沈陽機床（集團）有限責任公司譚 智

高速/復合數(shù)控機床及關鍵技術創(chuàng)新能力平臺

沈陽機床（集團）有限責任公司譚 智

一、概述

高速/復合數(shù)控機床是軍工、航空航天、能源、發(fā)電設備、精密機床等行業(yè)需要的關鍵工藝裝備,是高性能數(shù)控機床，具有高效、高精度、高復合化的特點，能有效提高零件的加工精度、質(zhì)量和效率，因此在各行業(yè)內(nèi)需求量逐年增加。國內(nèi)目前少有生產(chǎn)高速高精并且性能穩(wěn)定的機床制造廠家,國內(nèi)市場對此類產(chǎn)品的需求主要依賴進口,而需求部門大多是國民經(jīng)濟的重點行業(yè)和國防軍工部門,每年都要大量的從國外如德國、日本、美國等進口,進口設備不僅價格昂貴并且還受到各種制約,設備不易購進,而且維修及售后服務的周期長、費用高。這些因素嚴重影響我國裝備制造業(yè)向高端發(fā)展的進程,所以，進行高速/復合數(shù)控機床及關鍵技術創(chuàng)新能力平臺建設，夯實技術基礎，突破其中的一些關鍵技術，針對用戶需求，開發(fā)一批高檔高速/復合數(shù)控機床、功能部件及自動生產(chǎn)線，對于裝備制造業(yè)，尤其是機床行業(yè)、汽車制造業(yè)、航空航天業(yè)的發(fā)展都有極為重要的帶動作用。

目前，我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)自主開發(fā)能力相對薄弱，尤其是數(shù)控機床在開發(fā)周期、性能、可靠性等方面與國外同類產(chǎn)品差距較大，缺乏有效的創(chuàng)新機制來支撐裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時共性關鍵技術是提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力的基礎，而共性關鍵技術的提高是一個長期的過程，需要一定機制保證下的人力、物力的持續(xù)投入；國內(nèi)機床行業(yè)存在的另一個問題就是行業(yè)需求的驅(qū)動作用不明顯，我國高檔數(shù)控機床的需求90%以上依靠進口解決，嚴重阻礙了我國高檔數(shù)控機床的發(fā)展。因此，以重點行業(yè)用戶的需求為主導，開發(fā)針對性地高檔數(shù)控機床產(chǎn)品及成線技術，并建立長期穩(wěn)定的研發(fā)流程與合作機制，從而有效地利用行業(yè)需求對產(chǎn)品創(chuàng)新的驅(qū)動作用，提升行業(yè)創(chuàng)新能力,是解決我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)自主開發(fā)能力相對不強的有效方法。

“高速/復合數(shù)控機床及關鍵技術創(chuàng)新能力平臺”是以沈陽機床為主體，建設起比較完備的科研設施條件，健全企業(yè)和“產(chǎn)、學、研”相結合的技術創(chuàng)新體系。在平臺建設中優(yōu)化全行業(yè)創(chuàng)新資源配置，充分利用已有資源，實施相關共性與關鍵技術的研究，突破單元技術瓶頸，開發(fā)一批高檔高速/復合數(shù)控機床、功能部件和自動生產(chǎn)線，并使之成為高檔數(shù)控機床研究開發(fā)的重要技術支撐和人才集聚基地，從而提升行業(yè)在高速/復合數(shù)控機床研發(fā)上的創(chuàng)新能力。

