GibbsCAM助力零件数字化制造提高生产效率30%

贵州航天电器股份有限公司李贺 2019-09-04

针对国内航天军工制造型企业多品种小批量零件模式普遍存在加工效率低、数控机床有效利用率低、加工过程质量一致差的现状，笔者通过对零件数控加工工艺、生产流程、技术准备和生产准备等进行了深入细致的研究，提出了多品种小批量零件数字化制造新模式，它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融合、发展与应用的结果，零件数字化制造同时也是航天电器公司实现智能制造的一个分支。为进一步提升车间的加工能力和人均效率，机加车间于2017年10月提出零件数字化制造项目。历经一年，数字化制造项目取得较大进展，在现场的数控设备使用效率低，停机等待时间长，加工的程序不受控，刀具管理混乱，零件质量不可控等问题上取得了较大的进展和创新。

1 绪论

1.1选题的背景

(1)数控机床利用率低，MDC软件监测数据显示处于40%左右

目前，车间数控机床加工零件从开始到结束简单的可分为以下几大步;领取图纸、识图→刀具(准备刀具、安装刀具)→程序(编制程序、校车时修改程序)→校车(工装夹具量具准备、对刀、调试尺寸)→批量加工→结束，现在的加工方式是按照以上步骤，做完一项接着做下一项，每个步骤都是由校车调机人员链条式的方式来完成，在领图纸、准备刀具、编程这些过程当中机床都是处于停机时间，根据车间目前状况，各类机床之间以及同一类型机床上的操作工人，各用各的操作习惯、加工方法及编程习惯等，每个工人的识图能力、技术水平、加工时间包括辅助加工时间参差不齐，辅助加工时间在4小时～24小时不等，复杂类零件甚至更长。

(2)刀具、量具、原材料准备

现阶段的生产模式均是让数控机床停下来链条式的去准备刀、量具，准备的过程当中遇到问题才反馈，因缺乏刀具、量具生产中断的情况时有发生，充分体现了前期的准备不足，生产无法流畅进行，如每加工一类零件生产准备阶段对于自制光面塞规加工均需要耗费时间约1小时左右，并且再次加工该类零件时，需再一次进行重复自制光面塞规的工作，生产资源的严重浪费。同时，现在无论是生产刀具、辅助夹具等均是按照机床配置或小范围团体配置，也存在资源配置重复的现象。

(3)手工编程差异化与不受控

不同操作者由于技能高低、思维模式不同、对机床设备性能掌握程度也各不相同。多方面的因素导致同一零件编制的数控加工程序千差万别，零件实际加工的时间也就大相径庭，操作人员只会根据各自最为熟悉的工作方式编程校车，所以导致每次加工同一类零件时不同的操作人员都要进行零件程序的再次编制，加工过程中的数控程序不受控。中等复杂的零件编程的时间至少都在一小时以上，再一次增加了机床的停机时间，并且不同操作人员用各自的编程方式校车，根本无法知晓是否选用最优的加工流程及最合适的切削参数，恰好这些细节方面是不易被基层管理者发现的，严重制约生产效率提高。

(4)调机校车问题

生产现场操作员工普遍的校车模式是编程、校车同时进行，而不能单独分开进行或提前编制程序，主要是由于编制一段程序后需要进行校车试验确定程序的正确性，此种校车方式效率极低，更有甚者是准备刀具、编程、校车同时开展，严重背离了统筹安排计划。

1.2多品种小批量生产模式特征

多品种小批量生产模式是市场多样化，社会分工细化，科学高度发展，人类消费需求个性化发展导致的，已经成为市场经济发展的必然趋势，更是成为制造型企业发展的唯一途径。其主要特色为产品生产规模小，批量小，品种多;产品不定期的涌入市场;专业化程度低，通用设备多且配套齐全;生产过程中的物流、信息流复杂，控制较为困难;生产计划和作业计划实现率低;生产技术准备工作容易仓促;均衡生产(生产均衡和负荷均衡)难以实现;在制品占用量大;大量的生产管理不是依赖计划来控制、督促、协调，而是依赖于少数管理人员的随机处理，产品按期交货困难，质量得不到保证，经济效益差。

