熊 苗，王藝瑋，歐 屹，馮虎田

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

數(shù)控機(jī)床是當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)的主流裝備，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車、軍事等方面[1]。國(guó)產(chǎn)機(jī)床經(jīng)過30多年的曲折發(fā)展已漸漸走向成熟期，但與一些發(fā)達(dá)國(guó)家制造的數(shù)控機(jī)床相比，尚存一定的差距[2]。國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在軍工企業(yè)占比較低，各軍工單位生產(chǎn)加工關(guān)鍵工序上的把關(guān)設(shè)備仍然以進(jìn)口設(shè)備為主。為推動(dòng)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在重點(diǎn)軍工企業(yè)的應(yīng)用，在04專項(xiàng)“換腦工程”的支持下，某機(jī)械制造工藝研究所(以下簡(jiǎn)稱“工藝所”)的14臺(tái)機(jī)床參與換腦項(xiàng)目，即用國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控和廣州數(shù)控的數(shù)控系統(tǒng)取代進(jìn)口的FANUC、Siemens等數(shù)控系統(tǒng)。

由于該14臺(tái)機(jī)床面臨材料特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求極端、品種多、轉(zhuǎn)換頻繁及涉密程度深等生產(chǎn)工藝難題，故需要建立一套全面合理的體系對(duì)其在換腦前后的性能，包括加工精度、加工效率、可靠性、功能擴(kuò)展等進(jìn)行評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)機(jī)床關(guān)鍵性能指標(biāo)的研究非常有限，大部分國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)機(jī)床某方面性能進(jìn)行研究，如OP Gandhi和 MK Loganathan[3]針對(duì)機(jī)床可靠性方面做了研究；金彬[4]探討了數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工效率的影響因素及提高方法；R Breaz[5]研究了使用建模和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)提高數(shù)控機(jī)床的精度；Khalid Al-joni[6]建立了新的數(shù)控機(jī)床預(yù)測(cè)診斷故障分類模型。借鑒企業(yè)管理中建立KPI體系衡量員工流程績(jī)效的做法[7]，擬建立基于KPI的機(jī)床性能評(píng)價(jià)體系，作為先導(dǎo)研究?jī)?nèi)容，本文以上述14臺(tái)換腦機(jī)床為研究對(duì)象，探索KPI提取方法。通過從零件加工要求映射到加工工藝需求再映射到對(duì)機(jī)床需求的三級(jí)映射，給出了上述14臺(tái)機(jī)床的關(guān)鍵性能指標(biāo)，為建立基于KPI的機(jī)床性能評(píng)價(jià)體系奠定基礎(chǔ)。

1 KPI提取步驟

每種機(jī)床的關(guān)鍵性能指標(biāo)不僅與機(jī)床本體信息有關(guān)，更與其加工過程的工藝特點(diǎn)與加工需求有關(guān)。因此，本文在進(jìn)行機(jī)床KPI提取時(shí)，綜合考慮了機(jī)床本體信息、特殊工藝要求及加工需求，綜合加以分析，具體步驟如下：

(1)依據(jù)機(jī)床本體信息將加工機(jī)床進(jìn)行分類

一般機(jī)床主要包含數(shù)控車床(以下簡(jiǎn)稱“數(shù)車”)、立式加工中心(以下簡(jiǎn)稱“立加”)和臥式加工中心三類，加工的零件主要包括回轉(zhuǎn)軸類、回轉(zhuǎn)盤類、框架類和殼體類等，將每臺(tái)機(jī)床的類型與加工零件類型結(jié)合起來進(jìn)行分類。在與工藝所溝通調(diào)研的基礎(chǔ)上了解到無論機(jī)床規(guī)格型號(hào)相同與否，加工同一類零件的同一類機(jī)床的KPI結(jié)構(gòu)是一致的，因此，采用“零件-機(jī)床對(duì)應(yīng)編碼”(以下簡(jiǎn)稱“對(duì)應(yīng)編碼”)的方式管理機(jī)床和所加工零件的對(duì)應(yīng)信息。對(duì)應(yīng)編碼采用兩位碼，第1位代表零件類型，第2位代表機(jī)床類型，兩位碼的取值及所述信息如表1所示，例如，對(duì)應(yīng)編碼A-1所代表的含義為加工回轉(zhuǎn)軸類的數(shù)控車床。

