五軸聯(lián)動國產數(shù)控系統(tǒng)在航空加工中的應用與驗證*＊

劉本剛 趙 寧 陳小娟

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110034)

高檔數(shù)控系統(tǒng)是國家戰(zhàn)略性物資，是高端制造產業(yè)鏈的核心，是決定數(shù)控設備功能和性能的關鍵功能部件。由于高檔數(shù)控系統(tǒng)關系到產業(yè)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(jiān)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(fā)展。當前，國際形勢復雜、地緣環(huán)境惡化，國防安全面臨挑戰(zhàn)，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(yè)控制系統(tǒng)存在巨大的安全隱患。長期以來，由于國產加工設備、尤其是國產高檔數(shù)控系統(tǒng)技術的落后，使國內航空企業(yè)處境尷尬。多年來，對國外技術的嚴重依賴不僅使我們總處于被動地位，而且時刻擔心國防安全隱患，尤其是數(shù)控系統(tǒng)，直接關系到航空企業(yè)的生產機密和安全性。

因此，大力發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)，保護我國航空業(yè)的國防安全和經濟安全引起了相關部門的高度重視。在“高檔數(shù)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(shù)控系統(tǒng)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(shù)字高檔數(shù)控系統(tǒng)、飛機結構件加工生產線作為標志性成果。在《關于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決定》確定的“高端裝備制造產業(yè)”中，排在首位的就是“重點發(fā)展以干支線飛機和通用飛機為主的航空裝備，做大做強航空產業(yè)”。同時，“大飛機”相關重大專項和重大工程的開展對國產數(shù)控系統(tǒng)，特別是能滿足航空等領域的國產高性能數(shù)控系統(tǒng)提出了前所未有的迫切需求。目前，“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技專項中，國產高性能數(shù)控系統(tǒng)已取得諸多重大階段性成果，因此，迫切需要在航空領域開展國產系統(tǒng)的應用驗證，進而實現(xiàn)國產高性能數(shù)控系統(tǒng)在航空復雜結構件生產應用中的突破，提升國產數(shù)控系統(tǒng)性能并增強應用示范效應。

1 國產高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空領域生產中的應用與驗證

作為數(shù)控機床的“大腦”，數(shù)控系統(tǒng)歷來是制約我國機床行業(yè)向高端發(fā)展的技術瓶頸。由于自身技術落后，國內的機床制造廠家不敢采用國產數(shù)控系統(tǒng)，作為終端用戶的航空企業(yè)就更不敢輕易地“越雷池一步”。為支持科技重大專項“需求導向”的實施原則及“首臺首套應用示范工程”的構思，盡快實現(xiàn)國產高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空領域的應用，沈飛積極、大膽地將數(shù)控加工廠生產線上正在運行的進口數(shù)控機床作為國產高檔數(shù)控系統(tǒng)的應用示范對象，即直接在重點車間工件加工生產線上對國產高檔數(shù)控系統(tǒng)功能和性能進行應用驗證，這在國內航空企業(yè)尚無先例。

2013年2月，在沈飛率先使用華中8 型數(shù)控系統(tǒng)(圖1 所示)和電氣系統(tǒng)完成了第1 套進口三坐標立式加工中心的國產化數(shù)控系統(tǒng)替代。系統(tǒng)替代前，該加工中心已連續(xù)在生產線上運行14年，電氣系統(tǒng)基本老化，精度完全喪失。采用了國產數(shù)控系統(tǒng)后，該加工中心實現(xiàn)了全閉環(huán)控制，定位精度達到5 μm，經NAS 件試切合格后已投入正式生產。截至目前，已在生產線上正常運行18 個月以上。該套數(shù)控系統(tǒng)的成功應用替代了進口數(shù)控系統(tǒng)，填補了國產數(shù)控系統(tǒng)在航空關鍵零部件制造中應用的空白。如圖2 所示是進口的三坐標立式加工中心。

