五轴联动国产数控系统在航空加工中的应用与验证*＊

刘本刚 赵 宁 陈小娟

(沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳 110034)

高档数控系统是国家战略性物资，是高端制造产业链的核心，是决定数控设备功能和性能的关键功能部件。由于高档数控系统关系到产业安全与国家安全，即使在全球一体化的今天，西方国家和日本仍对中国实行出口限制和监督使用政策，并且有更加严格的趋势，以限制中国国防技术的发展。当前，国际形势复杂、地缘环境恶化，国防安全面临挑战，从“考斯克报告”、“伊朗离心机事件”到“棱镜门事件”，似乎都在印证工业控制系统存在巨大的安全隐患。长期以来，由于国产加工设备、尤其是国产高档数控系统技术的落后，使国内航空企业处境尴尬。多年来，对国外技术的严重依赖不仅使我们总处于被动地位，而且时刻担心国防安全隐患，尤其是数控系统，直接关系到航空企业的生产机密和安全性。

因此，大力发展数控系统，保护我国航空业的国防安全和经济安全引起了相关部门的高度重视。在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中，特别将掌握高档数控系统等关键部件核心技术作为专项“十二五”的重点任务，并将全数字高档数控系统、飞机结构件加工生产线作为标志性成果。在《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》确定的“高端装备制造产业”中，排在首位的就是“重点发展以干支线飞机和通用飞机为主的航空装备，做大做强航空产业”。同时，“大飞机”相关重大专项和重大工程的开展对国产数控系统，特别是能满足航空等领域的国产高性能数控系统提出了前所未有的迫切需求。目前，“高档数控机床与基础制造装备”科技专项中，国产高性能数控系统已取得诸多重大阶段性成果，因此，迫切需要在航空领域开展国产系统的应用验证，进而实现国产高性能数控系统在航空复杂结构件生产应用中的突破，提升国产数控系统性能并增强应用示范效应。

1 国产高档数控系统在航空领域生产中的应用与验证

作为数控机床的“大脑”，数控系统历来是制约我国机床行业向高端发展的技术瓶颈。由于自身技术落后，国内的机床制造厂家不敢采用国产数控系统，作为终端用户的航空企业就更不敢轻易地“越雷池一步”。为支持科技重大专项“需求导向”的实施原则及“首台首套应用示范工程”的构思，尽快实现国产高档数控系统在航空领域的应用，沈飞积极、大胆地将数控加工厂生产线上正在运行的进口数控机床作为国产高档数控系统的应用示范对象，即直接在重点车间工件加工生产线上对国产高档数控系统功能和性能进行应用验证，这在国内航空企业尚无先例。

2013年2月，在沈飞率先使用华中8 型数控系统(图1 所示)和电气系统完成了第1 套进口三坐标立式加工中心的国产化数控系统替代。系统替代前，该加工中心已连续在生产线上运行14年，电气系统基本老化，精度完全丧失。采用了国产数控系统后，该加工中心实现了全闭环控制，定位精度达到5 μm，经NAS 件试切合格后已投入正式生产。截至目前，已在生产线上正常运行18 个月以上。该套数控系统的成功应用替代了进口数控系统，填补了国产数控系统在航空关键零部件制造中应用的空白。如图2 所示是进口的三坐标立式加工中心。

基于前阶段对12 台不同型号三坐标立式加工中心实施国产化数控系统替代的经验，2013年12月起，沈飞联合华中数控对上世纪90年代进口法国FORESTLINE 公司的大型双龙门五坐标铣床(原数控系统SIEMENS-840C)进行数控系统国产化替代，该机床曾是航空结构件加工的核心设备，如图3 所示。2009年因系统故障和缺乏进口备件而无法使用。期间，曾由一家国内数控厂试图对该机床进行改造，结果以失败告终。

此次采用华中8 型848C 系统，该系统采用了双轴同步控制技术、多种RTCP 机床结构技术、构建了五轴机床结构运动学坐标变换的模型库，参数化设置描述五轴机床的运动学结构，对各类结构五轴机床的在机后置处理技术、高速和高精技术、高响应和高精度伺服动态控制技术、智能化的伺服调整与自动优化技术。经过长达4 个月的现场安装调试，机床的性能、加工精度及稳定性恢复到了原机床出厂水平，经过标准S 件试切检验，精度达到0.08 mm，其五轴联动加工的静态和动态精度满足了对复杂航空结构件的加工精度要求，数控系统的主要指标已达到国外高档数控系统的指标要求。这是国产五轴联动高档数控系统在航空制造业中应用成功的首例，替代了进口数控系统。S 试件试切试验视频截图及加工的S 试件如图4、5 所示。

目前，该大型双龙门铣床已投入正式生产，如图7所示。投入生产后，其主要承担了某梁、框、肋等关键大型、复杂、精密航空结构件的加工，部分零件结构示意图如7 所示。目前，已完成多批，共几十个零件的加工，机床各项功能正常，系统工作状态稳定。

2 结语

国产高档数控系统成功替代进口系统，为国内航空企业探索了一条替代进口数控系统以及系统深度应用开发的新途径。总之，国产数控系统与进口数控系统相比较，具有显著优点:国产数控系统是全中文操控界面，易于学习、掌握操作技巧;其次，国产数控系统操作符合国人逻辑，这为现场安装调试和维护提供了极大便利;更重要的是，国产数控系统能够开放足够多的数据交换接口，使系统功能扩展非常灵活、方便，还可避免植入后门程序等，保证系统软件纯净，极大提高了加工数据的安全性。另外，国产数控系统技术服务与支持非常便捷。同时，在经济效益方面优势突出，国产数控系统的性价比非常高。

目前，正与数控系统生产厂对另两台进口五坐标加工中心进行数控系统国产化替代，基于上述首套国产五轴数控系统现场实施和应用验证经验，双方将继续深入开展研究、开发和应用验证，进一步增强自主创新能力，提高自主化水平，推动产业升级，对全面完成国产高档数控系统在航空领域的示范应用具有重要意义。

［1］武汉华中数控.华中8 型数控系统参数说明书［Z］.2013.

［2］武汉华中数控.HSV-180UD 系列交流伺服驱动单元使用说明书［Z］.2013.

［3］武汉华中数控.华中8 型数控系统用户使用说明书［Z］.2013.

［4］武汉华中数控.华中8 型数控系统PLC 编程说明书［Z］.2013.

［5］邹方.PLC 实现机床主轴自动换挡［J］.航空制造技术，1999(5):53-56.

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

［7］邓星钟.机电传动控制［M］.武汉:华中科技大学出版社，2000.