表1 碼的取值及對(duì)應(yīng)信息

(2)提出各類機(jī)床特殊工藝要求與加工需求并進(jìn)行分析

根據(jù)機(jī)床所要加工零件的類型、對(duì)加工零件的要求以及對(duì)加工材料、加工環(huán)境的要求，提出機(jī)床特殊工藝要求與加工需求。然后根據(jù)以上特殊工藝對(duì)機(jī)床加工提出的需求，逐個(gè)進(jìn)行分析，從機(jī)床精度、加工效率、機(jī)床可靠性和功能擴(kuò)展等方面選取若干個(gè)可量化的指標(biāo)作為機(jī)床關(guān)鍵性能指標(biāo)。

(3)總結(jié)得到機(jī)床KPI

以上從精度、效率、可靠性、功能擴(kuò)展等方面做出的需求分析最終轉(zhuǎn)化成機(jī)床的KPI結(jié)構(gòu)。

綜上，提取機(jī)床KPI的流程如圖1所示。

圖1 提取機(jī)床KPI流程圖

2 KPI提取實(shí)例分析

根據(jù)以上步驟，以工藝所14臺(tái)換腦機(jī)床為例，提取加工特種零件機(jī)床的KPI。

2.1 依據(jù)機(jī)床基本信息將加工機(jī)床進(jìn)行分類

根據(jù)對(duì)應(yīng)編碼將這14臺(tái)機(jī)床分為8類，結(jié)果如表2所示。該分類方法是筆者在對(duì)某研究院下屬的多個(gè)研究所進(jìn)行廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，與資深高級(jí)技術(shù)人員、高級(jí)技工人員就實(shí)際生產(chǎn)中零件-機(jī)床的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行總結(jié)分類的基礎(chǔ)上得到，該分類方法具有較為廣泛的代表性，能夠?qū)?shí)際管理提供幫助。需要指出的是由表1可知原則上有12種分類，但實(shí)際生產(chǎn)情況中，沒有A-3，B-3，C-1和D-2等4種組合。由上文可知，對(duì)應(yīng)編碼相同的不同類型機(jī)床，其KPI結(jié)構(gòu)是一致的，即對(duì)應(yīng)編碼可作為區(qū)別KPI結(jié)構(gòu)的唯一標(biāo)識(shí)。因此，筆者以對(duì)應(yīng)編碼為標(biāo)識(shí)，建立8類KPI結(jié)構(gòu)。限于篇幅，僅選取A-1、A-2兩種編碼，即加工細(xì)長(zhǎng)軸類的數(shù)車和立加作為典型實(shí)例進(jìn)行進(jìn)一步說明。

表2 機(jī)床分類表

2.2 加工細(xì)長(zhǎng)軸類零件的工藝需求及向機(jī)床KPI的映射

細(xì)長(zhǎng)軸類零件由于其長(zhǎng)徑比大、剛性差等特點(diǎn)，在車削過程中受到切削力、自身重力、切削熱的作用容易彎曲變形，加工后的桿件成腰鼓形，竹節(jié)形，麻花形等使加工精度出現(xiàn)嚴(yán)重偏差[8]，使其加工成為一個(gè)難題。在滿足以上加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，工藝所對(duì)本所加工細(xì)長(zhǎng)軸的機(jī)床提出了精度、效率、可靠性、擴(kuò)展功能等四方面特殊需求。

以下將從機(jī)床精度、加工效率、機(jī)床可靠性和功能擴(kuò)展4個(gè)方面選取若干個(gè)可量化的指標(biāo)作為機(jī)床關(guān)鍵性能指標(biāo)。

2.2.1 精度需求分析

在機(jī)床精度方面，工藝所提出了“保證回轉(zhuǎn)軸直線度0.02mm，保證外圓直徑尺寸公差滿足目標(biāo)等級(jí)”的要求(因涉密原因，未公開目標(biāo)等級(jí))。為保證上述尺寸精度，選取以下指標(biāo)作為機(jī)床KPI。

(1)對(duì)于編碼A-1，對(duì)應(yīng)的四臺(tái)數(shù)控車床型號(hào)為XB-4(一臺(tái))、X-42(兩臺(tái))、X51(一臺(tái))。要保證回轉(zhuǎn)軸直線度0.02mm，必須要保證機(jī)床Z軸運(yùn)動(dòng)(床鞍運(yùn)動(dòng))對(duì)主軸軸線在ZX平面內(nèi)和YZ平面內(nèi)的平行度，如圖2所示。

