多軸車銑復(fù)合設(shè)備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的智能化提升應(yīng)用＊

張臣宏 于建華

（中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241）

車銑復(fù)合加工中心是在一臺(tái)機(jī)床上集約了包括車床、銑床一并加工的場(chǎng)所[1]。車銑復(fù)合加工的基本理念是將盡可能多的加工工藝集中在一臺(tái)設(shè)備上一次完成。與常規(guī)數(shù)控加工工藝相比，車銑復(fù)合加工主要有縮短產(chǎn)品制造工藝鏈以提高生產(chǎn)效率、減少裝夾次數(shù)以提高加工精度及減少設(shè)備占地面積從而降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢(shì)[2]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心傳動(dòng)軸如低壓渦輪軸、風(fēng)扇軸等，在其軸向長(zhǎng)度上具有如孔、鍵槽、花鍵、軸頸和螺紋等一系列復(fù)雜特征，涉及工藝方法多、工藝路線長(zhǎng)和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換頻繁，帶有擺頭銑削主軸，雙驅(qū)車削主軸的多軸車銑復(fù)合設(shè)備的工序集中和基準(zhǔn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換能力在此類零件加工中顯得不可替代。

近年來(lái)，隨著智能加工技術(shù)日新月異的進(jìn)步，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)與制造符合性適航的要求的不斷提高，以及高性能、難加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的迫切需求，在航空零件加工中采用智能加工工藝的條件日益成熟[3-4]，而智能加工設(shè)備和強(qiáng)大有效的數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)智能加工工藝的硬件基礎(chǔ)，即將智能感知、過(guò)程監(jiān)控和自適應(yīng)控制等智能化功能應(yīng)用于數(shù)控加工設(shè)備，這也是充分發(fā)揮車銑復(fù)合設(shè)備在復(fù)雜航空零件制造領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)的重要途徑。

在車銑復(fù)合設(shè)備制造領(lǐng)域，歐洲和日本作為引領(lǐng)者始終走在世界最前列。具有代表性的品牌包括奧地利WFL和EMCO、德國(guó)DMG和WOHLENBERG、日本OKUMA和MAZAK等[5]。國(guó)內(nèi)高端加工裝備起步較晚，在專用編程和仿真軟件，數(shù)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程服務(wù)、刀具破損監(jiān)控和自適應(yīng)控制等功能上與航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件智能加工的需求還存在差距。國(guó)產(chǎn)車銑復(fù)合設(shè)備需要在控制系統(tǒng)智能化，多通道多任務(wù)同步加工編程軟件、故障診斷、與發(fā)動(dòng)機(jī)零件工藝深度融合的后置處理和數(shù)據(jù)采集等方面進(jìn)行性能提升改造，使設(shè)備及其配套軟硬件構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完整的智能化加工單元。充分利用智能加工技術(shù)提高設(shè)備智能化水平，是解決當(dāng)下國(guó)產(chǎn)制造裝備水平不足與航空領(lǐng)域設(shè)計(jì)制造需求快速升級(jí)之間矛盾的重要手段。

1 智能加工提升整體框架

智能加工技術(shù)是在先進(jìn)加工設(shè)備的基礎(chǔ)上借助傳感、仿真和機(jī)器學(xué)習(xí)等跨學(xué)科技術(shù)以達(dá)到加工過(guò)程可監(jiān)視、可控制和可預(yù)測(cè)的目的[6]，充分融入各類智能化元素的車銑復(fù)合設(shè)備即可構(gòu)成一個(gè)完整的智能化加工單元。國(guó)外高端車銑復(fù)合加工設(shè)備已實(shí)現(xiàn)很高程度的智能化，而國(guó)產(chǎn)機(jī)床在數(shù)控系統(tǒng)智能化、環(huán)境感知和配套專業(yè)軟件等方面還存在較大差距。在國(guó)產(chǎn)高端機(jī)床制造水平發(fā)展壯大實(shí)現(xiàn)趕超之前，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有機(jī)床進(jìn)行技術(shù)改造是提升智能化水平的重要過(guò)渡手段。加裝上下料機(jī)器人單元提升設(shè)備自動(dòng)化水平[7]、部署在線數(shù)據(jù)檢測(cè)和反饋系統(tǒng)提升設(shè)備過(guò)程檢測(cè)能力[8]及利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器視覺(jué)建立車銑復(fù)合刀具識(shí)別系統(tǒng)以提高機(jī)床防碰撞能力[9]等均是利用外部先進(jìn)軟硬件條件對(duì)車銑復(fù)合設(shè)備進(jìn)行智能化改造的有效途徑，均達(dá)到了提高設(shè)備智能化水平的目的。

