VM_MOVE     = M, ZT=  -5.000

功能：钻套压紧动作在虚拟机床仿真

INCLUDE_END

功能：钻套压紧动作结束

图3  7轴深孔钻虚拟机床运动宏控制

通过虚拟机床宏的控制，如图4所示，可以看到机床在现场的非切削运动的情况。工件不同、结构不同、加工方向不同，虚拟机床都会根据机床的运动结构，自动计算出不同刀路之间的安全连接。实线表示加工轴的线性运动连接，虚线表示加工轴的空间旋转连接。

图4  7轴深孔钻虚拟机床非切削运动仿真

1.4  Tebis虚拟机床特性参数赋值

如何实现准确工时预估，给排产的一个准确数据？通过虚拟机床的机床特性控制，包括数控系统的预读能力、G00的移动速度mm/s、开粗的时间比例、运动轴的快移速度mm/s、运动轴的加加速度mm/S3等，通过实际机床的特性值的准确输入，虚拟机床就实现了准确的工时预估，目前Tebis可以计算出机床非切削的连接时间、刀路的切削时间和机床的总运行时间，如图5所示。

图5  虚拟机床特性配置和工时计算结果

1.5  Tebis虚拟机床超程检查与快速调整

装夹位置不当，出现超行程该怎样快速调整？小零件在大机床加工时候，比如刀具过短、装夹位置太低等会出现超程的情况；有时候也会出现深孔钻不超程，铣削超行程等情况。根据现场加工经验在Tebis虚拟机床中设定多个连接点，确定不同类型工件的大致装夹位置，Tebis机床工位配置中使用连接机床连接点的功能，如图6所示。

图6  机床工位设置和机床连接点设置

切换连接点能实现快速切换零件的装夹位置，并实行超程检查，如图7所示。利用Tebis虚拟机床行程检查功能，能够快速优化深孔钻的装夹，比如原来需要5~6次装夹的加工，可以优化到2~3次装夹，大幅度缩短车间的加工流程。

图7  超程报错和快速调整检查

2.  积累制造工艺

2.1  注塑模具深孔钻编程面临的问题

汽车注塑模具大而复杂，特别是后模仁孔系往往非常发达，如何在众多孔系中找出需要加工的深孔，需要细心、耐心和责任心等三心级以上工作态度，同时更要有总结工艺教训，提升知识和技能不足的坚强决心。

从深孔钻编程反映出的问题可以看到，如果没有好的工具进行协同，将会出现大量不稳定的因素，我曾经在一家车企看到，由于深孔钻编程人员的疏忽，把汽车前保险杠胶位面钻穿，造成整个模芯报废，损失上百万的情况。因此要解决这些问题，必须先解决编程工程师对经验积累的认知问题，这里我们利用Tebis的经验数据库，实现孔制造过程的数字化，从而达到一劳永逸的工艺智能防呆效果。

 

2.2  Tebis特征库

深孔钻CAM编程面临的第一个困难，高效选择困难，哪些孔是深孔，哪些孔需要加工？如图8所示。

图8  一般汽车注塑模具孔特征

利用Tebis特征库进行深孔识别超强过滤，可以实现库里有可识别，库里没有不识别。如图9所示，该客户有普通孔和深孔等两大类孔需要加工，可以通过库文件夹DeepHole来管理深孔特征，使用Standard Hole来管理常规孔特征。国内有很多外接订单加工企业，无法使用简单分类，可以建立龙记、HASCO等通用标准件特征库，了解客户使用标准件品牌，就能用对应的标准件特征库进行识别。

图9  孔特征库

选择深孔特征库进行自动识别，如果不是深孔的特征，如图10高亮所示，螺纹孔就不会生成特征，这样以经验特征库过滤识别的方式，大大地提升了识别效率，大大地减少了人为出错。

图10  深孔自动识别

2.3  识别规则参数库

深孔钻编程面临的第二个困难,相交孔构成的间隙如何延伸与裁剪，才能还原到深孔的原始状态？如图11所示。

图11  深孔自动识别

 在Tebis的智能加工设置面板中，我们通过3D曲面识别规则的最大孔间隙参数进行配置，该客户测试经验结果值为200mm，就是说在同一矢量方向，200mm范围内的间隙默认进行连接合并，如图12所示，这样可以解决98%以上的深孔精准识别问题。

图12  深孔识别参数设定

2.4  工艺特征库

深孔钻编程面临的第三个困难,同一类型的深孔，所处的位置不同，工艺有可能不同，怎么快速切换工艺？如图13所示，TJ3_30-15.1-15表示三级台阶孔，在不垂直模框平面时，该孔的第一级台阶需要铣削加工，和模框平面垂直时，该孔的第一级台阶使用钻孔加工。

图13  同孔不同工艺

利用Tebis工艺库，如图14所示，把每一类型的孔，以加工策略的工艺排序形式，形成经验工艺库，TJ3为3台阶孔特征的所有加工工艺。加工策略出现的条件可以定义，同样任何孔的加工深度条件也可以在深度参数中定义。

举例：

Feature_Diameter[1]>18 and Feature_Diameter[1]<=50 and Function_WorkStep=”101_TJ1_YDK_MILL”

此刀路判定条件功能：当孔的工作步骤为第一台阶引导孔时，并且该孔的直径大于18mm小于50mm的时候，选择D12R0.5牛鼻刀具进行铣削加工。

if Feature_Depth[1]<=58 THEN Feature_Depth[1] ELSE Feature_PilotDepth+15

此孔深度判定条件功能：当台阶1的孔深度小于58mm时候，孔有多深就加工多深。如果孔深度大于58mm时，加工深度为手动引导深度再加15mm，就是通常引导深度为15mm，如果个别孔有特殊要求，还可以通过手动控制增加引导孔的深度。