在研發(fā)團隊建設上是以沈陽機床為主體，由北京航空航天大學、同濟大學、西安交通大學參與共同組建一流的核心研發(fā)團隊，在此基礎上通過創(chuàng)新資源的優(yōu)化配置，按需組建由“數(shù)控機床高速精密化技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”的參加單位及行業(yè)用戶組成的科研團隊；通過高速/復合數(shù)控機床綜合性能實驗平臺、單元技術實驗平臺、數(shù)字化設計及知識管理平臺的建設，建成一流的研發(fā)設施和實驗檢測環(huán)境，支撐研發(fā)團隊從事高速/復合數(shù)控機床領域的高水平研究；通過對高速切削理論、高速機床動態(tài)綜合誤差補償?shù)裙残躁P鍵技術的研究，突破高速主軸和高速運動部件等單元技術瓶頸，開發(fā)出高水平的高速/復合數(shù)控機床、功能部件和自動生產(chǎn)線，以滿足航空航天、汽車、發(fā)電設備等領域重點客戶需求，并形成若干國際知名品牌產(chǎn)品。通過創(chuàng)新能力建設，使平臺能夠長期、高效地進行高速/復合數(shù)控機床現(xiàn)有技術和創(chuàng)新技術的成果轉化。通過對核心技術的深入研究，將技術成果向行業(yè)轉移，使平臺成為高速/復合數(shù)控機床領域研究的重要技術支撐力量和人才集聚基地，打造一個集整機研發(fā)、功能部件研發(fā)、關鍵技術研究、用戶工藝整體解決方案于一體的創(chuàng)新能力公共服務平臺，為提高我國高檔數(shù)控機床及裝備制造業(yè)的整體水平做貢獻。

二、平臺建設情況

1.整機性能測試平臺建設

整機性能測試平臺的建設以建立全面的產(chǎn)品性能測試能力和檢測環(huán)境為核心，以建立系統(tǒng)化、科學化的檢測流程和測試方法為根本，以形成各類產(chǎn)品性能優(yōu)化及評價能力為目標，圍繞產(chǎn)品升級換代以及高端產(chǎn)品研發(fā)主題，研究測試技術和測試方法，形成一套從各類整機檢驗測試硬件平臺→整機各項性能檢驗測試流程和方法→全面的產(chǎn)品性能測試及評價能力→成熟可推廣的產(chǎn)業(yè)技術的長效、良性和可推廣的研究路線。技術的重點是開展各類機床檢驗測試環(huán)境建設，并建立相應的檢測流程和方法，最終目的是形成各類產(chǎn)品的性能優(yōu)化及評價能力，針對目前國內(nèi)機床行業(yè)的現(xiàn)狀來說是非常有意義的。

針對高速/復合數(shù)控機床的“高速度、高加速度、動態(tài)性能要求高、發(fā)熱量大、控制性能要求高、工藝復雜”等特點，平臺建設的整機綜合性能測試平臺主要包括動態(tài)特性測試平臺、熱特性測試平臺、伺服優(yōu)化測試平臺、幾何精度測試平臺、可靠性測試平臺、切削驗證平臺六個子平臺。經(jīng)過對整機綜合性能測試平臺的大力建設，目前已經(jīng)具備國內(nèi)領先國際先進的數(shù)控機床整機性能測試能力。

圖1 整機性能測試平臺組成

高速/復合數(shù)控機床綜合性能實驗平臺規(guī)劃的測試內(nèi)容包括：幾何運動精度測試、幾何形狀誤差測試、動態(tài)特性測試、主軸動平衡測試、柔量和滯后測量、靜剛度試驗、動態(tài)變形試驗、熱變形與控制技術、電能測試與分析、旋轉軸的角度精度校準、噪聲測試、多軸聯(lián)動精度測試、溫升測試、抗振性切削試驗、加工精度檢測、生產(chǎn)率試驗、切削穩(wěn)定性試驗、極限切深試驗等，目前整機綜合性能測試平臺擁有性能測試設備150臺套。

2.單元技術實驗平臺建設

高檔數(shù)控機床核心功能部件的性能對機床整機的品質(zhì)起到至關重要的作用，通過單元技術實驗平臺的建設可以細化對高速/復合數(shù)控機床關鍵技術尤其是核心功能部件的研究，排除不確定因素的干擾。在實驗平臺上對核心功能部件的各項性能參數(shù)的測試比整機組裝后的測試既便于操作也更具準確性，對后期關鍵技術的突破提供準確的數(shù)據(jù)基礎，還可以為可靠性設計、工藝參數(shù)優(yōu)化等方面的深入研究提供幫助，并為行業(yè)內(nèi)其他企業(yè)提供測試服務，帶動國內(nèi)機床制造行業(yè)在高速/復合數(shù)控機床技術的整體提升。