圍繞國(guó)產(chǎn)同步雙驅(qū)車銑復(fù)合設(shè)備KTX1250TC，通過(guò)對(duì)其軟硬件進(jìn)行改造并引入外部算法來(lái)提升設(shè)備智能化水平。首先設(shè)計(jì)專用柔性工裝提升機(jī)床主軸的同步對(duì)接能力，解決該設(shè)備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)異形零件高效加工中的不足之處；其次，基于通用工程軟件UG NX進(jìn)行CAM模塊的后置處理開(kāi)發(fā)，提高車銑復(fù)合多策略數(shù)控編程效率；最后，利用數(shù)控系統(tǒng)接口通訊協(xié)議采集機(jī)床實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上引入智能算法實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)自適應(yīng)優(yōu)化，最終建立一個(gè)可大幅提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件加工效率的車銑復(fù)合智能加工單元（整體框架如圖1所示）。

圖1 智能加工單元整體框架

2 異形零件柔性裝夾接口

大連科德生產(chǎn)的KTX1250TC臥式五軸加工中心為帶B軸的雙主軸車銑復(fù)合設(shè)備，其同步雙驅(qū)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度1 300 mm以內(nèi)的多特征長(zhǎng)軸類零件的車、銑、鉆、鏜等工藝，配合其自主研發(fā)的GNC數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的一次裝夾加工成形，如圖2所示。為充分發(fā)揮其雙工件主軸同步加工功能，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中常見(jiàn)的安裝座、接嘴座和支桿3類零件設(shè)計(jì)專用工裝。該工裝安裝于副主軸上，通過(guò)更換不同的仿形接口脹套，可實(shí)現(xiàn)3類零件在無(wú)工藝臺(tái)的情況下快速完成同步對(duì)接。經(jīng)計(jì)算，針對(duì)此3類零件，相比于分設(shè)備或手動(dòng)轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)的加工方式，其加工效率可提升至少60%。

圖2 主副軸對(duì)接柔性工裝

3 基于UG NX的車銑復(fù)合后置開(kāi)發(fā)

目前，國(guó)外針對(duì)車銑復(fù)合加工開(kāi)發(fā)的專用CAM軟件種類越來(lái)越多，主要包括ESPRIT、GIBBSCAM和TOPSILID等，其中ESPRIT軟件在多通道多任務(wù)車銑復(fù)合加工編程及仿真上應(yīng)用較多。KTX1250TC設(shè)備尚無(wú)配套的專用車銑復(fù)合CAM軟件，而手工編程無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸運(yùn)動(dòng)變換和車銑復(fù)合模式切換，為充分發(fā)揮設(shè)備加工功能，必須利用成熟的CAM軟件進(jìn)行加工編程和仿真。UG NX作為一款集制圖、建模、編程和仿真于一體的多功能通用型軟件，已在國(guó)內(nèi)航空、汽車和船舶等行業(yè)廣泛應(yīng)用。由于航空零件工藝的復(fù)雜性和特殊性，利用通用型軟件UG NX進(jìn)行車銑復(fù)合設(shè)備的加工編程CAM功能特定開(kāi)發(fā)，有針對(duì)性的專用后置處理技術(shù)是解決問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

