面向航空領域的高檔數控系統關鍵技術研發

高端數字網絡系統是國家戰略材料和高質量制造產業鏈的核心。這是決定數字設備功能和性能的重要因素。由于高檔數控系統關系到產業安全與國家安全,即使在全球一體化的今天,西方國家和日本仍對中國實行出口限制和監督使用政策,并且有更加嚴格的趨勢以限制中國國防技術的發展。當前,國際形勢復雜、地緣環境惡化,國防安全面臨挑戰,從“考斯克報告”、“伊朗離心機事件”到“棱鏡門事件”,似乎都在印證工業控制系統存在巨大的安全隱患。我國的高檔數控系統技術經過幾個五年計劃的技術攻關,已開始在國內重點企業推廣應用。但因缺少成套解決方案,目前國內航空制造企業所使用的數控系統仍以進口為主,即使應用國產數控系統也只在粗加工中使用。因此,在“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項中,特別將掌握高檔數控系統等關鍵部件核心技術作為專項“十二五”的重點任務,并將全數字高檔數控系統、飛機結構件加工生產線作為標志性成果。同時,其他相關重大專項和重大工程的開展對國產數控系統,特別是對滿足航空等領域的國產高性能數控系統提出了前所未有的迫切需求。1面向航空領域的可提供套種解決方案在航空制造領域,因加工工件的復雜性,要求數控系統廠商具有系列化產品的同時,應能提供成套解決方案,如Siemens公司基于其840D產品形成的面向航空領域的成套解決方案(SINUMERIKforAerospace)。目前,國產系統已在關鍵技術研發和五軸聯動高檔數控系統應用方面取得了重大階段性成果。1.1高速滑動控制方案設計(1)高速高精集成控制技術。數控加工追求的是高速、高精和高表面質量,但在實際加工中,它們相互制約,并不能同時達到最優。若將加工類型與不同需求相匹配的加工工藝組合起來,即可組成一個高速加工循環。該循環為3種不同的加工需求分別設置與之相適應的加工策略,使用時僅需根據需求調用一個預定義的程序指令即可自動實現相關的參數設置和加工工藝匹配。國內現有的數控系統并不支持該功能,且現有對速度規劃算法的研究大都僅考慮當前路徑的速度平滑過渡,未考慮相鄰軌跡間的關系,導致軌跡間相鄰點速度差異較大,影響了加工表面的質量其中,粗加工模式針對航空結構件中鋁合金材料去除率大的要求,采用效率優先的加工策略,首先對加工路徑動態鏈接,然后通過微小程序段預處理技術提高轉角過渡速度,并采用速度優先插補技術加工鏈接后的路徑。半精加工模式針對加工精度要求,采用精度優先的加工策略,首先采用程序段壓縮技術,將多個程序段壓縮成平滑的樣條曲線,然后采用S曲線加減速控制方法對生成的樣條曲線進行插補。精加工模式針對加工表面高質量的特殊要求,采用表面質量優先的加工策略,首先對加工路徑做光順處理,然后在插補時利用相鄰加工路徑之間的相似性,實現了相鄰路徑間速度的平滑過渡。專家系統數據庫能在不斷加工的過程中訓練該系統,進而實現加工參數的自適應調整。(2)平滑矢量控制技術。線性插補通過控制旋轉角度的線性變化完成旋轉軸的插補運動,由于旋轉軸角度與刀軸矢量間的非線性關系,刀軸矢量偏離加工表面產生非線性誤差但是矢量插補存在以下問題:·在五軸聯動加工中,刀軸矢量的平滑過渡不能保證旋轉軸的平滑運動,尤其是當刀軸矢量接近機構奇異點時會引起旋轉軸的劇烈震動,導致伺服報警,甚至損傷機床部件。如圖4所示是采用線性插補和矢量插補時,在奇異點附近的旋轉軸角速度曲線·工件坐標系下矢量編程無法考慮機床的實際運動性能,如果進給速度較大,會導致刀具矢量較大變化,對機床的旋轉軸運動產生較大沖擊針對以上問題,在數控系統內實現了旋轉軸矢量平滑控制功能,如圖5所示,p為加工位置刀具中心總位置矢量,q為該處刀軸方向矢量。在矢量插值基礎上,根據刀具姿態誤差要求,通過增加線性插補段來實現五軸加工過程中刀軸矢量的連續平滑控制。采用了3項關鍵技術:·五軸數控系統刀心點插補路徑插值方法:綜合考慮機床動力學約束和加工路徑約束,通過在實時插補中完成工件坐標系下編程指令到機床控制點的轉換,來實現平穩的五軸加工刀具中心點插補;·五軸加工刀具空間姿態誤差分析;·基于刀具姿態誤差控制的矢量插補,通過在矢量插值過程中插入線性插補段來保證奇異點附近矢量插補的平穩連續。試驗表明,使用矢量平滑處理后的旋轉軸速度波動明顯變小,在保證肋板精度的同時,矢量插補時間由5.6s縮短為5s。(3)光滑TCP控制技術?，F有五軸數控系統依據CAM系統獲得的微小多面體創建CNC程序段,并采用旋轉軸跟隨線性軸的插補方式來實現五軸高速加工·超出機床轉動角速度與角加速度的限制;·進給速度與加速度的不連續性,導致工件平面出現棱角或波紋、機床加工誤差大、加工效果粗糙等問題·加工中旋轉軸的頻繁加減速變化。針對該問題,提出了基于旋轉軸位置修正的高速光滑TCP方法,流程如圖6所示。其中,對加工指令的擴充,能夠根據不同的加工工藝要求采用對加工指令點進行平滑處理。待修正區域的確定主要根據加工精度要求和機床旋轉軸最大角速度與角加速度限制,確定刀具姿態誤差最大值和對應旋轉軸轉動幅度與轉動速度限制條件,將不滿足上述條件的區域確定為待修正區域。