翟鵬遠(yuǎn)，吳玉廣，杜 強(qiáng)，班永華

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.國家機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(山東)，山東 滕州 277500；3.內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

1 基本概況

1.1 背景介紹

近年來，我國特種車輛領(lǐng)域?yàn)檫m應(yīng)精確打擊、集成化、輕量化需求，關(guān)鍵零部件越來越多采用了超強(qiáng)合金材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越來越高，加工制造難度逐步增加，對(duì)數(shù)控機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的自適應(yīng)、精密化、柔性化、智能化等方面提出了更高要求[1-3]。此外，由于數(shù)控系統(tǒng)關(guān)系到軍工產(chǎn)品研制生產(chǎn)安全與國家安全，西方國家對(duì)我國實(shí)行出口限制和監(jiān)督使用政策[4]。長期以來，國產(chǎn)數(shù)控設(shè)備尤其是國產(chǎn)數(shù)控技術(shù)的落后，使國內(nèi)軍工企業(yè)處境尷尬。在國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”(04)專項(xiàng)課題的支持下，國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)突破了現(xiàn)場(chǎng)總線、高速高精、多軸多通道、同步控制和可靠性等一批關(guān)鍵核心技術(shù)，自主研發(fā)了華中數(shù)控HNC-808/818/848型、廣州數(shù)控GSK-980T/980TA/980TD等一批數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品。

因此，針對(duì)特種車輛領(lǐng)域數(shù)控設(shè)備老舊、維修困難、加工精度與效率無法滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)任務(wù)要求等問題，利用我國現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床優(yōu)勢(shì)能力，突破進(jìn)口替代設(shè)備的組線/聯(lián)網(wǎng)/智能化等關(guān)鍵技術(shù)，開展國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在典型設(shè)備上的應(yīng)用與驗(yàn)證，形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，提升數(shù)控加工的適用性、實(shí)用性、可靠性，提升企業(yè)智能制造能力、水平和生產(chǎn)效率[5-7]。

1.2 應(yīng)用特點(diǎn)

1)設(shè)備種類多、數(shù)量大。特種車輛領(lǐng)域涉及加工中心、銑床、車削中心、數(shù)控專機(jī)、磨齒機(jī)、鉆床、插齒機(jī)等多類型數(shù)控設(shè)備。選取典型加工設(shè)備56臺(tái)：加工中心類設(shè)備共計(jì)45臺(tái)，占比80%左右，其中包括立式加工中心12臺(tái)、臥式加工中心27臺(tái)、立臥轉(zhuǎn)換加工中心6臺(tái)；鏜銑床類設(shè)備共計(jì)8臺(tái)，其中鏜銑中心1臺(tái)、對(duì)置鏜1臺(tái)、落地鏜銑床4臺(tái)、龍門銑床1臺(tái)、鏜銑加工中心1臺(tái)；車削中心類設(shè)備2臺(tái)；數(shù)控磨齒機(jī)1臺(tái)。

2)設(shè)備檔次高、難度大。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用示范工程典型數(shù)控設(shè)備，如2臺(tái)五軸加工中心(HEIDENHAIN TNC426、NUM)、1臺(tái)數(shù)控龍門銑(SIEMENS)、1臺(tái)車削中心(Fanuc 18-T)等設(shè)備檔次較高，設(shè)備原值均在300萬元以上，目前同規(guī)格機(jī)床國產(chǎn)設(shè)備市場(chǎng)價(jià)格均高于原值或與原值相當(dāng)。諸如此類設(shè)備功能需求齊全，現(xiàn)有國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)難以助力完成設(shè)備國產(chǎn)化升級(jí)改造，必須針對(duì)此類需求開展國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)個(gè)性化定制，因此設(shè)備升級(jí)改造難度較大。

3)加工質(zhì)量難以控制。特種車輛領(lǐng)域重點(diǎn)產(chǎn)品關(guān)鍵零部件精度要求高，材料余量大，加工變形難以控制，加工精度不穩(wěn)定，并且零件涉及高強(qiáng)高硬材料，工序復(fù)雜，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，疲勞壽命難以保障。目前關(guān)鍵加工設(shè)備老化、磨損、精度退化，可靠性降低，亟需通過國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造提升加工效率和加工質(zhì)量。

