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國產係統在航（háng）空關鍵結構件加工中的批量應用與性能提升

2020-6-12 來源：航空（kōng）工業沈陽飛機（jī）工業( 集團) 有限公作者：房誌（zhì）亮劉本剛（gāng）

摘要: 基於國產高檔數控（kòng）係統（tǒng）功能的深度開發與工藝研究，形成了麵向航空領域的係列化數控產品和成套工藝解決方案，實現了國產係統在航空領域的規模化應用。在此基礎上，通過開展（zhǎn）國產係統與國際主流係統的綜合對（duì）比試驗，完善了國產係統功能與性能，顯（xiǎn）著提升了國產係統在航空領域的（de）應用水平。

關鍵詞: 國產係（xì）統; 航空（kōng）; 飛機結構件; 批量應用; 對比試驗

作（zuò）為（wéi）數控機床的“大（dà）腦”，數（shù）控係統直接關係到航空（kōng）企業（yè）生產機密和安全性（xìng），多年來對國（guó）外數控係統（tǒng）的（de）嚴重依賴，使國內航空企業總處於被動地位，時刻擔（dān）心國防安全［1］。為此，開展國產高檔數控係統功能的（de）深（shēn）度開（kāi）發，瞄準（zhǔn）國際主流係統（tǒng）水平，開展與國際主流（liú）數控係統的對比試驗及工藝優化技術研究，完善和提升高檔數控係統的性（xìng）能與（yǔ）功能，研製滿足航空關鍵零件加工需求的係（xì）列化數控係（xì）統，形成麵向航空領域典型複雜結構件加工的成套（tào）解決（jué）方案，並在飛機（jī）典型複雜（zá）結（jié）構件加工中進行示範應用，對保障航空製造業快速跨代發展具有重要（yào）意義。

1、數（shù）控係統功能深度開發與示範應用

以航空領域關鍵結構件加工為（wéi）切入點，研製滿足（zú）航（háng）空關鍵加工（gōng）需求的高檔數控（kòng）係統，並形成係列化數控產品（pǐn），擴（kuò）展數控（kòng）係統在飛機典型零件加工中的示範應用範（fàn）圍。針對航空結構件加工工藝特點，開展工藝參數及程序優化技術（shù）研究，形成麵向航空典型結構件（jiàn）加工的成套工藝方案，增強國產（chǎn）高檔數控（kòng）係統對航空結構（gòu）件加工中的適用性。

1. 1 麵向航空領域的國產係統關鍵技術研發與係列化產品研製

高檔數控機床（chuáng）的性能主要體現在高速、精密、複合、多坐標聯動和網絡化通信功能［2］，與之配套的數控係統要（yào）求具有優異的（de）高速（sù）高精控製性能外，對自動補償技術和自整定以及自（zì）診斷技術等配套應用技術也提出（chū）了更高的要求。同時，針（zhēn）對航空結構件鈦合金材料（liào）難加工、鋁合金材料去（qù）除率大、易變形（xíng）、小批量多品種等（děng）加工特點，基於國產高檔數控係統開展工（gōng）藝參數及程序優（yōu）化技術研究，有利於提高國（guó）產係（xì）統對航（háng）空複雜結構件加工的適應（yīng）性。

1. 2 高速高精度控製技術（shù）開發

高速高精度控製技術主（zhǔ）要解決高速、高精和高表麵質量輪廓加工過程的（de）運動控製以及薄壁件加（jiā）工過程中的非線性誤差和複雜曲麵加工運動光（guāng）滑控製問題。

( 1) 高速高精集成功能。航（háng）空鋁合（hé）金結構件高速加工追求的是高速、高精（jīng）和高表麵（miàn）質量輪廓，但不同的加工類型所追求的（de）側重（chóng）點不同，如果將與不（bú）同需求相匹（pǐ）配（pèi）的加工工藝組合起（qǐ）來，抽象出不（bú）同加工策（cè）略，則可組成一個高速加工循環，如圖 1 所示。該循（xún）環提供了滿足三種不同加工需求相對應的加工策（cè）略，工件加工時（shí）僅需（xū）根據需求調用預定義的一個程（chéng）序指令即可（kě）自動實現相關參數設置以與加工（gōng）工藝匹配，充分發揮（huī）機床高速、高精性（xìng）能，提高加工效率。

