特种车辆领域国产数控系统应用效果分析与评价*

翟鹏远，吴玉广，杜 强，班永华

(1.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089；2.国家机床产品质量监督检验中心(山东)，山东 滕州 277500；3.内蒙古第一机械集团有限公司，内蒙古 包头 014000)

1 基本概况

1.1 背景介绍

近年来，我国特种车辆领域为适应精确打击、集成化、轻量化需求，关键零部件越来越多采用了超强合金材料，结构复杂程度越来越高，加工制造难度逐步增加，对数控机床及数控系统的自适应、精密化、柔性化、智能化等方面提出了更高要求[1-3]。此外，由于数控系统关系到军工产品研制生产安全与国家安全，西方国家对我国实行出口限制和监督使用政策[4]。长期以来，国产数控设备尤其是国产数控技术的落后，使国内军工企业处境尴尬。在国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”(04)专项课题的支持下，国内数控系统企业突破了现场总线、高速高精、多轴多通道、同步控制和可靠性等一批关键核心技术，自主研发了华中数控HNC-808/818/848型、广州数控GSK-980T/980TA/980TD等一批数控系统产品。

因此，针对特种车辆领域数控设备老旧、维修困难、加工精度与效率无法满足产品质量和生产任务要求等问题，利用我国现有数控机床优势能力，突破进口替代设备的组线/联网/智能化等关键技术，开展国产数控系统在典型设备上的应用与验证，形成技术标准与规范，提升数控加工的适用性、实用性、可靠性，提升企业智能制造能力、水平和生产效率[5-7]。

1.2 应用特点

1)设备种类多、数量大。特种车辆领域涉及加工中心、铣床、车削中心、数控专机、磨齿机、钻床、插齿机等多类型数控设备。选取典型加工设备56台：加工中心类设备共计45台，占比80%左右，其中包括立式加工中心12台、卧式加工中心27台、立卧转换加工中心6台；镗铣床类设备共计8台，其中镗铣中心1台、对置镗1台、落地镗铣床4台、龙门铣床1台、镗铣加工中心1台；车削中心类设备2台；数控磨齿机1台。

2)设备档次高、难度大。国产数控系统应用示范工程典型数控设备，如2台五轴加工中心(HEIDENHAIN TNC426、NUM)、1台数控龙门铣(SIEMENS)、1台车削中心(Fanuc 18-T)等设备档次较高，设备原值均在300万元以上，目前同规格机床国产设备市场价格均高于原值或与原值相当。诸如此类设备功能需求齐全，现有国产数控系统难以助力完成设备国产化升级改造，必须针对此类需求开展国产数控系统个性化定制，因此设备升级改造难度较大。

3)加工质量难以控制。特种车辆领域重点产品关键零部件精度要求高，材料余量大，加工变形难以控制，加工精度不稳定，并且零件涉及高强高硬材料，工序复杂，加工质量不稳定，疲劳寿命难以保障。目前关键加工设备老化、磨损、精度退化，可靠性降低，亟需通过国产数控系统升级改造提升加工效率和加工质量。

1.3 解决途径

目前，国内数控系统企业研制的高档数控系统具有多通道多轴联动、高速高精加工能力，能够适应于数控车/铣、车削中心、立卧加工中心、五轴龙门机床等重型、高速、精密数控机床及各种专用设备，已在航空航天、汽车等重点领域开展了示范应用[8]。国产数控系统应用示范要依托国内优势数控系统企业，充分挖掘和利用国家科技重大专项04专项支持的国产数控系统、国产数控机床等前期项目研究成果，通过在役数控机床换脑升级，提升换脑设备加工精度和效率，通过开展进口数控系统国产替换的技术方案研究和验证，全面提升国产高档数控系统的性能与功能，建立面向制造领域关键零件加工制造的应用平台，形成系统化数控系统和成套解决方案，解决制造企业老旧装备的更新换代、产能不足、维修困难等问题，整体提升企业的制造水平，以及产品的可靠性和稳定性[9-10]。

2 试验测试

2.1 测试依据

国产数控系统升级改造前后测试依据GB/T 17421.1—1998《机床检测通则 第1部分：在无负荷或精加工条件下机床的几何精度》、GB/T 17421.2—2016《机床检测通则 第2部分：数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定》、GB/T 1958—2017《产品几何技术规范(GPS)几何公差 检测与验证》和GB/T 3177—2009《产品几何技术规范(GPS)光滑工件尺寸的检验》等标准进行。