1.3 解決途徑

目前，國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)研制的高檔數(shù)控系統(tǒng)具有多通道多軸聯(lián)動(dòng)、高速高精加工能力，能夠適應(yīng)于數(shù)控車/銑、車削中心、立臥加工中心、五軸龍門機(jī)床等重型、高速、精密數(shù)控機(jī)床及各種專用設(shè)備，已在航空航天、汽車等重點(diǎn)領(lǐng)域開展了示范應(yīng)用[8]。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用示范要依托國內(nèi)優(yōu)勢(shì)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)，充分挖掘和利用國家科技重大專項(xiàng)04專項(xiàng)支持的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)、國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床等前期項(xiàng)目研究成果，通過在役數(shù)控機(jī)床換腦升級(jí)，提升換腦設(shè)備加工精度和效率，通過開展進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)國產(chǎn)替換的技術(shù)方案研究和驗(yàn)證，全面提升國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的性能與功能，建立面向制造領(lǐng)域關(guān)鍵零件加工制造的應(yīng)用平臺(tái)，形成系統(tǒng)化數(shù)控系統(tǒng)和成套解決方案，解決制造企業(yè)老舊裝備的更新?lián)Q代、產(chǎn)能不足、維修困難等問題，整體提升企業(yè)的制造水平，以及產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性[9-10]。

2 試驗(yàn)測(cè)試

2.1 測(cè)試依據(jù)

國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造前后測(cè)試依據(jù)GB/T 17421.1—1998《機(jī)床檢測(cè)通則 第1部分：在無負(fù)荷或精加工條件下機(jī)床的幾何精度》、GB/T 17421.2—2016《機(jī)床檢測(cè)通則 第2部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定》、GB/T 1958—2017《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差 檢測(cè)與驗(yàn)證》和GB/T 3177—2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)光滑工件尺寸的檢驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2.2 狀態(tài)確認(rèn)

1)測(cè)試機(jī)床的測(cè)試依據(jù)與測(cè)試項(xiàng)目；2)測(cè)試機(jī)床基本參數(shù)一覽表、生產(chǎn)單位名稱、機(jī)床生產(chǎn)日期、機(jī)床唯一性編號(hào)；3)報(bào)告的形式(檢測(cè)報(bào)告、見證報(bào)告)；4)被測(cè)試單位指定具有相應(yīng)權(quán)限的人員在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)配合機(jī)床中心技術(shù)人員開展工作，包括現(xiàn)場(chǎng)的協(xié)調(diào)、測(cè)試的配合和對(duì)測(cè)試結(jié)果的確認(rèn)等；5)完成機(jī)床水平測(cè)試、溫升等準(zhǔn)備工作后，在預(yù)期時(shí)間內(nèi)將機(jī)床提供給機(jī)床中心開展測(cè)試活動(dòng)。

2.3 測(cè)試條件

1)在滿足機(jī)床正常使用條件的場(chǎng)地開展測(cè)試；2)機(jī)床測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意防止氣流、光線和熱輻射的干擾，應(yīng)防止受環(huán)境溫度變化的影響，有恒溫要求的機(jī)床應(yīng)在規(guī)定的恒溫條件下進(jìn)行測(cè)試，檢具在使用前應(yīng)與機(jī)床等溫；3)測(cè)試前，確保將機(jī)床安置在適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，按照機(jī)床使用說明書調(diào)平機(jī)床，并應(yīng)符合相應(yīng)的精度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中所固定的安置要求后，注入適量如潤滑油、切削液等保證機(jī)床正常工作的工作液；4)測(cè)試前，確保機(jī)床的輸入電壓、電流、額定功率以及用氣壓力，爭取將動(dòng)力源接入機(jī)床，使機(jī)床正常工作。