圍繞共性技術、可靠性技術等四個方面，平臺建設了四大類功能部件單元技術實驗臺。

圖2 搭建的實驗臺

3.關鍵技術研究

（1）誤差測試與補償技術研究

技術研究目標

將機床誤差通過辨識分類進行研究，將幾何誤差，熱誤差，運動誤差等檢測出來，并分別建模，補償，通過機床的伺服軸，主軸運動控制策略來進行補償，將機床的幾何誤差，熱誤差進行實時的補償，以達到改善機床精度的目的。

測試及補償效果

圖3 定位誤差測試

圖4 主軸誤差分析儀檢測主軸誤差

熱誤差測試完成之后，將熱誤差測試數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)及機床的位置建立熱誤差模型，對溫度數(shù)據(jù)和誤差數(shù)據(jù)在機床伺服軸的相對位置上進行數(shù)據(jù)擬合。得出以溫度值為自變量，熱誤差補償值為函數(shù)值的伺服軸實時補償曲線。

實際建模的時候可以嘗試不同的數(shù)據(jù)擬合運算，以達到對熱誤差精確建模的目的。例如，VMc850p的Y軸的熱誤差測試試驗中，測試曲線如圖5所示，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合的測試誤差實際值與預測值的殘差曲線，如圖6所示，殘差在-2.326~0.178微米范圍內(nèi)。

圖5 各項溫度和誤差曲線圖

圖6 測試誤差實際值與預測值的殘差曲線

通過動態(tài)實時誤差補償軟件，將自動建模軟件得到的機床待補償軸的模型庫加載到動態(tài)實時誤差補償軟件平臺上，通過與CNC的通訊，實現(xiàn)自動的在線實時補償功能。

技術成果

主要形成了熱誤差及綜合誤差建模軟件，針對機床的主軸、伺服軸運動溫升，環(huán)境溫升所引起的位置變化，通過試驗建模建立了熱誤差補償模型，生成預測誤差的補償值，寫入數(shù)控系統(tǒng)，從而控制伺服驅(qū)動機構執(zhí)行補償運算。

（2）五軸聯(lián)動機床精度測試技術研究

技術研究目標

由于五軸機床的復雜性，測試出五軸機床兩個旋轉軸軸線的幾何偏差是非常繁瑣的。本技術研究的目標是通過一種快速高效的測試方法，能夠準確得出五軸機床旋轉軸軸線的幾何偏差。

測試流程

針對雙擺臺式五軸加工中心，該技術的使用流程如圖7所示，包括A軸半徑方向圓測試、A軸軸線方向圓測試、C軸軸線方向圓測試、C軸半徑方向圓測試、幾何偏差計算、幾何偏差補償和補償效果驗證等幾個步驟。計算和補償?shù)膸缀纹?，具體操作步驟如下：

圖7 雙擺臺式五軸加工中心簡圖及各項幾何偏差

圖8 技術使用流程圖

技術應用效果

目前該技術已經(jīng)在我公司生產(chǎn)的VMC0656e雙擺臺式五軸加工中心上進行了應用，應用效果良好。該技術的應用對于提高高速立式五軸加工中心的空間精度具有很大意義，以下是優(yōu)化調(diào)整前的測試數(shù)據(jù)：