( 2) 平滑矢量（liàng）控製功能。五軸加工功能和性能是高檔數控係（xì）統的（de）一個重要指標，目前該功能還被歐美國家列入控製銷售。通過分析旋轉軸線性插補和矢量插補過程中刀具姿態的變化情況，抽象出刀具姿態誤差模型［3］。根據加工允許的刀具姿態誤差，在矢量插（chā）值段中插入（rù）線性插值段，防止靠近奇異點處產生的旋轉軸急速轉動。結合（hé）指令行（háng）程和旋轉軸性（xìng）能進行旋轉軸插補速度鉗製，使用三次樣條曲線對矢量插值段和線性插值段進行平（píng）滑連接，保證整個（gè）插補過程中速度的連續平滑。具體控製流（liú）程如（rú）圖（tú） 2 所示。

( 3) 光滑 TCP 控（kòng）製功能。針對航（háng）空結構複雜曲麵CAM 編（biān）程時離散逼近而產（chǎn）生的（de）微小多麵體 CNC 程序插補中沒有考慮運動平滑性而產生的刀具振動，致使工件表麵刀痕明顯，表麵質（zhì）量差，通過分析旋轉軸運動引起的非線性誤差，確定旋轉軸轉動幅（fú）度與非線性誤差（chà）間關係和開發選擇軸位置優化算法和軌跡重新規劃，對軌跡生（shēng）成階段所得 NC 文件中旋轉軸位置進（jìn）行優化，以避免超出機床加工非（fēi）線性誤差的限製，減（jiǎn）小刀具姿態誤差，克服旋轉軸頻繁加（jiā）減（jiǎn）速運動，達到高速（sù）高（gāo）效加工的目的。

1. 3 配套應用技術研究與開發

空間誤差補償技術、伺（sì）服參數自優化（huà）技術、故障自診斷技術和網（wǎng）絡功能已成為高檔數控係統的不可（kě）或缺的關鍵技（jì）術。基於這些關鍵技術（shù），高檔數控（kòng）係統展現了強大的自適應能力和高效加（jiā）工優勢。

( 1) 五軸機床校驗和優化補償功能。五軸ＲTCP加工時，加工（gōng）程序都是（shì）基於沒有誤（wù）差的機床結構（gòu）模（mó）型和工件的基準位置進行編製（zhì）的，位置參數（shù）直接決定了（le）控製器內（nèi）運動學轉換關係。實際生產（chǎn）中卻存在結構機械誤差和工件安裝位置（zhì）誤差，導致加工精（jīng）度差，效率低下［4］。對此研發（fā）了一種智能的（de）誤差（chà）補償方法，通過對測量出的空間內刀具運動軌跡進行回歸分析，計算出運動學相關各參數實際位置與基準位置的偏離矢（shǐ）量，並自動輸入到結構（gòu）補償參數表中，由數控係統自動完成補償（cháng），如圖 3 所示（shì）。

( 2) 參數在線調試與優化功能。伺服係統控製算法越來越複雜，參數越來越多（duō），且很多相互（hù）間存在強非線（xiàn）性耦合關（guān）係。該參數通過人工整定很難找出更優的控（kòng）製方案。對此基於重要參數識別和最優調整算法（fǎ）相結合開發了在線調試與性能優化（huà）功能。

( 3) 機（jī）床故障診斷功能。故障診斷技術一直是數控係統發展（zhǎn）的的關鍵技術之一，備（bèi）受重視。隨（suí）著開放性數控係統（tǒng）發展，故障診斷技術在數控領域（yù）已得到快速發展，在實際生產中發（fā）揮了重要作用（yòng），尤（yóu）其是基於車間數字化網絡和（hé）專家係統的狀（zhuàng）態（tài）監控和健康診斷技術得到了（le）突飛猛（měng）進的發展。如圖 4 所（suǒ）示是（shì）開發的基於專家係統的數控係統故障診斷係統（tǒng）功能結構圖。