2.4 測(cè)試流程

確認(rèn)數(shù)控機(jī)床國產(chǎn)化升級(jí)改造情況，依據(jù)任務(wù)合同書和設(shè)備改造技術(shù)協(xié)議等文件，采用查看設(shè)備狀況、比對(duì)設(shè)備檔案、核對(duì)機(jī)床改造過程信息記錄、技術(shù)人員溝通等方式對(duì)機(jī)床設(shè)備的改造情況進(jìn)行確認(rèn)；測(cè)試數(shù)控機(jī)床幾何精度和定位精度，測(cè)試關(guān)鍵零部件加工精度，技術(shù)人員隨機(jī)抽取所見證設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)加工的關(guān)鍵零部件，委托方采用其能夠滿足測(cè)量精度要求的檢測(cè)量具或檢測(cè)設(shè)備(三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、齒輪檢測(cè)儀等)開展測(cè)試。

3 應(yīng)用效果分析與評(píng)價(jià)

3.1 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

3.1.1 機(jī)床精度分析與評(píng)價(jià)

數(shù)控機(jī)床靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精度直接關(guān)系到產(chǎn)品零件的加工精度，為分析和評(píng)價(jià)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用示范工程的實(shí)施效果，首先分析評(píng)價(jià)數(shù)控設(shè)備精度的變化情況，選取XK2430×60數(shù)控龍門鏜銑床為代表，分析開展國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用示范工程后數(shù)控設(shè)備的精度變化。經(jīng)過國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造，XK2430×60數(shù)控龍門鏜銑床X軸雙向定位精度從0.027 mm提升至0.009 mm，Y軸雙向定位精度從0.022 mm提升至0.012 mm，Z軸雙向定位精度從0.028 mm提升至0.009 mm，雙向定位精度得到了一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升；X軸雙向重復(fù)定位精度從0.018 mm提升至0.008 mm，Y軸雙向重復(fù)定位精度從0.017 mm提升至0.010 mm，Z軸雙向重復(fù)定位精度從0.017 mm提升至0.008 mm，雙向重復(fù)定位精度也實(shí)現(xiàn)了較大的提升和改進(jìn)。

3.1.2 運(yùn)行狀態(tài)分析與評(píng)價(jià)

采用華中數(shù)控HNC818M/B對(duì)VMC750立式加工中心進(jìn)行國產(chǎn)化升級(jí)改造后，進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床運(yùn)行記錄，總運(yùn)行時(shí)間為2 211 h，平均每月工作191 h；發(fā)生故障11次，其中含Z軸伺服模塊故障1次、刀庫故障1次、主軸松刀故障4次、換刀故障5次，因故障導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間累計(jì)46 h，設(shè)備故障率為8.6%。分析故障發(fā)生原因，主要包括如下幾點(diǎn)：1)驅(qū)動(dòng)器硬件故障引起；2)線路故障，引起刀庫故障；3)主軸拉刀螺釘松動(dòng)引起主軸松刀故障；4)氣壓問題引起換刀故障。針對(duì)上述故障采取應(yīng)對(duì)措施：1)更換新的驅(qū)動(dòng)器；2)更換刀庫電動(dòng)機(jī)的控制電纜；3)重新緊固主軸拉刀螺釘；4)調(diào)整氣壓。經(jīng)過上述處理措施后，設(shè)備恢復(fù)正常。

3.1.3 生產(chǎn)驗(yàn)證分析與評(píng)價(jià)

對(duì)數(shù)控設(shè)備改造后首要的工作是進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，綜合分析評(píng)價(jià)零部件加工精度和良品率等。以TC-500臥式加工中心為例，該設(shè)備在試生產(chǎn)期間承擔(dān)特種車輛領(lǐng)域22種閥體零件半精加工工序的生產(chǎn)任務(wù)，其中完成小批量加工變矩器定壓閥體118件、閉鎖換檔閥體40件、單向閥安全閥閥體42件。經(jīng)檢測(cè)所有零件尺寸均合格，工序良品率達(dá)到100%，符合工藝要求。抽取變矩器定壓閥體10個(gè)零件對(duì)油槽寬20、M42×2-6H、φ27.7H11、接合面粗糙度1.6進(jìn)行了檢測(cè)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，所有尺寸符合工藝要求，并滿足本課題要求。