在机械制造行业中，多品种小批量零件制造面临的矛盾更为突出，笔者就职的机械加工车间主要定位于新品试制零件加工和较高难度零件小批量生产，零件难度大，加工周期短，批次数量少，主要采用工序集中方式生产，是属于典型的多品种小批量零件加工模式，主要表现在如下几个方面：

(1)在零件加工批次方面，通过对车间2016年、2017年每月生产能力统计分析发现，该车间月均生产能力在1000批次左右，每批次数量平均约为50件，批次加工平均时间为8小时，每批次编程、校车等辅助等准备时间约为4小时，整体辅助时间占批次加工时间的50%左右，当批次数量更少时，辅助时间占比更高，通过统计分析发现生产效率和设备利用率较低。

(2)生产流程简要为：接收零件生产计划及二维工艺图纸后对工艺流程和工序要求进行识别和分析，依赖操作员工边准备毛坯、刀具、量具边进行手工编程校车，然后进行首件加工及检验，最后进入批生产阶段的传统加工方式。

(3)在加工准备方面，辅助准备工作主要集中二维图纸的理解和掌握、工艺流程的熟悉、刀具的准备、工装量具的准备、毛坯的准备、数控程序的编制、机床校车等等，通过统计分析发现，每台机床切换不同批次和型号的间隔平均为8小时，即每班每台设备要重新编程、校车一次。辅助时间最长为刀具的安装和对刀，数控程序的编制和机床校车。限于批次多、数量少，加工人员往往一边校车一边做相关准备工作。这就会出现员工在绘制工序三维图、加工工艺分析、程序编制、刀具夹具准备的同时，机床基本处于停机等待状态。对于复杂零件的加工，工艺三维模型的创建需要占用准备时间的三分之一左右。

1.3零件数字化制造的特点

随着时代的飞速发展，产品更新换代的周期都越来越短，这也迫使制造业的新品研制时间大幅缩短。目前公司的产品格局也越来越趋向于小批量多品种新品研制为主，机床校车次数和停机时间都会显著增大，在这种趋势与生产压力下，传统的人工策划生产计划，手工编程机床等待加工的串行的工作方式已经无法满足生产需求，必须转变为并行的工作方式。

传统加工模式必须按部就班的每个缓解逐一实现后才能进行下一步操作，所有的过程中机床都处于停机状态。数字化加工模式中，计划的接收、刀具的准备以及数控程序的编制都是在机外并列进行完成，只要能确保计划任务的提前下达，编程人员在机床空闲之前有足够的编程处理时间验证程序的准确性并优化加工路径，校车加工所占用的时间将大大减少，实现机床利用率的提升。

数字化的生产流程为：3D零件模型设计→计算机NC编程→计算机仿真→刀具、量具、辅料准备→校车→首件加工及检验→批量加工;其中的“3D零件模型设计→计算机NC编程→计算机仿真”在上流程中统称为“软件编程”。此流程最大优势在于“软件编程”和“刀具、量具、辅料准备”等均在机外策划，机床空闲时直接进行校车，大大节省了现有长时间的前期准备，使生产过程一直处于校车→批量加工的无缝链接。