1. 4 工藝參數及程序優化技術研究

分析機床主軸輸（shū）出功率與切削參數的相關性，開發功能模（mó）塊優化加工（gōng）程序，滿足機床功（gōng）率平滑（huá）輸出的要求，保證工件加工質量一致性。如圖 5 所示是基於Vericut 開發的工（gōng）藝參數與程序優化效果圖。

1. 5 國產高檔（dàng）係統在航空結構件加工（gōng）中的示範應用（yòng）

根據航空典（diǎn）型結構件加工工藝特點和需求，突破（pò）上述關鍵技術後，國產係（xì）統形成了係列化數控產品，包括華中 8 型和藍天數控 GJ400 係列，基本涵蓋了高速切削、強力銑削和多坐標聯動（dòng）、多主軸加工中心等高檔機床配套需求。國產（chǎn）係統已對 30 台進（jìn）口機床的原裝數（shù）控係統完成了國產化替代，實現了在航空典型（xíng）結構件（jiàn）( 壁板、梁、框、肋、緣條、角材和接頭等) 加工中的示範應用，所加工的零（líng）件經（jīng）質檢合格後全部裝機（jī），涵蓋了所有在研重點型號飛（fēi）機。

2 、國產係統與進口係統對比測試與（yǔ）性能提升

2. 1 搭（dā）建對比試驗（yàn）平台

選擇“十一五”數控（kòng）專項支持的數控機床，其（qí）中五台配套進口先進數控（kòng）係統，另五台配套上述研發的麵向航空（kōng）領域的（de）係列化國產（chǎn）數控係統，共 10 台套數控係統組成 5 組對比試驗平台。具體配置（zhì）如表 1 所示。

表 1 對比試驗（yàn）平台配置

2. 2 功能、性能與可靠性對比試驗

該試驗從（cóng） 4 個方麵（miàn）開（kāi）展國產（chǎn）係統與進口主流（liú）係統的對比分析與測試: 係統技術對比分析; 功能與性能測試; 聯（lián）機帶載性能測試; 聯機帶（dài）載穩定性測試。

( 1) 技術（shù）對比分析以 SINUMEＲIC 840D 和國產係統對比分析為例，在功能方麵各有所長:

①在軸的控製（zhì）能力（lì）方麵，如最大軸數（shù）、通道數、最小插補（bǔ）周期方（fāng）麵，國產係統略（luè）優於 840D。

②支持編碼器協（xié）議方麵，國（guó）產係統支持 BISS 協議、SICK 的 HYBFACE 等其他協議，為伺（sì）服電動機選型提供了更（gèng）多的選擇餘地。

③在主軸控製方（fāng）麵功能差不多，840D 在（zài）軸和主軸間切換、多主軸間切換更（gèng）靈活。

④在（zài）插補功（gōng）能方麵，西門子 840D 除了樣（yàng）條插補（bǔ）、空間圓弧插補以外，還具有多項（xiàng）式插補功能，而 HNC－848 開發了（le）虛擬軸插補、平衡切削等功能。

⑤五軸坐（zuò）標變（biàn）換功能是高檔數（shù）控係統中一個重要（yào）的功能，840D 具有兩級變換（huàn）串聯起來（lái）的複合變（biàn）換功能，目（mù）前國產係統還（hái）不具備該功能。

⑥刀具管理和刀庫（kù）管理功能（néng）是 840D 的（de）一個（gè）特色功（gōng）能，可（kě）以對（duì）姊（zǐ）妹刀、刀具壽命、刀具類型進行管理，也可（kě）以（yǐ）對定點還刀、隨機還（hái）刀策略自由選擇，國產係統（tǒng）也（yě）具有類似的（de）豐富的刀具管理功能（néng）。

⑦均（jun1）提（tí）供了豐（fēng）富的 HMI 二次開發接（jiē）口。

⑧西門子 PLC 在 IO 擴展接口方麵更靈活，支持Profibus－DP 接口、AS－i 接（jiē）口等。

⑨補償功能對（duì）機床的精（jīng）度保持性有著至關重要的意義，840D 和國產係統都支持雙向（xiàng）螺距（jù）補償、垂度補償、溫度補償、空間補償、過象限補償等高級功能，840D 還具有針對垂（chuí）直軸的電子重力補償，而華中 8 型具有快移/進給（gěi）分別間隙補償功能，還支持 U 盤直接導入激光幹涉儀的補（bǔ）償數據。