3.1.4 數(shù)控系統(tǒng)功能分析與評(píng)價(jià)

PV1800立式加工中心和MCP-H460臥式加工中心分別采用華中數(shù)控HNC818M/B和華中數(shù)控HNC848D/MB。預(yù)先準(zhǔn)備2種有代表性的車輛傳動(dòng)系統(tǒng)零部件毛坯，用于操作系統(tǒng)功能生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證。開機(jī)啟動(dòng)程序后，輸入設(shè)備改造前使用的原程序，先后對(duì)系統(tǒng)的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)等插補(bǔ)功能進(jìn)行了測(cè)試；對(duì)刀具軌跡圖形模擬、刀具長度、半徑補(bǔ)償、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)、比例縮放、鏡像等功能進(jìn)行了測(cè)試；對(duì)程序指令、編程參數(shù)、系統(tǒng)響應(yīng)等數(shù)控功能也進(jìn)行了測(cè)試，滿足各種復(fù)雜零件的加工，操作系統(tǒng)功能齊全，使用效果良好。

3.2 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用評(píng)價(jià)

2012年，國家04專項(xiàng)數(shù)控系統(tǒng)重點(diǎn)任務(wù)轉(zhuǎn)向?qū)?biāo)，高檔數(shù)控系統(tǒng)瞄準(zhǔn)具有五軸聯(lián)動(dòng)、多通道、高速高精、車銑復(fù)合功能的國外先進(jìn)系統(tǒng)；中檔普及型、標(biāo)準(zhǔn)型系統(tǒng)瞄準(zhǔn)市場(chǎng)占有率大的國外數(shù)控系統(tǒng)。2015年6月到2016年2月，國家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心組織專家對(duì)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)測(cè)，華中8型數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控系統(tǒng)通過了全部633項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)型對(duì)標(biāo)評(píng)測(cè)項(xiàng)，通過率為100%；華中8型數(shù)控系統(tǒng)通過了1 952項(xiàng)高檔型對(duì)標(biāo)評(píng)測(cè)項(xiàng)，通過率達(dá)98%。在此選擇典型華中HNC848D/M系統(tǒng)和西門子840D系統(tǒng)進(jìn)行如下對(duì)比評(píng)價(jià)。

1)主要功能。

原西門子840D數(shù)控系統(tǒng)功能包括：a.支持6個(gè)伺服軸，可以實(shí)現(xiàn)控制6軸4聯(lián)動(dòng)；b.采用10.4寸彩色液晶顯示屏，程序存儲(chǔ)方式為機(jī)械硬盤，具有串行、以太網(wǎng)和Profibus接口；c.具有三坐標(biāo)直線插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)，任意兩坐標(biāo)可實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)，具有絲桿螺距誤差補(bǔ)償和測(cè)量系統(tǒng)誤差補(bǔ)償，刀具長度、半徑補(bǔ)償；d.具有直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系混合編程功能，支持坐標(biāo)系平移、旋轉(zhuǎn)、鏡象、縮放功能；e.變量及參數(shù)運(yùn)算，程序跳轉(zhuǎn)及分支功能；f.軟極限、工作區(qū)域限制、主軸轉(zhuǎn)速限制保護(hù)等功能。華中HNC848D/M整體功能與西門子840D系統(tǒng)相近，但在系統(tǒng)運(yùn)算速度、程序存儲(chǔ)方式、液晶顯示屏尺寸和分辨率、擴(kuò)展和數(shù)據(jù)交換接口等方面，華中HNC848D/M系統(tǒng)硬件配置優(yōu)于西門子840D系統(tǒng)。

