國產(chǎn)系統(tǒng)在航空關鍵結(jié)構(gòu)件加工中的批量應用與性能提升
2020-6-12 來源： 航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)( 集團) 有限公 作者：房志亮 劉本剛
摘要: 基于國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)功能的深度開發(fā)與工藝研究，形成了面向航空領域的系列化數(shù)控產(chǎn)品和成套工藝解決方案，實現(xiàn)了國產(chǎn)系統(tǒng)在航空領域的規(guī)模化應用。在此基礎上，通過開展國產(chǎn)系統(tǒng)與國際主流系統(tǒng)的綜合對比試驗，完善了國產(chǎn)系統(tǒng)功能與性能，顯著提升了國產(chǎn)系統(tǒng)在航空領域的應用水平。
關鍵詞: 國產(chǎn)系統(tǒng); 航空; 飛機結(jié)構(gòu)件; 批量應用; 對比試驗
作為數(shù)控機床的“大腦”，數(shù)控系統(tǒng)直接關系到航 空企業(yè)生產(chǎn)機密和安全性，多年來對國外數(shù)控系統(tǒng)的嚴重依賴，使國內(nèi)航空企業(yè)總處于被動地位，時刻擔心國防安全［1］。為此，開展國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)功能的深度開發(fā)，瞄準國際主流系統(tǒng)水平，開展與國際主流數(shù)控系統(tǒng)的對比試驗及工藝優(yōu)化技術研究，完善和提升高檔數(shù)控系統(tǒng)的性能與功能，研制滿足航空關鍵零件加工需求的系列化數(shù)控系統(tǒng)，形成面向航空領域典型復雜結(jié)構(gòu)件加工的成套解決方案，并在飛機典型復雜結(jié)構(gòu)件加工中進行示范應用，對保障航空制造業(yè)快速跨代發(fā)展具有重要意義。
1、 數(shù)控系統(tǒng)功能深度開發(fā)與示范應用
以航空領域關鍵結(jié)構(gòu)件加工為切入點，研制滿足航空關鍵加工需求的高檔數(shù)控系統(tǒng)，并形成系列化數(shù)控產(chǎn)品，擴展數(shù)控系統(tǒng)在飛機典型零件加工中的示范應用范圍。針對航空結(jié)構(gòu)件加工工藝特點，開展工藝參數(shù)及程序優(yōu)化技術研究，形成面向航空典型結(jié)構(gòu)件加工的成套工藝方案，增強國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)對航空結(jié)構(gòu)件加工中的適用性。
1. 1 面向航空領域的國產(chǎn)系統(tǒng)關鍵技術研發(fā)與系列化產(chǎn)品研制
高檔數(shù)控機床的性能主要體現(xiàn)在高速、精密、復合、多坐標聯(lián)動和網(wǎng)絡化通信功能［2］，與之配套的數(shù)控系統(tǒng)要求具有優(yōu)異的高速高精控制性能外，對自動補償技術和自整定以及自診斷技術等配套應用技術也提出了更高的要求。同時，針對航空結(jié)構(gòu)件鈦合金材料難加工、鋁合金材料去除率大、易變形、小批量多品種等加工特點，基于國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)開展工藝參數(shù)及程序優(yōu)化技術研究，有利于提高國產(chǎn)系統(tǒng)對航空復雜結(jié)構(gòu)件加工的適應性。
1. 2 高速高精度控制技術開發(fā)
高速高精度控制技術主要解決高速、高精和高表面質(zhì)量輪廓加工過程的運動控制以及薄壁件加工過程中的非線性誤差和復雜曲面加工運動光滑控制問題。
