序言
铸造作为一种金属成型方法，是制造业中毛坯供应的重要组成单元。受铸造工艺过程中收缩变形、浇注系统偏差及模具磨损等多因素耦合作用，同批次铸件毛坯的实际余量分布呈现显著非均匀性特征，其离散化程度可达毫米级。研究表明，铸件 余量离散度可达±2mm，直接导致加工效率降幅30%以上[1]，导致后续机械加工阶段难以通过统一的工艺参数实现余量高效控制。随着“十四五”规划在国内企业的落地发展，新一代信息技术与制造业深度融合，智能制造正在加速重构全球产业竞争格局。基于传感器与数据采集、处理中产生的在机测量技术，通过在机床端搭载探头等物理反馈结构，探测零件实际加工尺寸，根据测量结果自动补偿加工路径。本文旨在剖析智能环境下船舶铸件批量自动化制造工艺变革，结合公司典型铸件自动化加工经验，从在机测量、数字模型和数控程序深度融合应用的视角，实现“建模-检测-补偿-加工”的自动化加工模式，为企业智能化跃迁提供理论支撑和实践参考，助力制造业高质量发展。
自动化架构设计
公司实施工艺升级，应用智能化手段，结合在机检测、数字孪生和跨学科融合等技术，解决铸件毛坯余量中存在的离散、加工程序不固定及人员干预这三大核心特征产生的效率问题，实现自动化、高效化和绿色化的目标。从平台、技术和实施3个维度构建协同模型，创建面向制造部门的智能制造工艺生产体系，实现大模型运营，完成既定目标。自动化架构如图1所示。
图1 自动化架构
关键技术介绍
自动化加工作为第四次工业革命的重要表现形式之一，其技术体系呈现出多学科交叉融合的特征，主要涵盖数字模型与工艺分析、在机检测、磨损预测、智能化技术与数控融合等关键技术。首先，数字模型与工艺分析通过三维数模构建，完成零件制造工艺的编制及仿真，增加工艺实施安全性的同时可有效指导零件实际生产。其次，在机检测和磨损预测技术，能替代操作人员在加工过程中的辅助测量及人不离机状态，有效降低工序辅助时间和劳动强度。此外，智能化技术与数控融合，将在 机检测、磨损预测和智能防错等技术融入到加工程序中，可减少低级错误的发生，驱动机床实现自动化加工。
3.1 数字模型与工艺分析
数字化建模是将二维图样转换为三维可视化模型的一项技术，使产品从设计研发、生产制造到运维服务实现全流程的可视化监控，例如空客A350用数字化装配模型，使飞机线缆安装错误率降低50%，借助此项技术，操作人员可以更直观地观察 到零件结构，基于加工特征快速、高效地进行制造 工艺的编制。借助虚拟调试技术，可在投产前进行工艺验证与风险预判，提前发现潜在加工问题，缩短研发周期。同时，应用公司切削数据网络，快速匹配与零件加工工况（材质、工况、加工阶段、使 用刀具和机床刚性）相似的加工参数，缩短现场调试时间，助力零件高效加工。
3.2 在机检测
在机检测是基于传感器与数据采集、处理，在机床端实时运行的一种新兴技术。它通过集成高精度测头与传感器，在加工过程中直接采集工件尺寸和表面形貌等数据，与数字模型实时比对，省略传统离线检测的拆装运输环节，缩短了工序辅助时 长，降低了操作人员辅助测量的工作强度，实现了一人多机的新兴模式。同时，基于在线测量数据的反馈控制，可实时修正刀具磨损、热变形等工艺偏差，有效控制精加工尺寸精度，提高精密零件的产品合格率。 由于在机检测核心探头搭载在机床端，与加工刀具的安装方法基本一致，检测数据也是基于机床构建的笛卡尔坐标系实现，因此，影响机床精度的环境因素同样对在机检测精度有效。受限于机床自身热变形、环境和温度等影响，在机检测的实时精度不能按照设备说明一概而论。如雷尼绍探头在 机检测系统，虽然其重复定位精度可达±1mm[2]， 但在实际应用中，机床热变形会导致测量误差增加0.02～0.05mm[3]，企业在实施在机检测时，需特别注意。
3.3 磨损预测
磨损预测作为先进制造的一项关键技术，在自动化加工中占据重要地位。目前主要有两种预测方法，一种是在机床主轴或相关位置上安装传感器，通过监测切削振动，将监测数据频率（振动或电流等）转化为信号，通过集成算法学习刀具振动曲 线，将有效数据存为标准样本，供后续同工况零件对比，当设定的振动曲线超出标准曲线阀值后，控制机床会报警、停机。相关研究表明，该方法对镍基合金刀具寿命预测的准确率可达85%[4]，该模式由于需要大量经验，多用于批量零件加工，可有效降低操作人员现场辅助强度。另一种方法是经验预测法，根据刀具切削磨损周期，预测刀具磨损标准值，从而将特征加工程序和刀具进行分类，这种模式响应迅速，对软、硬件的需求较低，常用于单件小批量生产模式，适用于离散型制造企业。
磨损预测技术的实质是依靠经验值对切削工况进行判定，在切削加工领域，影响切削工况的因素极多，例如刀具悬长、工件材质差异等。在实际应用过程中，误报的问题最为明显，预测精度与时效性平衡，如何在早期预警与准确预测间寻求最优 解，是每个企业在应用过程中必须面对的难题。
3.4 智能化技术与数控的融