將前置處理得到的刀位文件通過(guò)后置處理提取刀軸方向和刀位點(diǎn)矢量是后置處理的過(guò)程，后置處理主要包括4個(gè)任務(wù)：（1）對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行求解。（2）對(duì)運(yùn)動(dòng)非線性誤差進(jìn)行處理。（3）對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行處理。（4）對(duì)數(shù)控加工程序格式進(jìn)行處理[10]。結(jié)合特定機(jī)床結(jié)構(gòu)和代碼規(guī)則，可以利用UG NX后處理構(gòu)造器Post Builder建立車銑復(fù)合加工后處理器[11-12]。為簡(jiǎn)化后置處理開(kāi)發(fā)過(guò)程，基于UG NX內(nèi) 置 默 認(rèn) 后 處 理sim15_millturn_9ax（FANUC），結(jié)合KTX1250TC機(jī)床結(jié)構(gòu)和GNC62系統(tǒng)主要G代碼、M代碼規(guī)則，通過(guò)在UG后處理器Post Builder中進(jìn)行TCL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和替換代碼指令的方式對(duì)UG NX常見(jiàn)加工策略進(jìn)行數(shù)控程序輸出測(cè)試，不斷提高NC代碼正確率。通過(guò)對(duì)圖3所示葉片零件實(shí)物加工驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)UG NX車削、極坐標(biāo)銑削和3+2定軸加工和五軸聯(lián)動(dòng)等加工策略NC代碼的準(zhǔn)確后處理輸出，最終獲得基于通用軟件UG NX的KTX1250TC車銑復(fù)合設(shè)備專用后置處理封裝文件。另外，利用該后置文件進(jìn)行編程操作時(shí)，可在CAM任務(wù)屬性中設(shè)置主軸模式為主軸、副主軸和同步雙驅(qū)，分別對(duì)應(yīng)的主軸代碼為S(2)、S(4)和S(3)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)科德同步雙驅(qū)車銑復(fù)合加工中心加工功能的完全利用，極大地提高了車銑復(fù)合編程效率。

圖3 基于UG NX的車銑復(fù)合后置處理開(kāi)發(fā)

4 加工過(guò)程監(jiān)控與自適應(yīng)加工

對(duì)于難加工材料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件，由于刀具磨損快、切削條件苛刻，要求設(shè)備極限性能工作，加工過(guò)程的智能監(jiān)控以及遠(yuǎn)距離通信是關(guān)注的重點(diǎn)，主要涉及振動(dòng)、溫度和刀具等方面的監(jiān)控與相應(yīng)的補(bǔ)償方法[13]。通過(guò)對(duì)加工過(guò)程中的主軸功率信號(hào)進(jìn)行記錄、學(xué)習(xí)和監(jiān)控，實(shí)時(shí)判斷加工過(guò)程中是否出現(xiàn)諸如崩刃、撞刀和裝夾松動(dòng)等異常情況并及時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)的步驟如下：（1）記錄加工過(guò)程中的主軸功率信號(hào)以及相關(guān)信息，如圖4a。（2）利用記錄的主軸功率信號(hào)數(shù)據(jù)計(jì)算功率信號(hào)的上下預(yù)警邊界，如圖4b。（3）實(shí)時(shí)采集加工過(guò)程中的主軸功率信號(hào)和上下預(yù)警邊界，當(dāng)功率信號(hào)的幅值超出預(yù)警邊界時(shí)，如圖4c、d所示，發(fā)出異常警報(bào)，并向機(jī)床發(fā)出急停命令。常見(jiàn)異常情況的原因及處理方法見(jiàn)表1。

在對(duì)加工過(guò)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)自適應(yīng)加工功能，根據(jù)當(dāng)前所監(jiān)控到的刀具電主軸負(fù)載，自適應(yīng)調(diào)整刀具進(jìn)給速度。在空載或低載的狀態(tài)下，提高進(jìn)給速度以提升加工效率，在高載荷的情況下降低進(jìn)給速度保證加工過(guò)程穩(wěn)定性。自適應(yīng)控制的流程及進(jìn)給調(diào)整算法邏輯如圖5所示，根據(jù)主軸瞬時(shí)的負(fù)載與設(shè)定的目標(biāo)負(fù)載之間的誤差計(jì)算進(jìn)給速度修調(diào)率，傳輸至數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)達(dá)到自適應(yīng)控制從而提高加工效率的目的。