( 1) 高速高精集成功能。航空鋁合金結(jié)構(gòu)件高速加工追求的是高速、高精和高表面質(zhì)量輪廓，但不同的加工類型所追求的側(cè)重點不同，如果將與不同需求相匹配的加工工藝組合起來，抽象出不同加工策略，則可組成一個高速加工循環(huán)，如圖 1 所示。該循環(huán)提供了滿足三種不同加工需求相對應的加工策略，工件加工時僅需根據(jù)需求調(diào)用預定義的一個程序指令即可自動實現(xiàn)相關參數(shù)設置以與加工工藝匹配，充分發(fā)揮機床高速、高精性能，提高加工效率。
( 2) 平滑矢量控制功能。五軸加工功能和性能是高檔數(shù)控系統(tǒng)的一個重要指標，目前該功能還被歐美國家列入控制銷售。通過分析旋轉(zhuǎn)軸線性插補和矢量插補過程中刀具姿態(tài)的變化情況，抽象出刀具姿態(tài)誤差模型［3］。根據(jù)加工允許的刀具姿態(tài)誤差，在矢量插值段中插入線性插值段，防止靠近奇異點處產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)軸急速轉(zhuǎn)動。結(jié)合指令行程和旋轉(zhuǎn)軸性能進行旋轉(zhuǎn)軸插補速度鉗制，使用三次樣條曲線對矢量插值段和線性插值段進行平滑連接，保證整個插補過程中速度的連續(xù)平滑。具體控制流程如圖 2 所示。
( 3) 光滑 TCP 控制功能。針對航空結(jié)構(gòu)復雜曲面CAM 編程時離散逼近而產(chǎn)生的微小多面體 CNC 程序插補中沒有考慮運動平滑性而產(chǎn)生的刀具振動，致使工件表面刀痕明顯，表面質(zhì)量差，通過分析旋轉(zhuǎn)軸運動引起的非線性誤差，確定旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動幅度與非線性誤差間關系和開發(fā)選擇軸位置優(yōu)化算法和軌跡重新規(guī)劃，對軌跡生成階段所得 NC 文件中旋轉(zhuǎn)軸位置進行優(yōu)化，以避免超出機床加工非線性誤差的限制，減小刀具姿態(tài)誤差，克服旋轉(zhuǎn)軸頻繁加減速運動，達到高速高效加工的目的。
1. 3 配套應用技術研究與開發(fā)
空間誤差補償技術、伺服參數(shù)自優(yōu)化技術、故障自診斷技術和網(wǎng)絡功能已成為高檔數(shù)控系統(tǒng)的不可或缺的關鍵技術。基于這些關鍵技術，高檔數(shù)控系統(tǒng)展現(xiàn)了強大的自適應能力和高效加工優(yōu)勢。
( 1) 五軸機床校驗和優(yōu)化補償功能。五軸 ＲTCP加工時，加工程序都是基于沒有誤差的機床結(jié)構(gòu)模型和工件的基準位置進行編制的，位置參數(shù)直接決定了控制器內(nèi)運動學轉(zhuǎn)換關系。實際生產(chǎn)中卻存在結(jié)構(gòu)機械誤差和工件安裝位置誤差，導致加工精度差，效率低下［4］。對此研發(fā)了一種智能的誤差補償方法，通過對測量出的空間內(nèi)刀具運動軌跡進行回歸分析，計算出運動學相關各參數(shù)實際位置與基準位置的偏離矢量，并自動輸入到結(jié)構(gòu)補償參數(shù)表中，由數(shù)控系統(tǒng)自動完成補償，如圖 3 所示。
( 2) 參數(shù)在線調(diào)試與優(yōu)化功能。伺服系統(tǒng)控制算法越來越復雜，參數(shù)越來越多，且很多相互間存在強非線性耦合關系。該參數(shù)通過人工整定很難找出更優(yōu)的控制方案。對此基于重要參數(shù)識別和最優(yōu)調(diào)整算法相結(jié)合開發(fā)了在線調(diào)試與性能優(yōu)化功能。
( 3) 機床故障診斷功能。故障診斷技術一直是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的的關鍵技術之一，備受重視。隨著開放性數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展，故障診斷技術在數(shù)控領域已得到快速發(fā)展，在實際生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，尤其是基于車間數(shù)字化網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和健康診斷技術得到了突飛猛進的發(fā)展。如圖 4 所示是開發(fā)的基于專家系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖。
