用中国“大脑”装备中国制造装备----奋进中的华中数控

1用中国“大脑”装备中国制造装备----奋进中的华中数控一、现有产品的技术水平和研究发展规划1、现有产品的技术水平武汉华中数控股份有限公司（以下简称“华中数控”）面向国家重大高档数控装备的技术要求，以技术创新为突破点，以市场需求为导向，在我国中、高档数控系统及高档数控机床关键功能部件产品研制方面取得重大突破，重点突破一批中、高档数控系统的关键单元技术，形成开放式数控系统软、硬件开发技术平台；加强中试和应用验证，攻克了规模化生产工艺和可靠性关键技术难题，实现了规模化生产；加强产品系列化技术研发，形成系列化中、高档数控系统的自主配套能力；建立了完善的生产、销售、服务体系，与主机厂建立战略联盟、应用示范和人才培养作为切入点，推动数控系统产业发展，促进数控技术进步。2008年华中数控被中国机床工具工业协会评为机床行业“自主创新优秀企业”、“综合经济效益十佳企业”和“精心创品牌十佳企业”。2008年国家科技部、国务院国资委、中华全国总工会正式批准华中数控成为国家首批91家国家“创新型企业”，华中数控同时也是中国机床工具工业协会数控系统分会、数控系统现场总线技术标准联盟理事长单位和全国机床数控系统标准化技术委员会秘书处单位。目前，华中数控以国家数控系统工程技术研究中心为技术依托，在高档数控系统的平台技术、可靠性技术、单元技术、成套化技术、复合加工技术、智能化技术、加工工艺与编程2技术等方面已经取得重大突破，并已在航空、船舶、发电、汽车、军工等领域获得批量应用。重点突破了全数字总线式数控系统体系结构、多通道多轴联动插补控制、刀具空间长度补偿、小线段高速插补、双轴同步控制、柔性加减速控制、复合加工等高档数控关键单元技术。开发了空间几何误差补偿、切削力自适应控制、对话式和示教编程、数控车间的网络化管理技术、数控机床快速调试；加强中试和应用验证，攻克了软、硬件可靠性设计、电磁兼容性设计、结构设计与工装设计、可靠性评估与验证等关键生产工艺技术。解决了大型螺旋桨、核电叶片等多轴联动加工工艺和编程等高档数控关键应用技术，提高我国中、高档数控系统的功能和性能。攻克规模化生产工艺和可靠性关键技术难题；加强产品系列化技术研发，形成系列化中、高档数控系统的自主配套能力；建立完善的生产、销售、服务体系，以建立战略联盟、应用示范和人才培养作为切入点，推动数控系统产业发展，促进数控技术进步。华中数控具有自主知识产权中、高档数控系统产品系列包括：与国际先进技术接轨的华中高档数控系统系列、针对市场需求的普及型数控系统系列、先进的全数字交流伺服、主轴驱动单元和电主轴驱动单元系列、力矩电机和交流伺服电机系列。华中数控系统系列产品（1）数控装置平台技术1）世纪星系列数控装置产品包括：HNC-18i/18xp/19xp系列、HNC-21/22系列、HNC-210A/B/C系列、HNC-28/32系列。统一的基于PC的开放式体系结构，通道数从1个到4个，控制轴数从2轴到32轴，联动轴数从2轴到9轴，液晶显示屏从5.4吋到15吋。满足用户从普及型到高档型的需求。3HNC-18i/18xp/19xp系列普及型数控系统，最大控制轴数：3轴（3轴联动）HNC-21/22系列中、高档数控系统，最大控制轴数：8轴（6轴联动）HNC-210A/B/C、HNC-28/32系列高档数控系统，最大控制轴数：32轴（4通道、9轴联动）2）全数字交流伺服驱动单元产品包括：HSV-18D、HSV-160、HSV-162、HSV-16系列,主轴驱动单元产品：HSV-18S系列。伺服驱动3000r/min，主轴驱动最大转速40000r/min。数字交流伺服驱动3）交流伺服电机包括：GK6系列交流伺服电机，转矩范围从1.1NM到70NM，GM7系列伺服主轴电机，功率范围从2.2KW到100KW,最高转速9000r/min。特种交流伺服电机，可4在-40℃～+60℃内工作，交流伺服电机防护等级达到IP66。