智能化技术包括在机测量、刀具监测和智能防错等，转换应用主体是驱动机床加工的数控程序，将在机监测中产生的数据和刀具监控的标准值存档，刀具直径和变量置信区间的防错语句均在数控程序中有所体现。目前常见的融合方式有两种， 一种是将所有检测、加工和防错等信息全部放置在单个数控程序中，这种模式下，程序数量极少，便于技术和操作人员调用和管理；另一种是将各类数据模块化，将检测、加工和防错等信息制作为单个子程序，以模块化的方式集成至单个主程序进行调用，这种模式下各功能间有很强的辨识度，可以便捷调整单个功能模块，具有快速响应的功能。 智能化技术与数控程序深度融合，需将采集的数据转换成数控程序识别的变量，常见做法是将机床设定的变量区间进行调用，如西门子系统R系列变量。但在应用过程中，直接应用R变量存在一定风险，由于数控机床普遍内嵌固定循环（钻孔、铣槽等），在该类模块后台也应用了部分R变量，因此，如果直接使用R变量进行智能化技术数据转化，会出现使机床内置循环时数据异常，严重时会直接产生过切、碰撞现象。
船舶铸件应用案例
笔者单位以智能制造车间为载体，进行基于离散型企业特点的数智化工艺体系建设，面向实施过程中遭遇的瓶颈，提出相应的策略并完成了实际验证，解决了铸件毛坯余量离散型、加工程序不固定和人员干预的核心问题，实现了铸件自动化生产的目标。
4.1 典型零件选择
燃气轮机整流支柱材质为K446，属于镍基沉淀硬化型高温合金，是典型的难切削材料。毛坯形式为铸件毛坯，在铣削工序中需要对外形及孔系进行加工。由于铸件余量不均，铣削过程需要操作人员干预控制，导致铣削加工时长居高不下，前期加 工时间单件96h，其中加工时间46h，毛坯测量、精度控制和辅助换刀等工作共计50h，整流支柱如图2所示。
图2 整流支柱
随着智能制造技术在车间的应用，在机测量、自动测量和自动换刀等新功能的引进，促进了工艺改进，降低了辅助时间。针对整流支柱外形铣削，以提高加工效率、降低一线操作人员强度为目标，结合新功能，实施自动化加工。
4.2 实施平台搭建
公司智能制造车间的实施平台搭建明细见表1。
表1 实施平台搭建明细
4.3 实施流程
在实施初期，明确实施目标为：完成毛坯余量在机检测、高精度特征自动补偿以及实现零件铣削程序的自动化运行。根据实施目标制定流程为：工艺分析→精度验证→刀具磨损验证→逻辑控制→加工仿真→补偿加工。
（1）工艺分析 根据整个零件加工特征和精度进行自动化加工工艺编排，零件工艺编排如图3所示。
图3 零件工艺编排
（2）精度验证 对在机测量的真实精度进行验证，以量具和在机测量两种方法作对比，测试测量数据对比见表2。
表2 测量数据对比（单位：mm）
由数据可知，在机测量实际误差在主轴方向为0.06mm，垂直方向误差为0.03mm，基于测试得出精度区间，确定整流支柱实施自动化工序的编排顺序。
（3）刀具磨损验证 工序自动化运行，是基于刀具能满足单个程序的正常加工，刀具磨损不会对零件的尺寸及质量产生较大影响的理念进行。根据整流支柱材料特点，编制铣削加工程序，对刀具磨损情况进行摸索，确定刀具实施策略，粗铣刀具磨损情况见表3。
表3 粗铣刀具磨损情况
试验结果与文献[5]的试验结论一致，按照磨损量0.06mm为基准，磨损量＜0.06mm的同类型刀具进行合并，刀具破损的程序进行拆分，满足单个程序顺利运行。
（4）逻辑控制 整流支柱特征精度较高，根据刀具磨损效果，刀具切削磨损造成的偏差大于特征尺寸精度。为控制自动加工形成的尺寸精度，需在粗、精加工间穿插在线测量，根据测量值进行尺寸精度补偿，相关逻辑通过数控程序进行编辑。在整流支柱零件上，设计两种常用的逻辑判断控制。
对于粗加工阶段，需要具备测量余量输入、自动换刀功能，设计控制程序如下。
T=”X63”
TCH；自动换刀
M3 S220 AA: G0 X=-213.6+1 Y=R2 Z=R360；余量调用地址
G1 F100 Y=-R2 M8 G0 Z200 STOPRE R360=R360－0.1 IF R360>0.1 GOTOB AA
对于精加工阶段，应具备测量余量、自动补偿功能，为此，设计“1+1”双层控制结构如下。
N1 T=”MT”
N2 TCH N3 G55 G0 B0 N4 X-55Y=138.9/2 N6 TRANS Z=213.6+24 N7 Z50 CYCLE977(200xx,,,1,….01,,,,,1,1) ；测量特征状态
N8 R378=_OVR[16] ；余量调用地址
N9 G0 Z1200 IF R378>0.01；余量逻辑判断
CALL “S_11_JX_340_1.MPF”
ELSE；余量逻辑判断
IF R378<(－0.1) MSG(“余量异常”) GOTO BB M09 TRANS BB: M30
通过上述两种逻辑结构的实施，将整流支柱检测的余量数据融入加工用的数控程序，实现特征精度的自动补偿。
（5）加工仿真 将三维模型和加工程序导入加工仿真软件，进行测量、切削模拟，确保程序切削、程序间跳转和测量动作安全可靠。
（6）补偿加工 通过加工仿真，进入实际加工 调试，验证设计工艺和测量的可行性。加工完成的零件如图4所示。
图4 零件
4.4 效果分析
通过自动化工艺实施，成功完成整流支柱铣序 加工，加工周期得到明显提升，操作人员在切削过程中无需介入，实施后实动时间由96h降低至48h，切削时间由46h降低至44h，辅助时间由50h降低至4h，极大程度地降低了一线操作人员的辅助时间。