零件数字化制造流程的核心思想是做到决策在前。无论是项目计划还是刀具、量具等每一项辅助加工工作都必须提前准备，机床只在安装刀具和装夹零件的时候停止运行。

软件编程模式在计算机数控编程完成，仿真模拟无误后输出刀具报表、零件报表。其中刀具报表里包括了装刀长度数值(刀具伸出刀杆长度)、刀具处于刀库中的刀位号、刀具直径大小值、刀具材质、刀具刃口长度值、刀具类型、刀具注释、刀具圆角等等实际需求的刀具规格的所有数据。零件报表里包括了零件毛坯大小、零件装夹方位、以及对刀零点等位置等。通过报表，可以指导刀具管理员、校车人员、操作人员等为辅助加工提前做准备，由以前的编程、刀具、校车做完一项在接着做另一项的串行工作方式，改为现在的编程、刀具、校车同时进行的并行的工作方式。很大程度的提高了机床的有效利用率，杜绝了停机等待。

2 GibbsCAM数控编程软件的研究及推广应用

2.1 GibbsCAM数控编程软件介绍

GibbsCAM是Cimatron公司旗下的一款面向零件加工的CAM软件，支持2轴到5轴铣削、车削、联动铣削多任务加工和线切割，其最大的特点是界面简洁，易学易用，操作模式和我们的工艺习惯非常一致。2008年6月进入中国市场，公司于2009年7月购进该软件，主要应用于公司的双主轴双刀塔车铣复合加工中心，此类设备具有车削、铣削、钻削、镗削、拉削(插槽)等各种功能，具有X、Y、Z、C和E轴，利用CAM软件可以进行任意多轴联动，实现对各种复杂零件曲面的加工，随着时代和社会经济浪潮的发展，宇航产品出现了多样化、复杂化的局面，针对曲面加工，目前可用宏程序编程和计算机编程来实现，但宏程序涉及到C语言、数学解析几何、现场操作经验等，属于劳动型与智力型兼而有之的过程，相对于G代码比较复杂。所以目前利用CAM软件编程实现多轴联动的曲面加工已经成为必不可少的加工手段之一。

2.2 GibbsCAM编程软件后置处理开发

2.2.1后处理的功能作用

数控机床是通过识别NC程序来控制各种快速定位、进给运动、停止等来进行零件的机械加工，NC程序有手工编制和自动编制两种方式。后处理就是用在自动编程方面，任何一款CAM软件做完刀具、加工参数、工艺等一系列工作以后都需要通过相应的后处理来将之前的一系列加工步骤转化为NC程序，后处理是CAM的重要组成部分。它包括加工刀具路径文件的生成和机床数控代码指令集的生成。加工刀具路径文件可利用CAD/CAM软件，根据加工对象的结构特征、加工环境特征(其中包括机床-夹具-刀具-工件所组成的具体工序加工系统的特征)以及加工工艺设计的具体特征来生成描述加工过程的刀具路径文件。通过后置处理器读取由CAM系统生成的刀具路径文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床的特点及NC程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的NC程序，就是数控加工的后置处理，数控加工后置处理是CAD/CAM集成系统非常重要的组成部分，它直接影响CAD/CAM软件的使用效果及零件的加工质量。目前国内许多CAD/CAM软件用户对软件的应用只停留在CAD模块上，对CAM模块的应用效率不高，其中一个非常关键的原因就是没有配备专用的后置处理器，或只配备了通用后置处理器而没有根据数控机床特点进行必要的二次开发，由此生成的代码还需人工做大量的修改，严重影响了CAM模块的应用效果。

2.2.2后处理的编制方式

目前各机床的编程语言不具备通用性，即使是同一制造商生产的机床，在其前后期也可能不具备通用性。比如公司的同是DMG生产的西门子系统机床，Twin42 和CTX310，它们之间的加工程序便有着极大的差异，由于机床语言的不通用性，很难做到一个后处理多种类型的机床共同使用，所以就需针对不同的机床定制不同的后处理。目前有三种方法编制后处理：

(1)通用语言编写，使用一般的编程语言，如：Visual C++，Java等语言都能够实现后置处理，完成APT文件到NC代码的转换。这种方法的优点是，只要熟悉所需编写的机床和通用语言就能进行操作，不需要其他的软件辅助或培训。缺点是，专用性太强，需要专门的程序员，且程序设计后不具备通用性，修改困难。