⑩安全集成（chéng）是（shì） 840D 參照（zhào）歐洲（zhōu）安全標準開發（fā）的功能。目前國內還沒有（yǒu）類似的安全控製標準（zhǔn），國產係統沒（méi）有類似功能。

瑏瑡診斷和調試功（gōng）能方（fāng）麵，840D 和國產係統（tǒng）都提供了多種手（shǒu）段，如 840D 有“IBN Tool”，可以對單軸（zhóu）電流環（huán）、速度環（huán）和（hé）位置環進行優化，還可以采用圓度測試的方法對（duì）聯動軸的動態特性進行調（diào）整（zhěng），國產係（xì）統有類（lèi）似的“SSTT”軟（ruǎn）件。

( 2) 功能與性能測試

五軸加工功能測試主要針對ＲTCP 基（jī）本功能測試、使用標準球驗證ＲTCP 聯動精度（dù）; 簡單五軸樣件加工( 錐台 NAS 件) 和（hé）多坐標聯動 S 試件加工。如圖 6所示是對比試驗中配套國（guó）產係統的五坐標聯動（dòng）加工中心所加工的 S 件樣件與測量圖，測（cè）量 88 點，尺寸精度可全部控製在±0. 04 mm 以內（nèi），滿足了航空結（jié）構件加工精（jīng）度需求。

( 3) 聯機帶載性能測試和穩定性測試

聯機帶載測試主要（yào）包括加工工件精度、功能測試、加（jiā）工工（gōng）件粗糙度檢測及加工（gōng）耗時和穩定性測試。如圖 7、圖 8 是對比試驗中，某台配套國產係統的高速橋式加工中心加工（gōng）的某型民機典型框類結構（gòu）件。

以該零件加工對比分析為例，在該零件上（shàng）選取了65 個采樣（yàng）點，由測量機（jī）檢（jiǎn）測上述采樣點處的加工精度。對比該零（líng）件在兩台機床上的加工（gōng）精度檢測報告發現，該零件加工精度已經滿足了加工精（jīng）度（dù）要求，但配套進口係統機床的零件加工精度更好。經質檢中心檢測，工件表麵平整光滑均可達到所需（xū）粗糙度要求。該（gāi）型工件加工總耗時平均為 8 h，其中總耗時包括刀具（jù）的加工時間與人力幹預時（shí）間，刀具加工時間為 6 h，人力幹預時間為 2 h。總耗時與配套進口係統相比平均多耗時 0. 5 h。

2. 3 國產係統功能改進與性能提升

在開（kāi）展對比試驗測試過（guò）程中發現了諸多功能（néng）與性能問題，均提出了解決（jué）方案，並做了針對性改進，顯著提升了國產高檔數控係統在航空典型複雜結（jié）構件中（zhōng）的（de）

應用水平。

( 1) 增（zēng）加光柵尺和電動機位置比較功能針對反饋（kuì）脈衝丟失，位置環錯誤，數（shù）控係統沒有相關的檢測報警，導致了過切，增加了該功能。

( 2) 增強（qiáng）控製器耐高溫能力投入示範應用的個別（bié）係統經常發生（shēng）編碼器（qì）報警，跟蹤發現是電櫃（guì）溫度高後易致伺服發生報警引起的。分析發現（xiàn）驅動單元的編（biān）碼器控製芯片耐高溫能力（lì）差，更換其他品牌芯片後，再沒有出現類似的問題。

( 3) 複雜曲麵（miàn）加（jiā）速（sù）度調整針對 S 曲（qǔ）線加（jiā）速度調（diào）整，解決了有勻速階段的 S曲線加減（jiǎn）速加速（sù）與減速階段加加速度不受（shòu）路徑加加（jiā）速度約束的問題，優化了參數“路徑（jìng）加加速度”不能限（xiàn）製所有加減速過程的問題，如圖 9 所示。