1. 4 工藝參數(shù)及程序優(yōu)化技術研究
分析機床主軸輸出功率與切削參數(shù)的相關性，開發(fā)功能模塊優(yōu)化加工程序，滿足機床功率平滑輸出的要求，保證工件加工質(zhì)量一致性。如圖 5 所示是基于Vericut 開發(fā)的工藝參數(shù)與程序優(yōu)化效果圖。
1. 5 國產(chǎn)高檔系統(tǒng)在航空結(jié)構(gòu)件加工中的示范應用
根據(jù)航空典型結(jié)構(gòu)件加工工藝特點和需求，突破上述關鍵技術后，國產(chǎn)系統(tǒng)形成了系列化數(shù)控產(chǎn)品，包括華中 8 型和藍天數(shù)控 GJ400 系列，基本涵蓋了高速切削、強力銑削和多坐標聯(lián)動、多主軸加工中心等高檔機床配套需求。國產(chǎn)系統(tǒng)已對 30 臺進口機床的原裝數(shù)控系統(tǒng)完成了國產(chǎn)化替代，實現(xiàn)了在航空典型結(jié)構(gòu)件( 壁板、梁、框、肋、緣條、角材和接頭等) 加工中的示范應用，所加工的零件經(jīng)質(zhì)檢合格后全部裝機，涵蓋了所有在研重點型號飛機。
2 、國產(chǎn)系統(tǒng)與進口系統(tǒng)對比測試與性能提升
2. 1 搭建對比試驗平臺
選擇“十一五”數(shù)控專項支持的數(shù)控機床，其中五臺配套進口先進數(shù)控系統(tǒng)，另五臺配套上述研發(fā)的面向航空領域的系列化國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，共 10 臺套數(shù)控系統(tǒng)組成 5 組對比試驗平臺。具體配置如表 1 所示。
表 1 對比試驗平臺配置
2. 2 功能、性能與可靠性對比試驗
該試驗從 4 個方面開展國產(chǎn)系統(tǒng)與進口主流系統(tǒng)的對比分析與測試: 系統(tǒng)技術對比分析; 功能與性能測試; 聯(lián)機帶載性能測試; 聯(lián)機帶載穩(wěn)定性測試。
( 1) 技術對比分析以 SINUMEＲIC 840D 和國產(chǎn)系統(tǒng)對比分析為例，在功能方面各有所長:
①在軸的控制能力方面，如最大軸數(shù)、通道數(shù)、最小插補周期方面，國產(chǎn)系統(tǒng)略優(yōu)于 840D。
②支持編碼器協(xié)議方面，國產(chǎn)系統(tǒng)支持 BISS 協(xié)議、SICK 的 HYBFACE 等其他協(xié)議，為伺服電動機選型提供了更多的選擇余地。
③在主軸控制方面功能差不多，840D 在軸和主軸間切換、多主軸間切換更靈活。
④在插補功能方面，西門子 840D 除了樣條插補、空間圓弧插補以外，還具有多項式插補功能，而 HNC－848 開發(fā)了虛擬軸插補、平衡切削等功能。
⑤五軸坐標變換功能是高檔數(shù)控系統(tǒng)中一個重要的功能，840D 具有兩級變換串聯(lián)起來的復合變換功能，目前國產(chǎn)系統(tǒng)還不具備該功能。
⑥刀具管理和刀庫管理功能是 840D 的一個特色功能，可以對姊妹刀、刀具壽命、刀具類型進行管理，也可以對定點還刀、隨機還刀策略自由選擇，國產(chǎn)系統(tǒng)也具有類似的豐富的刀具管理功能。
⑦均提供了豐富的 HMI 二次開發(fā)接口。
⑧西門子 PLC 在 IO 擴展接口方面更靈活，支持Profibus－DP 接口、AS－i 接口等。
⑨補償功能對機床的精度保持性有著至關重要的意義，840D 和國產(chǎn)系統(tǒng)都支持雙向螺距補償、垂度補償、溫度補償、空間補償、過象限補償?shù)雀呒壒δ埽?40D 還具有針對垂直軸的電子重力補償，而華中 8 型具有快移/進給分別間隙補償功能，還支持 U 盤直接導入激光干涉儀的補償數(shù)據(jù)。