旋轉軸位置修正對待修正區域依據等幅旋轉法則實現旋轉軸位置修正。軌跡重計算是在保證刀具切觸點坐標不變的情況下,依據修正后的旋轉軸角度,重新計算各刀具切觸點處刀軸矢量值。以葉輪一個葉片為例,采用不同算法對葉片進行加工時的非線性加工誤差曲線、五軸速度曲線如圖7所示,性能參數對比見表1。結果表明,采用TCP光滑控制技術明顯減小了非線性誤差,提高了加工精度,還避免了旋轉軸速度變化引起頻繁加減速等,提高了加工效率。1.2基于雙程序和動態自適應的雙組分法刑事數據處理(1)五軸機床校驗與優化補償技術。五軸RTCP加工時,加工程序基于沒有誤差的機床結構模型和工件的基準位置針對上述問題,提出了一種智能誤差補償方法。通過對測量出的空間內刀具運動軌跡進行回歸分析,計算出各參數實際位置與基準位置的偏離矢量,并自動輸入到結構補償參數表中,由數控系統自動完成補償(圖10)。解決以下問題:·運動測量循環指令擴充可以方便快捷地對機床結構誤差進行校對,同時系統對測量結果進行記錄保存;·結構誤差智能求解方法主要是根據運動測量循環得到的刀具相對于機床空間的實際運動軌跡,使用智能回歸方程進行回歸分析,求機床實際結構相對于基準結構的位置偏置量,并輸入到機床結構補償參數表中;·工件位置測量循環指令擴充可以快捷地確定工件是否夾緊和工件實際裝夾位置與編程時的工件基準位置的位置和方向誤差,確定裝夾工件坐標系相對于編程基準坐標系的原點偏移量、方向偏移量;·工件位置誤差補償方法主要是根據編程指令計算出刀具的位置和方向,結合測量出的工件位置偏移量進行編程坐標系重新定向,并對旋轉軸進行最優運動求解,自動調整加工過程,縮短工件找正時間。(2)參數在線調試與優化技術。伺服系統通常采用更復雜的控制方法來提高控制效果,在工程上根據實際工況需要調整的參數越來越多,且參數相互影響,關系復雜,所以要使伺服達到好的控制效果,調整參數是一項細致而且繁瑣的工作,對技術人員要求比較高。為此,提出了一種采用重要參數識別和最優調整算法相結合的技術來解決伺服參數調整中的難點問題。重要參數識別對伺服系統運行數據進行實時采集和分析。利用自適應辨識器來實現慣量辨識,利用負載擾動觀測器實時觀測負載擾動的變化,利用機械分析器獲取振動特性,這些信息將成為參數調整算法的輸入。最優調整算法對伺服參數進行最優化調整。根據重要參數識別所獲取的信息,利用與受控對象等效的模型和整定機構,進行參數實時自調整,以使指定的伺服參數達到最優。將優化后的伺服系統參數保存并提供給用戶,以作參考或進行人工二次特殊調整。1.3機床監控系統網絡DNC系統采用B/S與C/S架構,利用現有硬件設施接入。該系統重點解決以下難點:(1)數控系統網絡化功能接口。(2)分布式程序網絡化傳輸管理系統。采用高性能易擴展的軟件架構,構建分布式程序網絡傳輸服務器和客戶端,滿足數控系統加工程序高速、穩定的遠程傳輸需要。(3)車間機床狀態實施采集與監控系統,包括車間整體機床實時狀態監控,單臺機床實時監控等。(4)統計分析系統,包括設備利用率、故障統計和檔案管理等功能。圖11是基于以上開發的DNC系統界面截圖。2高端發展的技術瓶頸作為數控機床的“大腦”,數控系統歷來是制約我國制造業向高端發展的技術瓶頸。為盡快實現國產高檔數控系統在航空領域的應用,以現場運行的進口數控機床作為國產高檔數控系統的應用對象,開展系統功能、性能應用驗證,逐步替代進口系統。2.1國產數控系統替代工中心2013年2月,使用華中8型數控系統(圖12)和電氣系統完成了第一套進口三坐標立式加工中心(圖13)的國產化數控系統替代。該加工中心已連續在生產線上使用14年,精度已基本喪失。系統替代后,該加工中心實現了全閉環控制,定位精度達到5μm,經NAS件試切合格后已投入正式生產。該套數控系統的成功應用填補了國產數控系統在航空關鍵零部件制造應用中的空白。2.2rtcp機床產品基于前期19臺不同型號三坐標加工中心國產化數控系統替代的經驗,2013年12月起,對90年代進口法國FOREST-LINE公司的大型雙龍門五坐標銑床(原數控系統SIEMENS-840C)進行系統國產化替代,該機床曾是航空結構件加工的核心設備,如圖14所示。此次采用華中8型848C系統,在上述關鍵技術研發上,該系統還使用了雙軸同步控制技術、多種RTCP機床結構技術等,最終使機床性能、加工精度及穩定性恢復到了原機床出廠水平,經過標準S件試切檢驗,精度達0.08mm,如圖15、16所示。其五軸聯動加工的靜態和動態精度滿足了對復雜航空結構件的加工精度要求,這是國產五軸聯動高檔數控系統在航空制造業中應用成功的首例,替代了進口高檔數控系統,實現了國產五坐標高檔數控系統在航空領域生產應用中“零”的突破。3國產數控系統在進口系統中的應用性能越高,初步國產高檔數控系統成功替代進口系統,為國內航空企業探索了一條替代進口數控系統以及系統深度應用開發的新途徑。隨著國產高檔數控系統關鍵技術解決能力不斷提升,系統應用性能會