基于前階段對12 臺不同型號三坐標立式加工中心實施國產化數(shù)控系統(tǒng)替代的經驗，2013年12月起，沈飛聯(lián)合華中數(shù)控對上世紀90年代進口法國FORESTLINE 公司的大型雙龍門五坐標銑床(原數(shù)控系統(tǒng)SIEMENS-840C)進行數(shù)控系統(tǒng)國產化替代，該機床曾是航空結構件加工的核心設備，如圖3 所示。2009年因系統(tǒng)故障和缺乏進口備件而無法使用。期間，曾由一家國內數(shù)控廠試圖對該機床進行改造，結果以失敗告終。

此次采用華中8 型848C 系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了雙軸同步控制技術、多種RTCP 機床結構技術、構建了五軸機床結構運動學坐標變換的模型庫，參數(shù)化設置描述五軸機床的運動學結構，對各類結構五軸機床的在機后置處理技術、高速和高精技術、高響應和高精度伺服動態(tài)控制技術、智能化的伺服調整與自動優(yōu)化技術。經過長達4 個月的現(xiàn)場安裝調試，機床的性能、加工精度及穩(wěn)定性恢復到了原機床出廠水平，經過標準S 件試切檢驗，精度達到0.08 mm，其五軸聯(lián)動加工的靜態(tài)和動態(tài)精度滿足了對復雜航空結構件的加工精度要求，數(shù)控系統(tǒng)的主要指標已達到國外高檔數(shù)控系統(tǒng)的指標要求。這是國產五軸聯(lián)動高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空制造業(yè)中應用成功的首例，替代了進口數(shù)控系統(tǒng)。S 試件試切試驗視頻截圖及加工的S 試件如圖4、5 所示。

目前，該大型雙龍門銑床已投入正式生產，如圖7所示。投入生產后，其主要承擔了某梁、框、肋等關鍵大型、復雜、精密航空結構件的加工，部分零件結構示意圖如7 所示。目前，已完成多批，共幾十個零件的加工，機床各項功能正常，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定。

2 結語

國產高檔數(shù)控系統(tǒng)成功替代進口系統(tǒng)，為國內航空企業(yè)探索了一條替代進口數(shù)控系統(tǒng)以及系統(tǒng)深度應用開發(fā)的新途徑。總之，國產數(shù)控系統(tǒng)與進口數(shù)控系統(tǒng)相比較，具有顯著優(yōu)點:國產數(shù)控系統(tǒng)是全中文操控界面，易于學習、掌握操作技巧;其次，國產數(shù)控系統(tǒng)操作符合國人邏輯，這為現(xiàn)場安裝調試和維護提供了極大便利;更重要的是，國產數(shù)控系統(tǒng)能夠開放足夠多的數(shù)據交換接口，使系統(tǒng)功能擴展非常靈活、方便，還可避免植入后門程序等，保證系統(tǒng)軟件純凈，極大提高了加工數(shù)據的安全性。另外，國產數(shù)控系統(tǒng)技術服務與支持非常便捷。同時，在經濟效益方面優(yōu)勢突出，國產數(shù)控系統(tǒng)的性價比非常高。

目前，正與數(shù)控系統(tǒng)生產廠對另兩臺進口五坐標加工中心進行數(shù)控系統(tǒng)國產化替代，基于上述首套國產五軸數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場實施和應用驗證經驗，雙方將繼續(xù)深入開展研究、開發(fā)和應用驗證，進一步增強自主創(chuàng)新能力，提高自主化水平，推動產業(yè)升級，對全面完成國產高檔數(shù)控系統(tǒng)在航空領域的示范應用具有重要意義。

［1］武漢華中數(shù)控.華中8 型數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)說明書［Z］.2013.

［2］武漢華中數(shù)控.HSV-180UD 系列交流伺服驅動單元使用說明書［Z］.2013.

［3］武漢華中數(shù)控.華中8 型數(shù)控系統(tǒng)用戶使用說明書［Z］.2013.

［4］武漢華中數(shù)控.華中8 型數(shù)控系統(tǒng)PLC 編程說明書［Z］.2013.

［5］鄒方.PLC 實現(xiàn)機床主軸自動換擋［J］.航空制造技術，1999(5):53-56.

［6］FOREST-LINE.GIGAMILL 29LS/5 Maintenance manual［Z］.2000.

［7］鄧星鐘.機電傳動控制［M］.武漢:華中科技大學出版社，2000.