(a) 數(shù)控車床的ZX平面

(b) 數(shù)控車床的YZ平面 圖2 簡(jiǎn)易數(shù)控車床坐標(biāo)系圖

(2)對(duì)于編碼A-2，對(duì)應(yīng)的一臺(tái)立加型號(hào)為KVC1400B，要保證回轉(zhuǎn)軸直線度0.02mm，必須要保證機(jī)床主軸和Z軸運(yùn)動(dòng)間在YZ平面內(nèi)和在ZX平面內(nèi)的平行度，如圖3所示。

(a) 立式加工中心的YZ平面

(b) 立式加工中心的ZX平面 圖3 簡(jiǎn)易立式加工中心坐標(biāo)系圖

(3)對(duì)于編碼A-1和A-2，對(duì)應(yīng)的五臺(tái)機(jī)床，要保證回轉(zhuǎn)軸外圓直徑尺寸公差，必須保證機(jī)床線性和回轉(zhuǎn)軸線的定位精度及重復(fù)定位精度，其中包括：雙向定位精度A、單向定位精度A↑或A↓、雙向重復(fù)定位精度R、單向重復(fù)定位精度R↑或R↓、反向差值B。

(4)對(duì)于編碼A-1和A-2，對(duì)應(yīng)的五臺(tái)機(jī)床：針對(duì)難加工材料(硬、弱剛性)的抗振切削能力，設(shè)計(jì)通過4368.3-96規(guī)定的主傳動(dòng)系統(tǒng)最大功率試驗(yàn)和抗振性切削試驗(yàn)。

2.2.2 效率需求分析

對(duì)于這5臺(tái)數(shù)控機(jī)床，要提高機(jī)床的加工效率，必須從兩方面考慮：縮短單件加工時(shí)間和提高加工工件的合格品率。

(1)縮短單件加工時(shí)間

單件加工時(shí)間由工藝準(zhǔn)備時(shí)間、工件加工過程時(shí)間和工件檢測(cè)時(shí)間三部分組成，加工完成的零件進(jìn)行檢測(cè)，如不合格則需要返工，流程如圖4所示。在上述流程中加工時(shí)間無法縮短，要提高加工效率，需從縮短工藝準(zhǔn)備時(shí)間和工件檢測(cè)時(shí)間入手。

圖4 加工時(shí)間的組成

在縮短工藝準(zhǔn)備時(shí)間方面，工藝準(zhǔn)備包括工件上下料、工件定位、工件夾緊等。其中工件上下料占據(jù)了大部分工藝準(zhǔn)備時(shí)間。傳統(tǒng)上下料完全依賴人工，耗時(shí)長(zhǎng)。為此，工藝所提出了在換腦機(jī)床上安裝自動(dòng)上下料裝置以節(jié)省工藝準(zhǔn)備時(shí)間。

在縮短工件檢測(cè)時(shí)間方面，換腦前的機(jī)床采取的是離線檢測(cè)方式，即在機(jī)床完成部分工步后人工中斷加工取下工件進(jìn)行測(cè)量。離線檢測(cè)不僅耗時(shí)長(zhǎng)，且具有一定的盲目性，不能對(duì)切削量進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，一旦切削量過大，則零件報(bào)廢。為此，工藝所提出在換腦機(jī)床上加裝測(cè)頭進(jìn)行工件的在線監(jiān)測(cè)，以節(jié)省工件檢測(cè)時(shí)間，提高加工效率，減少?gòu)U品率。加裝測(cè)頭對(duì)機(jī)床硬件和數(shù)控系統(tǒng)提出的要求如下：

對(duì)機(jī)床硬件要求。在機(jī)床上裝配測(cè)頭，使能在加工中測(cè)量工件。

對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求。在數(shù)控系統(tǒng)中集成軸外圓直徑測(cè)量循環(huán)模塊，控制測(cè)頭在加工進(jìn)行的過程中在軸的一處或者多處進(jìn)行軸外圓點(diǎn)采集，然后根據(jù)系統(tǒng)的計(jì)算方式得到軸外圓直徑，并判斷軸是否達(dá)到指定尺寸，若達(dá)到則可以出料，未達(dá)到則繼續(xù)進(jìn)行加工。這樣可以減少檢測(cè)時(shí)間并提高成品率。流程圖如圖5所示。