⑩安全集成是 840D 參照歐洲安全標準開發(fā)的功能。目前國內(nèi)還沒有類似的安全控制標準，國產(chǎn)系統(tǒng)沒有類似功能。
瑏瑡診斷和調(diào)試功能方面，840D 和國產(chǎn)系統(tǒng)都提供了多種手段，如 840D 有“IBN Tool”，可以對單軸電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)進行優(yōu)化，還可以采用圓度測試的方法對聯(lián)動軸的動態(tài)特性進行調(diào)整，國產(chǎn)系統(tǒng)有類似的“SSTT”軟件。
( 2) 功能與性能測試
五軸加工功能測試主要針對 ＲTCP 基本功能測試、使用標準球驗證 ＲTCP 聯(lián)動精度; 簡單五軸樣件加工( 錐臺 NAS 件) 和多坐標聯(lián)動 S 試件加工。如圖 6所示是對比試驗中配套國產(chǎn)系統(tǒng)的五坐標聯(lián)動加工中心所加工的 S 件樣件與測量圖，測量 88 點，尺寸精度可全部控制在±0. 04 mm 以內(nèi)，滿足了航空結(jié)構(gòu)件加工精度需求。
( 3) 聯(lián)機帶載性能測試和穩(wěn)定性測試
聯(lián)機帶載測試主要包括加工工件精度、功能測試、加工工件粗糙度檢測及加工耗時和穩(wěn)定性測試。如圖 7、圖 8 是對比試驗中，某臺配套國產(chǎn)系統(tǒng)的高速橋式加工中心加工的某型民機典型框類結(jié)構(gòu)件。
以該零件加工對比分析為例，在該零件上選取了65 個采樣點，由測量機檢測上述采樣點處的加工精度。對比該零件在兩臺機床上的加工精度檢測報告發(fā)現(xiàn)，該零件加工精度已經(jīng)滿足了加工精度要求，但配套進口系統(tǒng)機床的零件加工精度更好。經(jīng)質(zhì)檢中心檢測，工件表面平整光滑均可達到所需粗糙度要求。該型工件加工總耗時平均為 8 h，其中總耗時包括刀具的加工時間與人力干預時間，刀具加工時間為 6 h，人力干預時間為 2 h。總耗時與配套進口系統(tǒng)相比平均多耗時 0. 5 h。
2. 3 國產(chǎn)系統(tǒng)功能改進與性能提升
在開展對比試驗測試過程中發(fā)現(xiàn)了諸多功能與性能問題，均提出了解決方案，并做了針對性改進，顯著提升了國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空典型復雜結(jié)構(gòu)件中的
應用水平。
( 1) 增加光柵尺和電動機位置比較功能針對反饋脈沖丟失，位置環(huán)錯誤，數(shù)控系統(tǒng)沒有相關的檢測報警，導致了過切，增加了該功能。
( 2) 增強控制器耐高溫能力投入示范應用的個別系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生編碼器報警，跟蹤發(fā)現(xiàn)是電柜溫度高后易致伺服發(fā)生報警引起的。分析發(fā)現(xiàn)驅(qū)動單元的編碼器控制芯片耐高溫能力差，更換其他品牌芯片后，再沒有出現(xiàn)類似的問題。
( 3) 復雜曲面加速度調(diào)整針對 S 曲線加速度調(diào)整，解決了有勻速階段的 S曲線加減速加速與減速階段加加速度不受路徑加加速度約束的問題，優(yōu)化了參數(shù)“路徑加加速度”不能限制所有加減速過程的問題，如圖 9 所示。
( 4) 小線段優(yōu)化小線段多段連接以小線段銜接速度為依據(jù)將多個小線段連接合并，把連接在一起的程序段作為一個程序段進行處理，只進行一次速度規(guī)劃，優(yōu)化策略如圖10 所示。
3 、國產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試與性能優(yōu)化典型案例分析