2)人機(jī)操作界面。

數(shù)控系統(tǒng)操作界面是用戶與機(jī)床直接進(jìn)行交流的窗口，友好的操作界面可以讓機(jī)床操作人員更加直觀地了解數(shù)控系統(tǒng)，提高工作效率。原西門子840D系統(tǒng)為德國進(jìn)口系統(tǒng)，人機(jī)界面語言主要以英語和德語作為操作界面顯示語言，不能適應(yīng)國人的操作習(xí)慣；另外，西門子數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面，用戶想了解具體參數(shù)內(nèi)容就必須查閱參數(shù)手冊(cè)，只看畫面不可能了解其內(nèi)容，用戶在調(diào)試過程中需要修改參數(shù)時(shí)必須翻閱參數(shù)手冊(cè)，了解參數(shù)的相關(guān)設(shè)置內(nèi)容與設(shè)置區(qū)間，降低了工作效率。華中數(shù)控的操作界面簡單直觀，初始顯示界面分為坐標(biāo)顯示區(qū)、進(jìn)給顯示區(qū)、MDI編程顯示區(qū)和偏置顯示區(qū)，由相應(yīng)的功能軟鍵來切換到不同的界面，功能軟鍵采用樹狀結(jié)構(gòu)，在調(diào)試中幾乎無需借助使用說明書即可了解相關(guān)設(shè)置內(nèi)容與設(shè)置區(qū)間。總體上說，華中系統(tǒng)界面符合國人習(xí)慣，系統(tǒng)分項(xiàng)頁面明確，注釋詳實(shí)，操作方便。

3)故障診斷。

華中HNC848D/M系統(tǒng)具有外圍X和Y輸入輸出信號(hào)在線監(jiān)控診斷功能，G和F接口信號(hào)在線監(jiān)控功能；通過系統(tǒng)面板可以在線監(jiān)控PLC程序，而且每個(gè)信號(hào)地址下帶有中文注釋，排查故障時(shí)一目了然。原西門子系統(tǒng)外圍X、Y輸入輸出信號(hào)和系統(tǒng)接口信號(hào)的監(jiān)控需要查找機(jī)床電氣圖樣或者手冊(cè)，找到對(duì)應(yīng)信號(hào)在診斷界面中輸入信號(hào)地址進(jìn)行監(jiān)控，且無法通過系統(tǒng)面板在線監(jiān)控PLC程序，如要監(jiān)控需要借助專用軟件和數(shù)據(jù)線進(jìn)行通信監(jiān)控，給現(xiàn)場(chǎng)維修和調(diào)試帶來了極大的不便。對(duì)比原西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，華中HNC848D/M系統(tǒng)更加方便，方便對(duì)系統(tǒng)故障的分類排查。

4)經(jīng)濟(jì)性。

西門子840D系統(tǒng)和華中HNC848D/M系統(tǒng)屬于同性能同檔次數(shù)控系統(tǒng)。西門子840D數(shù)控系統(tǒng)比華中HNC848D/M系統(tǒng)價(jià)格高3倍以上；華中數(shù)控系統(tǒng)備件價(jià)格低，采購時(shí)間短。目前，大部分國外產(chǎn)品是由我國的代理商銷售的，但代理商沒有能力進(jìn)行技術(shù)支持，此類弊端日益突出。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在可靠性、穩(wěn)定性方面暫不如進(jìn)口系統(tǒng)，但隨著國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)自主可控能力的不斷提升，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和技術(shù)服務(wù)能力將改善其不足之處。

4 結(jié)語

通過分析研究特種車輛領(lǐng)域國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，挖掘在役數(shù)控機(jī)床國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用需求，在完成在役數(shù)控機(jī)床國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造基礎(chǔ)上開展了國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)工藝匹配性技術(shù)研究，分析了數(shù)控機(jī)床精度、運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)控系統(tǒng)功能等多維度參數(shù)變化，對(duì)比國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)在功能、操作界面、故障診斷和經(jīng)濟(jì)性等方面的差異。結(jié)果顯示，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用示范效果非常顯著。當(dāng)然，特種車輛領(lǐng)域數(shù)控機(jī)床在組線、聯(lián)網(wǎng)和智能化應(yīng)用等方面仍有較大進(jìn)步空間，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提升，通過在智能制造單元/生產(chǎn)線上開展集成驗(yàn)證，提高企業(yè)制造數(shù)字化和智能化水平。