交流伺服电机（2）多轴联动控制技术开发了6轴联动技术，通过参数配置就可适应从2轴的车床、3轴的铣床，到4轴的加工中心、5或6轴的多坐标联动数控机床的需求。开发了以下适用于多轴联动和高速加工的关键技术：1）多轴联动刀具中心点编程轨迹的非线性误差补偿技术（RTCP）为消除由于刀具相对工件的旋转而引起的编程轨迹非线性误差，建立了典型五轴机床的几何模型，利用刀具长度参数和方向信息，计算出转动轴引起的非线性轨迹误差，在移动轴上进行补偿，从而使刀具中心点严格按照指令轨迹运动。2）多轴联动刀具中心点速度平滑控制、前瞻速度规划技术采用基于工件坐标系的空间矢量编程（又称TCP）技术，根据工件坐标系的刀具方向信息，前瞻计算出各物理轴的速度、加速度约束所限制的工件坐标系下各程序段的最大允许速5度及过渡速度。保证加工时的运动参数不超过机床及驱动的物理特性限制，实现多轴联动中进给速度的平滑控制。3）多轴联动小线段高速插补、柔性加减速控制技术在前瞻规划中提前预读指令，分析加工轨迹，对小线段程序进行样条拟合，将短的直线段拟合成长的样条曲线，实现高速插补的同时，最大限度地降低速度波动；在必要的加减速阶段，采用S曲线加减速算法，实现一种柔性的加减速控制，避免产生机床冲击。（3）多轴联动加工工艺和编程技术1）任意结构数控机床通用后置处理软件平台后置处理软件平台的层次结构机床结构建模任意结构数控机床后置处理系统能够针对复杂结构的多轴数控机床进行运动正反解、速度校验、误差校验等运算，将刀轨文件解释为G代码，直接应用于多轴机床加工。2）大型螺旋桨叶片加工工艺与编程技术解决船用螺旋桨、发电装备关键零部件（如大型叶片、水轮机转轮等）制造加工的共性技术问题，大幅提高我国舰艇用螺旋桨的加工质量和加工效率。主要包括：大型螺旋桨工件集中数控加工方法；不同材料螺旋桨及其他叶片类零件加工刀具的选择技术；切削加工参数的优化、加工工艺规程的优化技术；适合于螺旋桨曲面多坐标联动加工的数控编程技术等。七轴五联动数控机床后置处理系统界面数控加工过程仿真63）数控机床动力学建模及仿真机床结合部动力学建模及模型机床再生颤振的非线性动力学模型提出了理论模型与试验模型相结合的数控机床动力学建模的方法。机床结构功能部件如立柱、床身等采用动力学有限元理论建模，而结合部（直线导轨中滚珠与导轨面形成的可动结合部、滑动导轨中两个滑动面形成的可动结合部等）采用实验建模。充分考虑机床结构的特点，特别是结合部动力学特性，建立了七轴五联动车铣复合数控机床动力学模型。对七轴五联动车铣复合数控机床进行了理论模态分析，得到了机床的前十阶固有频率和模态振型。4）磨削加工编程技术数控外圆磨、五轴联动工具磨削编程技术。可与专用的径向量仪、端面量仪配套使用，极大提高了加工精度及精度稳定性，实现在线全闭环磨削控制。针对磨削加工应用的手轮插入功能、斜轴控制功能、复杂砂轮轮廓修整量自动补偿功能、工艺卡编程功能、砂轮寿命全方位管理功能极大方便了数控磨削加工。（4）智能化检测与控制技术1）空间误差测量与补偿数控机床三维误差测量装置图三维位位移测量原理示意图空间几何误差补偿可低成本地实现机床误差的测量与修正，保持数控机床不因磨损而导7致精度丧失和恶化。开发了基于三维步距规数控机床诸离散点处的三维误差测量，实现指令目标位置误差的实时预测与补偿。误差在4μm内。该技术已获得国家发明专利。2）数控机床快速调试技术误差标定装置，通过设计专用夹具和相应软件，实现数控机床误差快速测量系统。简单设置参数后，由软件自动生成测量程序；利用光栅尺快速测量实际位置，与指令位置比较，得到误差。根据选择评价标准自动输出评价结果，并生成相应的误差补偿文件，通过网络或者串口传输给数控系统，快速实现误差补偿。该方法通过湖北省计量院的校准认证证书。申请发明专利。3）加工负荷自适应控制通过对加工负荷的监控，实时调整进给速度和主轴转速，可保证加工过程的安全，提高加工效率。开发的自适应控制装置，适用于各种数控机床，已成功应用于东方电机的叶片加工，提高效率25%，刀具更换次数减少约15%。