面向航空領(lǐng)域的高檔數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

面向航空領(lǐng)域的高檔數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

高端數(shù)字網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是國(guó)家戰(zhàn)略材料和高質(zhì)量制造產(chǎn)業(yè)鏈的核心。這是決定數(shù)字設(shè)備功能和性能的重要因素。由于高檔數(shù)控系統(tǒng)關(guān)系到產(chǎn)業(yè)安全與國(guó)家安全,即使在全球一體化的今天,西方國(guó)家和日本仍對(duì)中國(guó)實(shí)行出口限制和監(jiān)督使用政策,并且有更加嚴(yán)格的趨勢(shì)以限制中國(guó)國(guó)防技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前,國(guó)際形勢(shì)復(fù)雜、地緣環(huán)境惡化,國(guó)防安全面臨挑戰(zhàn),從“考斯克報(bào)告”、“伊朗離心機(jī)事件”到“棱鏡門事件”,似乎都在印證工業(yè)控制系統(tǒng)存在巨大的安全隱患。我國(guó)的高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)過幾個(gè)五年計(jì)劃的技術(shù)攻關(guān),已開始在國(guó)內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)推廣應(yīng)用。但因缺少成套解決方案,目前國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)所使用的數(shù)控系統(tǒng)仍以進(jìn)口為主,即使應(yīng)用國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)也只在粗加工中使用。因此,在“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)中,特別將掌握高檔數(shù)控系統(tǒng)等關(guān)鍵部件核心技術(shù)作為專項(xiàng)“十二五”的重點(diǎn)任務(wù),并將全數(shù)字高檔數(shù)控系統(tǒng)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工生產(chǎn)線作為標(biāo)志性成果。同時(shí),其他相關(guān)重大專項(xiàng)和重大工程的開展對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng),特別是對(duì)滿足航空等領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)高性能數(shù)控系統(tǒng)提出了前所未有的迫切需求。1面向航空領(lǐng)域的可提供套種解決方案在航空制造領(lǐng)域,因加工工件的復(fù)雜性,要求數(shù)控系統(tǒng)廠商具有系列化產(chǎn)品的同時(shí),應(yīng)能提供成套解決方案,如Siemens公司基于其840D產(chǎn)品形成的面向航空領(lǐng)域的成套解決方案(SINUMERIKforAerospace)。目前,國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)已在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用方面取得了重大階段性成果。1.1高速滑動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)(1)高速高精集成控制技術(shù)。數(shù)控加工追求的是高速、高精和高表面質(zhì)量,但在實(shí)際加工中,它們相互制約,并不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。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(gè)高速加工循環(huán)。該循環(huán)為3種不同的加工需求分別設(shè)置與之相適應(yīng)的加工策略,使用時(shí)僅需根據(jù)需求調(diào)用一個(gè)預(yù)定義的程序指令即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的參數(shù)設(shè)置和加工工藝匹配。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)并不支持該功能,且現(xiàn)有對(duì)速度規(guī)劃算法的研究大都僅考慮當(dāng)前路徑的速度平滑過渡,未考慮相鄰軌跡間的關(guān)系,導(dǎo)致軌跡間相鄰點(diǎn)速度差異較大,影響了加工表面的質(zhì)量其中,粗加工模式針對(duì)航空結(jié)構(gòu)件中鋁合金材料去除率大的要求,采用效率優(yōu)先的加工策略,首先對(duì)加工路徑動(dòng)態(tài)鏈接,然后通過微小程序段預(yù)處理技術(shù)提高轉(zhuǎn)角過渡速度,并采用速度優(yōu)先插補(bǔ)技術(shù)加工鏈接后的路徑。