2.2 状态确认

1)测试机床的测试依据与测试项目；2)测试机床基本参数一览表、生产单位名称、机床生产日期、机床唯一性编号；3)报告的形式(检测报告、见证报告)；4)被测试单位指定具有相应权限的人员在测试现场配合机床中心技术人员开展工作，包括现场的协调、测试的配合和对测试结果的确认等；5)完成机床水平测试、温升等准备工作后，在预期时间内将机床提供给机床中心开展测试活动。

2.3 测试条件

1)在满足机床正常使用条件的场地开展测试；2)机床测试时，应注意防止气流、光线和热辐射的干扰，应防止受环境温度变化的影响，有恒温要求的机床应在规定的恒温条件下进行测试，检具在使用前应与机床等温；3)测试前，确保将机床安置在适当的基础上，按照机床使用说明书调平机床，并应符合相应的精度测试标准中所固定的安置要求后，注入适量如润滑油、切削液等保证机床正常工作的工作液；4)测试前，确保机床的输入电压、电流、额定功率以及用气压力，争取将动力源接入机床，使机床正常工作。

2.4 测试流程

确认数控机床国产化升级改造情况，依据任务合同书和设备改造技术协议等文件，采用查看设备状况、比对设备档案、核对机床改造过程信息记录、技术人员沟通等方式对机床设备的改造情况进行确认；测试数控机床几何精度和定位精度，测试关键零部件加工精度，技术人员随机抽取所见证设备现场加工的关键零部件，委托方采用其能够满足测量精度要求的检测量具或检测设备(三坐标测量机、齿轮检测仪等)开展测试。

3 应用效果分析与评价

3.1 国产数控系统应用效果分析

3.1.1 机床精度分析与评价

数控机床静态和动态精度直接关系到产品零件的加工精度，为分析和评价国产数控系统应用示范工程的实施效果，首先分析评价数控设备精度的变化情况，选取XK2430×60数控龙门镗铣床为代表，分析开展国产数控系统应用示范工程后数控设备的精度变化。经过国产数控系统升级改造，XK2430×60数控龙门镗铣床X轴双向定位精度从0.027 mm提升至0.009 mm，Y轴双向定位精度从0.022 mm提升至0.012 mm，Z轴双向定位精度从0.028 mm提升至0.009 mm，双向定位精度得到了一个数量级的提升；X轴双向重复定位精度从0.018 mm提升至0.008 mm，Y轴双向重复定位精度从0.017 mm提升至0.010 mm，Z轴双向重复定位精度从0.017 mm提升至0.008 mm，双向重复定位精度也实现了较大的提升和改进。

3.1.2 运行状态分析与评价

采用华中数控HNC818M/B对VMC750立式加工中心进行国产化升级改造后，进行了数控机床运行记录，总运行时间为2 211 h，平均每月工作191 h；发生故障11次，其中含Z轴伺服模块故障1次、刀库故障1次、主轴松刀故障4次、换刀故障5次，因故障导致停机时间累计46 h，设备故障率为8.6%。分析故障发生原因，主要包括如下几点：1)驱动器硬件故障引起；2)线路故障，引起刀库故障；3)主轴拉刀螺钉松动引起主轴松刀故障；4)气压问题引起换刀故障。针对上述故障采取应对措施：1)更换新的驱动器；2)更换刀库电动机的控制电缆；3)重新紧固主轴拉刀螺钉；4)调整气压。经过上述处理措施后，设备恢复正常。

3.1.3 生产验证分析与评价

对数控设备改造后首要的工作是进行生产验证，综合分析评价零部件加工精度和良品率等。以TC-500卧式加工中心为例，该设备在试生产期间承担特种车辆领域22种阀体零件半精加工工序的生产任务，其中完成小批量加工变矩器定压阀体118件、闭锁换档阀体40件、单向阀安全阀阀体42件。经检测所有零件尺寸均合格，工序良品率达到100%，符合工艺要求。抽取变矩器定压阀体10个零件对油槽宽20、M42×2-6H、φ27.7H11、接合面粗糙度1.6进行了检测。实测结果表明，所有尺寸符合工艺要求，并满足本课题要求。

3.1.4 数控系统功能分析与评价

PV1800立式加工中心和MCP-H460卧式加工中心分别采用华中数控HNC818M/B和华中数控HNC848D/MB。预先准备2种有代表性的车辆传动系统零部件毛坯，用于操作系统功能生产试验验证。开机启动程序后，输入设备改造前使用的原程序，先后对系统的直线插补、圆弧插补、螺旋线插补等插补功能进行了测试；对刀具轨迹图形模拟、刀具长度、半径补偿、坐标系旋转、比例缩放、镜像等功能进行了测试；对程序指令、编程参数、系统响应等数控功能也进行了测试，满足各种复杂零件的加工，操作系统功能齐全，使用效果良好。