為驗(yàn)證自適應(yīng)加工系統(tǒng)有效性，對(duì)圖6所示驗(yàn)證零件的某一加工工序進(jìn)行監(jiān)控，在外圓車削過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)B軸刀具主軸負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)整車刀進(jìn)給速度。加工過(guò)程主軸負(fù)載曲線如圖6所示，外圓車削加工程序理論加工時(shí)間為523 s，自適應(yīng)調(diào)整后加工時(shí)間為471 s，加工時(shí)間縮短9.9%，且主軸負(fù)載平滑曲線始終處于預(yù)警邊界內(nèi)，加工過(guò)程平穩(wěn)無(wú)故障。

圖6 自適應(yīng)加工系統(tǒng)加工驗(yàn)證

5 結(jié)語(yǔ)

隨著航空器的不斷升級(jí)換代，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件在特征結(jié)構(gòu)、材料種類和精度等級(jí)方面的要求越來(lái)越高。為適應(yīng)設(shè)計(jì)端需求的變化，數(shù)控機(jī)床正逐步朝著單機(jī)功能復(fù)合化、系統(tǒng)智能化的方向快速發(fā)展，智能制造技術(shù)與復(fù)合加工設(shè)備的結(jié)合應(yīng)用是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外高端車銑復(fù)合制造裝備在其長(zhǎng)期積淀下已具備相當(dāng)程度的智能化水平，而國(guó)內(nèi)仍處于不斷追趕的階段之中，主要差距不僅體現(xiàn)在設(shè)備精度保持性上，還包括設(shè)備配套工業(yè)軟件、數(shù)控系統(tǒng)智能化功能上。通過(guò)借助通用工程軟件和后置處理技術(shù)可以在部分策略中實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工數(shù)控編程和運(yùn)動(dòng)模擬仿真，同時(shí)，在機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的基礎(chǔ)上利用外部先進(jìn)算法對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行干預(yù)、調(diào)整，也能在一定程度上提高車銑復(fù)合加工裝備的智能化水平，進(jìn)而達(dá)到提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件高效率、高精度加工的目的。研究工作主要總結(jié)如下：

（1）設(shè)計(jì)副主軸仿形裝夾接口，可以實(shí)現(xiàn)族類特征零件的柔性高效加工。但裝夾接口的非回轉(zhuǎn)異形特征提高了動(dòng)態(tài)同步對(duì)接的難度，在正式加工前需通過(guò)打表測(cè)量等手段獲得準(zhǔn)確的副主軸裝夾坐標(biāo)系，并與主軸上工件坐標(biāo)系保持同步。

（2）通過(guò)UG后處理器Post Builder和TCL語(yǔ)言的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合設(shè)備的專用后置開(kāi)發(fā)，完成了極坐標(biāo)、3+2、五軸加工、主副軸同步加工等常用加工策略的后置處理，該后置文件可滿足常見(jiàn)零件加工編程需求。但對(duì)于多刀塔車銑復(fù)合機(jī)床涉及的多任務(wù)同步加工策略未進(jìn)行研究。

（3）利用KTX1250TC設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)自有的主軸功率信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、分析并結(jié)合智能控制算法，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常處理和進(jìn)給自適應(yīng)調(diào)整，提高了車銑復(fù)合設(shè)備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工過(guò)程中的智能化水平。通過(guò)零件實(shí)物加工，驗(yàn)證了自適應(yīng)加工系統(tǒng)可滿足車銑復(fù)合設(shè)備在不影響加工穩(wěn)定性的前提下提高加工效率。下一步可利用多種物理量傳感器對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)車銑設(shè)備對(duì)加工過(guò)程振動(dòng)、噪音和切削力等信號(hào)的監(jiān)測(cè)能力，并結(jié)合機(jī)器視覺(jué)視頻監(jiān)控和物理仿真技術(shù)，建立加工過(guò)程數(shù)字孿生體，進(jìn)一步提升車銑復(fù)合設(shè)備在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件制造領(lǐng)域的智能化應(yīng)用水平。