半精加工模式針對(duì)加工精度要求,采用精度優(yōu)先的加工策略,首先采用程序段壓縮技術(shù),將多個(gè)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(duì)生成的樣條曲線進(jìn)行插補(bǔ)。精加工模式針對(duì)加工表面高質(zhì)量的特殊要求,采用表面質(zhì)量?jī)?yōu)先的加工策略,首先對(duì)加工路徑做光順處理,然后在插補(bǔ)時(shí)利用相鄰加工路徑之間的相似性,實(shí)現(xiàn)了相鄰路徑間速度的平滑過渡。專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫能在不斷加工的過程中訓(xùn)練該系統(tǒng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。(2)平滑矢量控制技術(shù)。線性插補(bǔ)通過控制旋轉(zhuǎn)角度的線性變化完成旋轉(zhuǎn)軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng),由于旋轉(zhuǎn)軸角度與刀軸矢量間的非線性關(guān)系,刀軸矢量偏離加工表面產(chǎn)生非線性誤差但是矢量插補(bǔ)存在以下問題:·在五軸聯(lián)動(dòng)加工中,刀軸矢量的平滑過渡不能保證旋轉(zhuǎn)軸的平滑運(yùn)動(dòng),尤其是當(dāng)?shù)遁S矢量接近機(jī)構(gòu)奇異點(diǎn)時(shí)會(huì)引起旋轉(zhuǎn)軸的劇烈震動(dòng),導(dǎo)致伺服報(bào)警,甚至損傷機(jī)床部件。如圖4所示是采用線性插補(bǔ)和矢量插補(bǔ)時(shí),在奇異點(diǎn)附近的旋轉(zhuǎn)軸角速度曲線·工件坐標(biāo)系下矢量編程無法考慮機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)性能,如果進(jìn)給速度較大,會(huì)導(dǎo)致刀具矢量較大變化,對(duì)機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大沖擊針對(duì)以上問題,在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)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(chǔ)上,根據(jù)刀具姿態(tài)誤差要求,通過增加線性插補(bǔ)段來實(shí)現(xiàn)五軸加工過程中刀軸矢量的連續(xù)平滑控制。采用了3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):·五軸數(shù)控系統(tǒng)刀心點(diǎn)插補(bǔ)路徑插值方法:綜合考慮機(jī)床動(dòng)力學(xué)約束和加工路徑約束,通過在實(shí)時(shí)插補(bǔ)中完成工件坐標(biāo)系下編程指令到機(jī)床控制點(diǎn)的轉(zhuǎn)換,來實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的五軸加工刀具中心點(diǎn)插補(bǔ);·五軸加工刀具空間姿態(tài)誤差分析;·基于刀具姿態(tài)誤差控制的矢量插補(bǔ),通過在矢量插值過程中插入線性插補(bǔ)段來保證奇異點(diǎn)附近矢量插補(bǔ)的平穩(wěn)連續(xù)。試驗(yàn)表明,使用矢量平滑處理后的旋轉(zhuǎn)軸速度波動(dòng)明顯變小,在保證肋板精度的同時(shí),矢量插補(bǔ)時(shí)間由5.6s縮短為5s。(3)光滑TCP控制技術(shù)?，F(xiàn)有五軸數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)CAM系統(tǒng)獲得的微小多面體創(chuàng)建CNC程序段,并采用旋轉(zhuǎn)軸跟隨線性軸的插補(bǔ)方式來實(shí)現(xiàn)五軸高速加工·超出機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與角加速度的限制;·進(jìn)給速度與加速度的不連續(xù)性,導(dǎo)致工件平面出現(xiàn)棱角或波紋、機(jī)床加工誤差大、加工效果粗糙等問題·加工中旋轉(zhuǎn)軸的頻繁加減速變化。針對(duì)該問題,提出了基于旋轉(zhuǎn)軸位置修正的高速光滑TCP方法,流程如圖6所示。其中,對(duì)加工指令的擴(kuò)充,能夠根據(jù)不同的加工工藝要求采用對(duì)加工指令點(diǎn)進(jìn)行平滑處理。待修正區(qū)域的確定主要根據(jù)加工精度要求和機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸最大角速度與角加速度限制,確定刀具姿態(tài)誤差最大值和對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)幅度與轉(zhuǎn)動(dòng)速度限制條件,將不滿足上述條件的區(qū)域確定為待修正區(qū)域。旋轉(zhuǎn)軸位置修正對(duì)待修正區(qū)域依據(jù)等幅旋轉(zhuǎn)法則實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸位置修正。軌跡重計(jì)算是在保證刀具切觸點(diǎn)坐標(biāo)不變的情況下,依據(jù)修正后的旋轉(zhuǎn)軸角度,重新計(jì)算各刀具切觸點(diǎn)處刀軸矢量值。