4）对话式编程技术自动生成加工代码，实现加工参数的智能优化与选择，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间。该系统用于车床数控系统，编程效率提高3～10倍。友好的图形对话编程功能多种特征编程类型选择5）干涉校验安全保护8切削过程的实体仿真系统界面刀具与机床的碰撞采用二维或三维方式描述加工的刀具、夹具、工件等需要保护部分，在前瞻处理中，指令输出前首先对指定区域进行干涉检查，获知运动部件之间是否会发生干涉，进而根据检查结果进行指令输出或进行报警。具有保护区域设定、干涉报警功能。干涉检查算法时间8ms；干涉检查精度3mm以内。6）伺服特性分析技术轮廓误差显示与分析跟踪误差显示集成于数控系统内的伺服特性分析工具，具有轮廓误差显示与分析、速度曲线显示、跟踪误差显示等功能。通过对指令位置与实际位置的比较，可显示三种预置轨迹（整圆、尖角正方形、圆角正方形）的轮廓误差、实时显示单个轴的速度曲线和指令位置与实际位置之间的跟踪误差、多个轴的合成速度曲线。7）数控车间的网络化管理技术使用数控系统的串口或以太网通信协议，实现数控机床的车间网络集成，对数控机床机群进行全面的控制和管理，有效提高数控机床利用率，实现车间生产计划、任务管理、作业管理、设备管理、故障诊断与监控、数控加工程序管理与传输、质量管理等。9湖北佳旺70多台华中数控系统实现了联网山东鲁南机床数控生产车间网络示意图（5）二次开发技术华中世纪星数控系统采用PC嵌入NC的硬件平台，通过专用通讯接口软件，将硬件物理层的实现细节隐藏，再通过NCFACE软件模块，提供数控系统控制所需的所有API接口函数，使用户开发专用的数控系统成为可能。几年来，利用数控系统API接口模块，派生了60多种专用、特种数控系统，在特种加工工艺方面突破了一批填补国内空白的技术。（6）可靠性设计和生产技术1）硬件可靠性设计技术。采用FPGA、DSP、ARM等大规模智能芯片，大幅度减少元器件数量,提高系统硬件的集成度；采用标准化、模块化的设计技术；针对产品应用环境和用户群，采用ESD保护、短路保护与自恢复、数字化滤波等。2）软件可靠性技术。采用专业源代码管理工具Sourcesafe，实现设计、修改可重现、可记录、可追溯，提高了软件设计的可控性和可操作性；对系统软件及数据进行分级管理，不同级别的软件代码采用不同的存储方式与保护级别，关键程序与数据采用冗余和容错设计，避免了由于硬件不一致性、干扰及误操作等因素造成的故障。3）电磁兼容性技术。执行高于国家标准的IEC-4级标准。采用光电隔离技术、数字滤波技术、屏蔽技术等增加抗干扰能力，尤其加大了防止对外干扰的绿色技术的设计开发与应用，降低对其它设备以及电网的干扰（绿色驱动技术）。4）环境适应技术。采用远高于冗余设计、全密封设计、无风扇设计等，提高系统的环境适应能力。例如对于电网波动的适应能力已经作到±20%，对于温度的适应能力达到-40度，电机则达到IP67，IP68级，极大地扩展了产品的应用领域。5）结构工艺可靠性设计。结构件采用一体化模具设计及CAE等有限元分析软件提高结构设计的可靠性；内部采用无接插件设计，外部接口则采用板载方式，取消内部互联电缆；元器件采用表贴方式，增强抗振性能；对于可能产生共振性损伤的部分，例如线缆、LCD屏、滤波电容等均采用性能优良的减振和隔音材料进行防护；106）可靠性管理技术。建立了完备可靠性测试流程，包括EMC实验室及测试流程；环境和振动实验设备与测试流程；产品性能与功能测试流程及相关设备；生产过程测试设备与测试流程；制定相关的企业规范性文件。7）可靠性评估和验证技术。对产品进行可靠性跟踪与分析；对100台数控机床可靠性长期监控，取得了一批重要的现场数据，为产品的可靠性设计和改进提供了主要依据；与吉林大学、天津工程师范学院等高校展开长期的可靠性理论方面的合作研究。通过以上可靠性设计，产品的电磁兼容性指标高于国家标准一倍。如下表所示。测试项目国家标准实测结果脉冲群干扰≥±200