(2)通用软件使用一定的通用代码转换软件，通过一个机床配置信置文件来对机床进行描述，并用这个描述来控制后置处理的模块。使用这个后置处理翻译模块便可以将由CAD/CAM系统产生的APT文件翻译成可执行的NC程序。机床配置信置文件的取得一般是通过回答用户对话框。这种对话框通常会需要用户对机床的一些特性进行描述，以此获得所需的信息来构成翻译模块。这种方法的优点是，用户只需了解机床就可直接实现APT到NC代码的转化。缺点是，由于机床的多样性，一个简单的对话框没有办法描述所有的机床，很可能生成无效的或是错误的NC代码，且无法对信息配置文件进行细节修改，得到的NC代码也不易修改完善。

(3)专用语言编写，使用一些专用的后置处理程序编制语言来编写后置处理文件，这种语言专门为后置处理文件的编写设置，具有自己独特的语法，并提供一些固定的宏来方便后置处理文件的编写。这种方法的特点是既提高了程序格式的灵活性,又使程序编制方法比较简单。但是，需要学习一种专门的语言是这种方法的不便之处。

GibbsCAM便是采用第三种方法进行编制，这种语言接近于英语自然语言，它描述当前的机床状态及刀尖的运动轨迹。它的内容和格式不受机床结构、数控系统类型的影响。

2.2.3 GibbsCAM的后处理开发原则

GibbsCAM的后处理是PST格式和记事本格式混居的，修改编辑后置需要做到：A用编辑器对后置内容进行编辑修改;B用编译器对编辑后的后置进行编译。编辑的是记事本格式的后置，编译的是PST格式的后置，记事本格式和PST格式是存储在同一个文件夹下的同一类机床的后处理。编辑器和编译器是GibbsCAM公司自己制作的专用后处理软件。

GibbsCAM后处理二次开发的原则是一切以提高生产率为主，通过后处理生成的机床程序必须符合：A机床原程序语法语句，B程序段、程序格式必须方便工人了解熟悉和应用，C必须符合加工工艺要求。

2.2.4 GibbsCAM车螺纹后处理开发

图2-1车螺纹界面

Last Cut、Pitch、Depth Of Cut、Spring Pass等软件功能选项，在后置里都有相应的定义：

SeqLabC LCycle 'P010060' {SpringPasses#

DIV# RunOutZ# FeedIPR#}

FORMAT(MUL#,10)

{MUL# InFeedAngle# Num#('2')}

MFORMAT(MUL#,4,6)

MFORMAT(LastCutXRadius#,8,12)

'Q' LastCutXRadius# {min depth of cut = last cut}

MFORMAT(LastCutXRadius#,4,6)

'R' LastCutXRadius# EOL

{2nd block}

SeqLabC LCycle XatFinZ FinZ XTapAt

2.2.5 3-Axis Mill后置开发实例

针对公司2033VMC三轴立式数铣后置二次开发简单讲解说明：

firstOp1:(第一个切削操作，：表示子程序，firstOp1:在主程序里被调用)

{SeqC 'M00(This is a GIBBS program / change tool diameters as needed)' EOL} {lihe add da kuo hao 2009.12.15}({}是注释，不输出NC程序的功能)

SeqC 'N'OpToolID# EOL {lihe add to all 2009.12.25} (在NC程序里输出N刀具号，为了符合现场工人识别程序)

SeqC Rapid Plane CRCOff 'G49' 'G98' AbsOrInc DrillOff EOL {lihe used SeqC instead of Seq 2009.12.25} (输出G17G40G49G98G90G80取消各种循环和补偿)

SeqC OpToolID ToolChng EOL {lihe add ToolChng 2009.12.15} (输出调用刀具命令T功能刀具号M06)

{SeqC ToolChng EOL} {lihe add da kuo hao} (加入注释不做输出)