以葉輪一個(gè)葉片為例,采用不同算法對(duì)葉片進(jìn)行加工時(shí)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(shù)對(duì)比見表1。結(jié)果表明,采用TCP光滑控制技術(shù)明顯減小了非線性誤差,提高了加工精度,還避免了旋轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)自適應(yīng)的雙組分法刑事數(shù)據(jù)處理(1)五軸機(jī)床校驗(yàn)與優(yōu)化補(bǔ)償技術(shù)。五軸RTCP加工時(shí),加工程序基于沒有誤差的機(jī)床結(jié)構(gòu)模型和工件的基準(zhǔn)位置針對(duì)上述問題,提出了一種智能誤差補(bǔ)償方法。通過對(duì)測(cè)量出的空間內(nèi)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行回歸分析,計(jì)算出各參數(shù)實(shí)際位置與基準(zhǔn)位置的偏離矢量,并自動(dòng)輸入到結(jié)構(gòu)補(bǔ)償參數(shù)表中,由數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)完成補(bǔ)償(圖10)。解決以下問題:·運(yùn)動(dòng)測(cè)量循環(huán)指令擴(kuò)充可以方便快捷地對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)誤差進(jìn)行校對(duì),同時(shí)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄保存;·結(jié)構(gòu)誤差智能求解方法主要是根據(jù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量循環(huán)得到的刀具相對(duì)于機(jī)床空間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡,使用智能回歸方程進(jìn)行回歸分析,求機(jī)床實(shí)際結(jié)構(gòu)相對(duì)于基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的位置偏置量,并輸入到機(jī)床結(jié)構(gòu)補(bǔ)償參數(shù)表中;·工件位置測(cè)量循環(huán)指令擴(kuò)充可以快捷地確定工件是否夾緊和工件實(shí)際裝夾位置與編程時(shí)的工件基準(zhǔn)位置的位置和方向誤差,確定裝夾工件坐標(biāo)系相對(duì)于編程基準(zhǔn)坐標(biāo)系的原點(diǎn)偏移量、方向偏移量;·工件位置誤差補(bǔ)償方法主要是根據(jù)編程指令計(jì)算出刀具的位置和方向,結(jié)合測(cè)量出的工件位置偏移量進(jìn)行編程坐標(biāo)系重新定向,并對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行最優(yōu)運(yùn)動(dòng)求解,自動(dòng)調(diào)整加工過程,縮短工件找正時(shí)間。(2)參數(shù)在線調(diào)試與優(yōu)化技術(shù)。伺服系統(tǒng)通常采用更復(fù)雜的控制方法來提高控制效果,在工程上根據(jù)實(shí)際工況需要調(diào)整的參數(shù)越來越多,且參數(shù)相互影響,關(guān)系復(fù)雜,所以要使伺服達(dá)到好的控制效果,調(diào)整參數(shù)是一項(xiàng)細(xì)致而且繁瑣的工作,對(duì)技術(shù)人員要求比較高。為此,提出了一種采用重要參數(shù)識(shí)別和最優(yōu)調(diào)整算法相結(jié)合的技術(shù)來解決伺服參數(shù)調(diào)整中的難點(diǎn)問題。重要參數(shù)識(shí)別對(duì)伺服系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。利用自適應(yīng)辨識(shí)器來實(shí)現(xiàn)慣量辨識(shí),利用負(fù)載擾動(dòng)觀測(cè)器實(shí)時(shí)觀測(cè)負(fù)載擾動(dòng)的變化,利用機(jī)械分析器獲取振動(dòng)特性,這些信息將成為參數(shù)調(diào)整算法的輸入。最優(yōu)調(diào)整算法對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)重要參數(shù)識(shí)別所獲取的信息,利用與受控對(duì)象等效的模型和整定機(jī)構(gòu),進(jìn)行參數(shù)實(shí)時(shí)自調(diào)整,以使指定的伺服參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。將優(yōu)化后的伺服系統(tǒng)參數(shù)保存并提供給用戶,以作參考或進(jìn)行人工二次特殊調(diào)整。1.3機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)DNC系統(tǒng)采用B/S與C/S架構(gòu),利用現(xiàn)有硬件設(shè)施接入。該系統(tǒng)重點(diǎn)解決以下難點(diǎn):(1)數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化功能接口。(2)分布式程序網(wǎng)絡(luò)化傳輸管理系統(tǒng)。