图14  工艺库与条件面板

Tebis能把特征和工艺库中的工艺进行匹配，形成工艺特征库。如15所示，每一个特征都可以通过机床组、材料组的列表进行工艺列表分配。CAM编程工程师只要扫描加工工件，特征自动识别后，就能自动把加工工艺匹配进来了。

图15  特征与工艺库匹配面板

2.5  刀具库

深孔钻编程面临的第四个困难，不同机床、不同材料、不同分段加工特性不一样，主轴转速、加工进给、冷却方式都会不一样，如何高效高质量进行处理？ 如图15所示，Tebis刀库中的每一把装配的深孔钻刀具都可以拥有一套单独的切削参数库，以刀具材质为X轴，以机床组、加工方式、毛坯材料为Y轴，以切削参数与冷却为Z轴，形成的空间立体式切削参数矩阵。当选择机床、加工方式和毛坯之后，软件能够自动精准寻找到最为合理的加工参数。

图16  深孔钻刀库

3.   共享制造经验

3.1  制造经验传承问题

传统制造经验有口口相传的师傅带徒方式，还有高端大气的表格积累方式。但是此两种方式都存在严重的弊端，以人为本的传经送宝方式很难扩大共享范围，以表格为本的送宝方式，最终还要回到人为的反向解读，难以高效利用。

从制造经验传承反映出的问题可以看到，如果没有好的平台协同工作，出现大量培训、紧张沟通和频繁催促工作模式，造成人员的不稳定流动。针对这些问题，这里利用Tebis的智造平台，实现制造经验的云端共享，从而达到人心散而制造神不散，人身走而制造不凉的效果。

3.2  云端制造管理

项目评价活动分为立项评价、中期评价、验收评价和跟踪评价四种类型，也对应项目实施的4个完整过程，过程中增减优化、时序改变等在所难免，因此实时更新是不可或缺的管理手段。

利用Tebis Starter管理和同步云端存储的Tebis经验数据库，实现服务器端数据改变，客户端立马同步改变，无需口口相传或电子邮件沟通，稳妥可靠。Starter收藏夹建立用户环境入口，如图17所示，可以通过浏览，直接进入深孔钻、保险杠、门板、镶件等专业的制造环境之中。

图17 编程环境入口与数据库同步

3.3  5S编程流程操作

深孔钻项目最终CAM制造环境，如图18所示，左边结构树为导航式CAD数据准备模板，实现整理：加工元素精准图层定位；实现清扫：不必要的元素不会在结构树出现；实现清洁：所有工程师能看到，能修改，还能追溯；实现素养：编程时能为别人考虑，能客观评价，能想办法持续优化。右边结构树为智能CAM制造流程模板，实现整顿：保持立刻能从CAD抓取加工元素

通过该环境CAM工程师无需再大量思考如何使用制造工艺，无需再手动选择机床、刀具。切削参数等，CNC编程工作大量转化为无制造工艺需知的CAD元素排版工作，实现了CNC编程的5S管理，实现了千人一面的编程结果，提升了整个深孔钻制造的稳定性。

图18 CAD元素排版编程模板

3.4  参数化关联选取

实现CAM编程工作向CAD数据准备工作的转移的前提条件就是，CAM的加工工位、加工策略能自动选取加工元素。Tebis的自动选取模块，能通过文件夹模式、文件夹指定、元素类型、元素颜色、元素名称、元素注释等众多属性进行过滤和选取，如图19所示，非常简单且高效。

图19自动选择元素面板

3.5  向可靠性编程阶段发展

当前，中国制造业迈向高质量发展，CAM要向高质量发展，也必须向更加可靠的智能编程阶段靠拢。综合过程要求、软件要求和实施结果，可以把CAM编程分为4大阶段，如图20所示，目前大部分零件和模具制造企业，还处在手动编程阶段，基于目前每年全体毕业生的学历和中国当前的人口结构评判，该阶段无法持续发展。

（图20：CAM编程的4大阶段）

大部分企业正朝CAM工艺模板编程阶段进行升级，但是由于此阶段涉及的软件比较繁杂，一个工程师至少要掌握3款相关性软件，培训周期很长，同时如果再加上二次开发的时间，整体实施周期非常长，同时成本也很高，成功率相对也较低。由于高质量发展的社会需要，同质化的制造将逐渐减少，通用性的二次开发将遇到严重阻碍，因此该阶段也无法实现长时间的持续发展。

高级阶段和顶级阶段皆为智能编程阶段，区别在于高级阶段的CAD元素排版编程不要求CAD数据模型的标准化，顶级阶段的智能自动编程对CAD数据模型必需标准化。

在当前阶段，选择高级阶段进行CAM项目大批量实施非常适合，主要优点体现在：

  1. 不需要标准化CAD模型
  2. 不需要二次开发
  3. 不需要IT人员参与
  4. 不需要第三方落地实施
  5. 企业工程师自主实现开发和优化

   顶级阶段由于统一设计标准较难，当前制造企业和行业标准的建立周期也很长，因此目前很难实现，但是作为制造企业的愿景，也可以使用稳步推进的方式，局部实现智能自动编程。

 

4.  结论

该项目实施结果价值为，编程效率提升50% ，机床稼动率提升30% ，装刀效率提升25%，斜孔加工不再出现断刀，机床实现了无人值守加工。理解制造过程是实现CAD/CAM成功的关键 ，本文带领大家深入深孔钻制造的过程研究，了解每个关键点的认知过程和解题方法，对类似企业解决类似的技术难题提供抛砖引玉的参考价值。

 

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