通过后置开发生成的程序与机床原程序比较

经过比较论证后置二次开发生成的NC程序完全满足现在生产要求。

2.3 GibbsCAM编程软件刀具清单开发

刀具清单二次开发运用，通过自定义模板输出需要的参数例如刀具号，刀具名称，装刀长度，刀具材质以及其他的信息。以下是我们输出的样式。带黄底色的为输出的数据。

(1)首先我们先在EXCEL里面建立我们的样式。数据输出位置预留。

表2-1 GibbsCAM编程软件刀具清单

(2)新建一个TXT文件用于定义输出的位置变量。

对于变量的定义：

ToolNumber 7 2 1 0 ,定义刀具编号输出输出刀具注释

新建一个TXT文件用于定义输出的位置变量

其中：7代表第7行

2代表第2列(即B)

1代表以增量为1

0没有输出为0

(3)选择我们保存的模板文件位置，软件会生成我们定义的数据

模板文件存放位置

C:\ProgramFiles\Gibbs\GibbsCAM\10.7.6.0-zh-CN\Plugins\Data\Report

需要同时保存一个EXCEL和一个TXT文件。定义输出的文件格式保存在TXT文件，数据的输出保存在EXCEL里面。

EXCEL建议使用2003版本，用其他版本可能出现问题。

2.4 GibbsCAM编程软件培训推广应用

编制培训教材，培训了7名编程人员能够应用GibbsCAM软件进行机外编程。

3 本课题研究取得的成果

3.1管理创新成果

数控车间加工零件离不开“数控程序”“数控刀具”“数控操作”三要素，传统的生产模式是一人一台数控机床，停机在机床面板上手工编程、停机准备刀具、停机对刀等一系列辅助工作完成后启动机床开始加工，目前车间生产的零件以小批量多品种为主，机床校车次数和停机时间显著增大，例如加工1个批次只有5个零件，停机辅助准备工作花了6小时，机床启动运行加工只需1小时，如此恶性循环，机床平均利用率只能维持在40%～50%。

通过管理创新，把数控加工精细化管理，打破传统的生产工作模式，把原有的加工人员分成“编程员”“刀具管理员”“数控操作员”三个模块组成，项目组编制三类岗位的岗位说明书及机加车间零件数字化制造流程管理办法，做到学术专攻，各管一块，核心思想就是决策在前，无论是程序编制，还是刀具、量具、夹具等每一项辅助加工工作都必须提前准备，机床只在安装刀具和装夹零件的时候停止运行。

通过生产模式的改变，项目组完成了以下创新：

(1)建立了刀具库房刀具统一管理

(2)零件数字化管理办法制定

3.2经济效益及社会效益

(1)针对前期DMC现场数控设备使用效率监控检测设备利用率不足40%的现状，总共17台设备实施零件数字化制造，通过实施数字化制造后，统计2018年5月1日～2018年11月25日，兄弟铣、GX1000、小巨人、2033VMC、NBP1000、C20U，六类共10台机床设备利用率实施后达到70.5%，如图所示;

图5-1 机床利用率统计

(2)减少调机时间

实现数字化制造后校车时间较手工编程校车时间大幅缩短，达到国内同行先进管理模式的标准校车时间要求，目前已经做到30分钟内无缝连接。通过统计12个批次的不同零件刀具切换时间，实施零件数字化制造项目前，需要停机去找刀具，刀具装入刀柄，刀柄装入机床，平均一把刀具需要3分钟时间;实施零件数字化制造以后，刀具都是提前准备好，并好用机外对刀仪对好长度值，机床停机后只需要把刀柄装入机床即可，平均一把刀具花费时间0.5分钟，刀具准备比以前节约了80%以上的时间，刀柄装入机床以后，再进行找正工件坐标系，传入数控程序，开始加工，不同零件的切换时间完全控制在30分钟以内。

表5-1 零件数字化制造项目刀具切换时间记录