采用高性能易擴(kuò)展的軟件架構(gòu),構(gòu)建分布式程序網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)器和客戶端,滿足數(shù)控系統(tǒng)加工程序高速、穩(wěn)定的遠(yuǎn)程傳輸需要。(3)車間機(jī)床狀態(tài)實(shí)施采集與監(jiān)控系統(tǒng),包括車間整體機(jī)床實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控,單臺(tái)機(jī)床實(shí)時(shí)監(jiān)控等。(4)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng),包括設(shè)備利用率、故障統(tǒng)計(jì)和檔案管理等功能。圖11是基于以上開發(fā)的DNC系統(tǒng)界面截圖。2高端發(fā)展的技術(shù)瓶頸作為數(shù)控機(jī)床的“大腦”,數(shù)控系統(tǒng)歷來是制約我國(guó)制造業(yè)向高端發(fā)展的技術(shù)瓶頸。為盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用,以現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的進(jìn)口數(shù)控機(jī)床作為國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象,開展系統(tǒng)功能、性能應(yīng)用驗(yàn)證,逐步替代進(jìn)口系統(tǒng)。2.1國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)替代工中心2013年2月,使用華中8型數(shù)控系統(tǒng)(圖12)和電氣系統(tǒng)完成了第一套進(jìn)口三坐標(biāo)立式加工中心(圖13)的國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)替代。該加工中心已連續(xù)在生產(chǎn)線上使用14年,精度已基本喪失。系統(tǒng)替代后,該加工中心實(shí)現(xiàn)了全閉環(huán)控制,定位精度達(dá)到5μm,經(jīng)NAS件試切合格后已投入正式生產(chǎn)。該套數(shù)控系統(tǒng)的成功應(yīng)用填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在航空關(guān)鍵零部件制造應(yīng)用中的空白。2.2rtcp機(jī)床產(chǎn)品基于前期19臺(tái)不同型號(hào)三坐標(biāo)加工中心國(guó)產(chǎn)化數(shù)控系統(tǒng)替代的經(jīng)驗(yàn),2013年12月起,對(duì)90年代進(jìn)口法國(guó)FOREST-LINE公司的大型雙龍門五坐標(biāo)銑床(原數(shù)控系統(tǒng)SIEMENS-840C)進(jìn)行系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化替代,該機(jī)床曾是航空結(jié)構(gòu)件加工的核心設(shè)備,如圖14所示。此次采用華中8型848C系統(tǒng),在上述關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)上,該系統(tǒng)還使用了雙軸同步控制技術(shù)、多種RTCP機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)等,最終使機(jī)床性能、加工精度及穩(wěn)定性恢復(fù)到了原機(jī)床出廠水平,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)S件試切檢驗(yàn),精度達(dá)0.08mm,如圖15、16所示。其五軸聯(lián)動(dòng)加工的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度滿足了對(duì)復(fù)雜航空結(jié)構(gòu)件的加工精度要求,這是國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空制造業(yè)中應(yīng)用成功的首例,替代了進(jìn)口高檔數(shù)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)五坐標(biāo)高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空領(lǐng)域生產(chǎn)應(yīng)用中“零”的突破。3國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)口系統(tǒng)中的應(yīng)用性能越高,初步國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)成功替代進(jìn)口系統(tǒng),為國(guó)內(nèi)航空企業(yè)探索了一條替代進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)以及系統(tǒng)深度應(yīng)用開發(fā)的新途徑。隨著國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解決能力不斷提升,系統(tǒng)應(yīng)用性能會(huì)