圖5 測(cè)頭測(cè)量流程圖

在此用設(shè)備利用率來表征機(jī)床的加工效率。設(shè)備利用率定義為有效生產(chǎn)時(shí)間與設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的比值，是反映設(shè)備工作狀態(tài)及生產(chǎn)效率的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[9]。上述縮短單件零件加工時(shí)間是保持有效生產(chǎn)時(shí)間不變，縮短機(jī)內(nèi)準(zhǔn)備時(shí)間從而縮短設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，這樣即提高了設(shè)備利用率，提高了機(jī)床的加工效率。

(2)提高加工工件的合格品率

合格品率是所加工的零件中合格數(shù)與總數(shù)的比值。其中細(xì)長(zhǎng)軸合格的判定標(biāo)準(zhǔn)將依據(jù)工藝所提出的精度需求，即“回轉(zhuǎn)軸直線度達(dá)到0.02mm，外圓直徑尺寸公差滿足目標(biāo)等級(jí)”。將上述用于加工細(xì)長(zhǎng)軸的五臺(tái)機(jī)床加工各10根細(xì)長(zhǎng)軸，將合格品率作為評(píng)價(jià)機(jī)床加工效率的一項(xiàng)KPI。

2.2.3 可靠性需求分析

由于加工特種典型零部件涉及特殊材料、特種不銹鋼等多類材料，許多材料價(jià)值很高，且工藝結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜而特殊[10]，故對(duì)制造過程機(jī)床設(shè)備的可靠性要求非常高。數(shù)控設(shè)備的可靠性是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的工作條件下維持無故障工作的能力。衡量數(shù)控設(shè)備可靠性的重要指標(biāo)是平均無故障時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failures)、平均修復(fù)時(shí)間MTTR(Mean Time To Repair) 和平均有效度A[11]。平均無故障時(shí)間是指數(shù)控機(jī)床在使用中兩次故障間隔的平均時(shí)間，即：

因此用在一定時(shí)間內(nèi)的故障次數(shù)以及故障頻率來表征可靠性。

在一定工作時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，跟蹤記錄每一種系統(tǒng)每一種故障發(fā)生的次數(shù)，以此計(jì)算出各系統(tǒng)的MTBF，作為評(píng)價(jià)各系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

2.2.4 功能擴(kuò)展需求分析

在回轉(zhuǎn)軸周向上不同分度位需要加工有相互位置關(guān)系的鍵槽，需要在立式加工中心KVC1400B增加第四軸，當(dāng)加工完一個(gè)鍵槽時(shí)，只需要第四軸控制的回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過一定角度，則可以繼續(xù)加工另一個(gè)鍵槽，這樣可以很方便的進(jìn)行加工。

2.3 機(jī)床KPI提取結(jié)果

以上從精度、效率、可靠性、功能擴(kuò)展等方面做出的需求分析最終可轉(zhuǎn)化機(jī)床的KPI結(jié)構(gòu)。

將其整理后得到對(duì)應(yīng)編碼為A-1(即加工回轉(zhuǎn)軸類的數(shù)車)的KPI結(jié)構(gòu)，如表3所示。類似的，對(duì)應(yīng)編碼為A-2(即加工回轉(zhuǎn)軸類的立加)的KPI結(jié)構(gòu)如表4所示。

表3 對(duì)應(yīng)編碼為A-1的KPI結(jié)構(gòu)

表4 對(duì)應(yīng)編碼為A-2的KPI結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

本文從數(shù)控機(jī)床特殊工藝要求與加工需求分析入手，從機(jī)床精度、加工效率、機(jī)床可靠性和功能擴(kuò)展等方面提出了提取機(jī)床KPI的方法。以某機(jī)械制造工藝研究所14臺(tái)機(jī)床為研究對(duì)象，將所提方法應(yīng)用于該14臺(tái)機(jī)床上，依據(jù)機(jī)床基本信息對(duì)機(jī)床進(jìn)行了分類，然后根據(jù)各類機(jī)床加工零件的特點(diǎn)從精度、效率、可靠性、功能擴(kuò)展方面建立了機(jī)床的KPI。實(shí)踐證明所提KPI提取方法是科學(xué)、可行和有效的，能為后期機(jī)床KPI評(píng)價(jià)體系的建立奠定基礎(chǔ)，從而為研究人員把握機(jī)床的關(guān)鍵性能指標(biāo)并快速定位影響機(jī)床關(guān)鍵性能的因素提供依據(jù)和參考。