圖9 A軸軸線方向及徑向測試結果

圖10 C軸軸線方向及徑向測試結果

表1 通過誤差分離算法計算得出的誤差值

通過技術研究，目前總結了五軸機床旋轉軸軸線幾何偏差測試流程，編寫了誤差自動計算成。該技術的研究成果有力支撐了打造世界品牌，提高機床精度的總體目標。

（3）葉片多軸數(shù)控加工工藝技術研究

技術研究目標

平臺針對多軸數(shù)控加工工藝開展相關關鍵技術研究， 在分析現(xiàn)有葉片單刀加工過程中變形的基礎上，基于雙刀加工原理，根據(jù)葉片單刀加工工藝和表面形狀，研究葉片雙刀加工工藝、雙刀加工軌跡規(guī)劃技術和切削力抵消變形的方法等雙刀加工方法?；趩蔚段遢S加工后置處理方法，結合數(shù)控系統(tǒng)的控制方法，研究了雙刀加工的后置處理技術。

關鍵技術研發(fā)

關鍵技術一：葉片雙刀加工刀具軌跡規(guī)劃技術

結合雙刀加工工藝方法，采用兩把刀具在葉片的葉盆和葉背兩側同時對刀加工，根據(jù)葉片型面的表面幾何數(shù)據(jù)，以優(yōu)化施加在葉盆和葉背兩側切削合力（矩）為優(yōu)化目標，形成雙刀加工的刀具軌跡，并在一條橫截面路徑上驗證雙刀對刀加工路徑軌跡規(guī)劃方法能夠降低葉片變形。在此過程中綜合考慮了銑削方式、精度范圍內(nèi)的步長和行距的規(guī)劃以及干涉問題，結合葉片雙刀加工原理，優(yōu)化并規(guī)劃了雙刀縱向加工的刀具路徑。

關鍵技術二：葉片多軸雙刀加工后置處理

為了驗證雙刀刀具軌跡的有效性以及雙刀加工設備加工的需要，需將切削點軌跡轉化為可執(zhí)行的數(shù)控代碼。根據(jù)刀具切削點軌跡轉化為刀位軌跡，結合雙刀加工機床的結構形式，將雙刀加工刀位軌跡和刀軸矢量經(jīng)過后置處理算法轉換成可被機床識別的G代碼。利用Vericut模擬雙刀機床的加工環(huán)境，仿真驗證了雙刀加工無干涉刀位軌跡的有效性，能夠滿足加工過程的需要。

圖11 技術研發(fā)路線

技術應用效果

根據(jù)葉片多軸加工工藝技術，結合現(xiàn)有葉片五軸加工機床的結構形式，研發(fā)了葉片加工多軸聯(lián)動專用數(shù)控機床，取得了良好效果。

在參考國內(nèi)外葉片單刀數(shù)控加工機床和綜合考慮葉片加工工藝的基礎上，為了滿足因葉片的葉盆和葉背型面曲率的不同引起刀具姿態(tài)和位置的不同，葉片雙刀加工機床擬采用臥式雙面雙工位的結構形式，以及解決兩把刀具移動的不同步誤差，具體結構布局如圖12所示。兩把刀具分別設置直線運動和沿Y軸擺動的自由度，共用工件自身旋轉的回轉軸，其中一側的坐標軸設置為X1、Y1、Z1和B1軸，另一側的坐標軸設置為X2、Y2、Z2和B2軸，工件旋轉軸為A軸，兩側坐標軸通過工件A軸旋轉的位置姿態(tài)，分別調(diào)整X、Y、Z和B軸的進給量以確定滿足加工過程的刀具姿態(tài)。

圖12 葉片雙刀加工機床結構示意圖

4.知識產(chǎn)權

課題在研究過程中，共發(fā)表及投稿科技論文50篇，其中在國外知名刊物發(fā)表論文3篇；課題累計申請專利及軟件著作權36項，其中授權10項：課題形成企業(yè)技術標準11項及9項技術規(guī)范。