( 4) 小線段優化小線段多段連接以小線段銜（xián）接速度為依據將多個小線段連接合並，把連接在一起的（de）程序段作為一個程序段進行處（chù）理，隻進行一次（cì）速度（dù）規劃，優化策略如圖10 所示（shì）。

3 、國產係統調試與性（xìng）能優化典型案例分析

基於國產（chǎn）係統示範應用實踐（jiàn）經驗（yàn）和對比試（shì）驗分（fèn）析，顯著提升了國產係統綜合性能（néng），最終實現了國產係統在航空典型複雜結構件正式生產（chǎn）中應（yīng）用的重大突破。其中選錄了部分國產係統（tǒng）性能調試與優化（huà）過程中較典型的案例。具體分析如下:

( 1) 加工 S 件過（guò）象（xiàng）限（xiàn）處出（chū）現凹坑( 圖 11)當進給軸沿（yán）某方向運動，指令突然向反向移動，在換向時機（jī）器不（bú）能平穩立即反向而可能出現短時的粘性停頓。過象（xiàng）限突跳（tiào）補償參數主要用於彌補機床在換向時的短（duǎn）暫粘性停頓，該現象可導（dǎo）致被加工零件在圓弧象限（xiàn）點處產生台階痕跡。對此，國產係統提供了兩種（zhǒng）過象（xiàng）限誤差補償方法。

( 2) 五軸聯（lián）動加工時零件表（biǎo）麵光度差發現零件表麵光度（dù）差（chà），通過在線調試與優化軟件SSTT 分析（xī），數控係統發出（chū）的位置（zhì）和速度指令均正常，但實際反饋（kuì）速度波動異常。分析原因（yīn）認為主要是由於

VMC35120U 機床均為硬（yìng）軌結構，導軌（guǐ）接觸麵積（jī）大，機床（chuáng）各軸慣量大，導（dǎo）致伺服驅動速度環參數無法進一步提升（shēng），動態響應性能較差造成的。具體解決方法是通過調整陷波器參數( 伺服參數 PB32－PB38) ，消除頻響曲線中“尖峰”處對應頻率引起的異響和振動，如圖 12所示，來盡可能（néng）地提高速度比例增益 ( 伺服（fú）參數PA2) ，減小（xiǎo）速度（dù）波動（dòng）。

( 3) 五軸ＲTCP 程序加工過（guò）程（chéng）中複位時振動明顯，且（qiě）有（yǒu）異響聲。經（jīng）分析發現，麵板複位按鍵觸發的複位動作在收到當前移動（dòng）軸的（de）零速到達信號之前就發出取消移動（dòng）指令，造成各軸緊急停止。具體解決方法是修改運動（dòng）控製邏輯，複位時等待軸運動停止後再執行複位動作，防止各軸緊急停止造成的振動問題（tí）。

4 、結語

以進口先進數控機床為應用對象，通過國產係統對原裝數控係統的國產化（huà）替代，完成（chéng）了國產係統在航（háng）空領（lǐng）域的批量化示範應（yīng）用，同（tóng）時實現了國產（chǎn）五軸聯動高檔數控係統在（zài）航空領域應用的重大突破。曆時 5 年共有 35 台套國產（chǎn）係統經標準件試切合格後正式投入航空關（guān）鍵結構（gòu）件（jiàn）生產線（xiàn）中，實踐應用證（zhèng）明（míng）數控係統（tǒng）國產化替代後能夠恢複機床原（yuán）有加工（gōng）精（jīng）度和性能水平，實際生產中係統運行穩定，基本滿足了航空關鍵結構件加工的（de）需（xū）求。根據數字化車間網絡對投入使用的（de）國產係統運行故障記錄（lù）與統計數據（jù），參照 GJB －899A－2009《可靠性鑒（jiàn）定和驗收試驗》中的定時試驗分析方法推算（suàn）得到，該批（pī）投入航空結構件生產線中（zhōng）的國產高檔係統實測平均無故障時（shí）間( MTBF) 已高於 20 000 h，達到了預期目的。

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