基于國產(chǎn)系統(tǒng)示范應用實踐經(jīng)驗和對比試驗分析，顯著提升了國產(chǎn)系統(tǒng)綜合性能，最終實現(xiàn)了國產(chǎn)系統(tǒng)在航空典型復雜結(jié)構(gòu)件正式生產(chǎn)中應用的重大突破。其中選錄了部分國產(chǎn)系統(tǒng)性能調(diào)試與優(yōu)化過程中較典型的案例。具體分析如下:
( 1) 加工 S 件過象限處出現(xiàn)凹坑( 圖 11)當進給軸沿某方向運動，指令突然向反向移動，在換向時機器不能平穩(wěn)立即反向而可能出現(xiàn)短時的粘性停頓。過象限突跳補償參數(shù)主要用于彌補機床在換向時的短暫粘性停頓，該現(xiàn)象可導致被加工零件在圓弧象限點處產(chǎn)生臺階痕跡。對此，國產(chǎn)系統(tǒng)提供了兩種過象限誤差補償方法。
( 2) 五軸聯(lián)動加工時零件表面光度差發(fā)現(xiàn)零件表面光度差，通過在線調(diào)試與優(yōu)化軟件SSTT 分析，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位置和速度指令均正常，但實際反饋速度波動異常。分析原因認為主要是由于
VMC35120U 機床均為硬軌結(jié)構(gòu)，導軌接觸面積大，機床各軸慣量大，導致伺服驅(qū)動速度環(huán)參數(shù)無法進一步提升，動態(tài)響應性能較差造成的。具體解決方法是通過調(diào)整陷波器參數(shù)( 伺服參數(shù) 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 地 提 高 速 度 比 例 增 益 ( 伺 服 參 數(shù)PA2) ，減小速度波動。
( 3) 五軸 ＲTCP 程序加工過程中復位時振動明顯，且有異響聲。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，面板復位按鍵觸發(fā)的復位動作在收到當前移動軸的零速到達信號之前就發(fā)出取消移動指令，造成各軸緊急停止。具體解決方法是修改運動控制邏輯，復位時等待軸運動停止后再執(zhí)行復位動作，防止各軸緊急停止造成的振動問題。
4 、結(jié)語
以進口先進數(shù)控機床為應用對象，通過國產(chǎn)系統(tǒng)對原裝數(shù)控系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代，完成了國產(chǎn)系統(tǒng)在航空領域的批量化示范應用，同時實現(xiàn)了國產(chǎn)五軸聯(lián)動高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空領域應用的重大突破。歷時 5 年共有 35 臺套國產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)標準件試切合格后正式投入航空關鍵結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線中，實踐應用證明數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)化替代后能夠恢復機床原有加工精度和性能水平，實際生產(chǎn)中系統(tǒng)運行穩(wěn)定，基本滿足了航空關鍵結(jié)構(gòu)件加工的需求。根據(jù)數(shù)字化車間網(wǎng)絡對投入使用的國產(chǎn)系統(tǒng)運行故障記錄與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，參照 GJB －899A－2009《可靠性鑒定和驗收試驗》中的定時試驗分析方法推算得到，該批投入航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)線中的國產(chǎn)高檔系統(tǒng)實測平均無故障時間( MTBF) 已高于 20 000 h，達到了預期目的。
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