三、成果應用與推廣情況

1.技術支撐

（1）支撐重點行業(yè)裝備國產(chǎn)化

平臺支撐了針對重點行業(yè)的關鍵裝備的國產(chǎn)化研發(fā)，對樣機進行的測試及優(yōu)化包括機電耦合參數(shù)優(yōu)化、機床的定位精度和聯(lián)動精度、傳動系統(tǒng)特性、機床能耗、結構靜/動態(tài)特性、直線軸和旋轉軸的靜/動態(tài)特性等。機床結構經(jīng)過多次優(yōu)化，具有足夠的靜態(tài)、動態(tài)及熱態(tài)剛性，保證了系統(tǒng)具有良好的動態(tài)品質(zhì)，為重點用戶提供了性能優(yōu)異的國產(chǎn)高速復合數(shù)控機床。

圖13 為成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司提供國產(chǎn)化裝備

圖14 為沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司提供國產(chǎn)化裝備

（2）支撐重點領域設備成線應用

平臺依托建成的軟硬件條件近年來對沈陽機床自動線產(chǎn)品在軸承行業(yè)、齒輪、工程機械、電梯、電機、傳動軸、輪轂、小型通用件等行業(yè)的應用進行了技術支撐，提升了沈陽機床產(chǎn)品的整體品質(zhì)與穩(wěn)定性，獲得了用戶的認可與好評，近年來累計提供成線設備300多臺套。

圖15 支撐重點領域的設備成線應用

（3）支撐世界首款智能數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)優(yōu)化

圖16 支撐世界首款智能數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)優(yōu)化

創(chuàng)新平臺課題組與沈陽機床上海研究院i5智能數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)團隊針對i5系統(tǒng)機電集成性能、切削性能以及穩(wěn)定性三個領域開展了性能試驗；針對i5系統(tǒng)的雙向補償功能、空間補償功能的實際應用效果進行了對比試驗，試驗涵蓋的機型包括立式加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控車削中心等，用來對比的國內(nèi)外系統(tǒng)包括發(fā)那科、西門子、廣數(shù)等。通過對比測試，應用i5系統(tǒng)的數(shù)控機床無論在定位精度、重復定位精度還是實際工件切削試驗中都比配備其他系統(tǒng)的數(shù)控機床高50%左右；同時目前課題組還開展了實時熱誤差補償、振動診斷等功能的開發(fā)，目前各項技術與i5系統(tǒng)的全面融合將進一步促進國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床的“質(zhì)”的提升，在國內(nèi)外高端數(shù)控裝備市場的競爭中斬獲優(yōu)勢。

2．經(jīng)濟效益

依托創(chuàng)新平臺項目的建設，項目承擔單位形成了一定的實驗和開發(fā)能力，在企業(yè)高端設備、專用設備的開發(fā)中起到了很明顯的支撐作用，平臺針對多臺份的樣機進行了功能驗證、完善。面向航空航天領域，累計支撐開發(fā)31臺套多軸聯(lián)動數(shù)控機床；面向發(fā)電設備領域，累計支撐開發(fā)11臺套多軸聯(lián)動數(shù)控機床產(chǎn)品復合數(shù)控裝備；面向汽車零部件加工行業(yè)，累計支撐開發(fā)35臺套加工中心及車削中心等，累計實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化目標5.36億元。

3.社會效益

平臺通過建設及實施目前指導了東北大學、吉林大學 、上海交通大學等7家數(shù)控機床專項任務單位完成相關課題研究；累計向行業(yè)內(nèi)轉移了實時熱誤差補償、伺服參數(shù)優(yōu)化等30項技術研究成果，受到了技術受益方的好評；支撐了面向航空航天等重點領域的77臺套高檔數(shù)控機床產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)。

未來沈陽機床將進一步依托創(chuàng)新平臺項目健全企業(yè)技術創(chuàng)新體系，形成完備的科研設施條件，充分利用已有資源，實施共性與關鍵技術的研究，突破單元技術瓶頸，開發(fā)一批高檔數(shù)控機床，從根本上扭轉我國在高檔數(shù)控機床基礎、共性、關鍵技術方面研究薄弱的局面，增強我國高檔數(shù)控機床乃至整個裝備制造業(yè)的核心競爭力和國際競爭力。□