3.2 国产数控系统应用评价

2012年，国家04专项数控系统重点任务转向对标，高档数控系统瞄准具有五轴联动、多通道、高速高精、车铣复合功能的国外先进系统；中档普及型、标准型系统瞄准市场占有率大的国外数控系统。2015年6月到2016年2月，国家机床质量监督检验中心组织专家对国产数控系统进行了评测，华中8型数控系统、广州数控系统通过了全部633项标准型对标评测项，通过率为100%；华中8型数控系统通过了1 952项高档型对标评测项，通过率达98%。在此选择典型华中HNC848D/M系统和西门子840D系统进行如下对比评价。

1)主要功能。

原西门子840D数控系统功能包括：a.支持6个伺服轴，可以实现控制6轴4联动；b.采用10.4寸彩色液晶显示屏，程序存储方式为机械硬盘，具有串行、以太网和Profibus接口；c.具有三坐标直线插补、螺旋线插补，任意两坐标可实现圆弧插补，具有丝杆螺距误差补偿和测量系统误差补偿，刀具长度、半径补偿；d.具有直角坐标系、极坐标系混合编程功能，支持坐标系平移、旋转、镜象、缩放功能；e.变量及参数运算，程序跳转及分支功能；f.软极限、工作区域限制、主轴转速限制保护等功能。华中HNC848D/M整体功能与西门子840D系统相近，但在系统运算速度、程序存储方式、液晶显示屏尺寸和分辨率、扩展和数据交换接口等方面，华中HNC848D/M系统硬件配置优于西门子840D系统。

2)人机操作界面。

数控系统操作界面是用户与机床直接进行交流的窗口，友好的操作界面可以让机床操作人员更加直观地了解数控系统，提高工作效率。原西门子840D系统为德国进口系统，人机界面语言主要以英语和德语作为操作界面显示语言，不能适应国人的操作习惯；另外，西门子数控系统参数设置画面，用户想了解具体参数内容就必须查阅参数手册，只看画面不可能了解其内容，用户在调试过程中需要修改参数时必须翻阅参数手册，了解参数的相关设置内容与设置区间，降低了工作效率。华中数控的操作界面简单直观，初始显示界面分为坐标显示区、进给显示区、MDI编程显示区和偏置显示区，由相应的功能软键来切换到不同的界面，功能软键采用树状结构，在调试中几乎无需借助使用说明书即可了解相关设置内容与设置区间。总体上说，华中系统界面符合国人习惯，系统分项页面明确，注释详实，操作方便。

3)故障诊断。

华中HNC848D/M系统具有外围X和Y输入输出信号在线监控诊断功能，G和F接口信号在线监控功能；通过系统面板可以在线监控PLC程序，而且每个信号地址下带有中文注释，排查故障时一目了然。原西门子系统外围X、Y输入输出信号和系统接口信号的监控需要查找机床电气图样或者手册，找到对应信号在诊断界面中输入信号地址进行监控，且无法通过系统面板在线监控PLC程序，如要监控需要借助专用软件和数据线进行通信监控，给现场维修和调试带来了极大的不便。对比原西门子840D数控系统，华中HNC848D/M系统更加方便，方便对系统故障的分类排查。

4)经济性。

西门子840D系统和华中HNC848D/M系统属于同性能同档次数控系统。西门子840D数控系统比华中HNC848D/M系统价格高3倍以上；华中数控系统备件价格低，采购时间短。目前，大部分国外产品是由我国的代理商销售的，但代理商没有能力进行技术支持，此类弊端日益突出。国产数控系统在可靠性、稳定性方面暂不如进口系统，但随着国产数控系统自主可控能力的不断提升，国产数控系统的价格优势和技术服务能力将改善其不足之处。

4 结语

通过分析研究特种车辆领域国产数控系统应用现状，挖掘在役数控机床国产数控系统应用需求，在完成在役数控机床国产数控系统升级改造基础上开展了国产数控系统工艺匹配性技术研究，分析了数控机床精度、运行状态、数控系统功能等多维度参数变化，对比国产数控系统和进口数控系统在功能、操作界面、故障诊断和经济性等方面的差异。结果显示，国产数控系统应用示范效果非常显著。当然，特种车辆领域数控机床在组线、联网和智能化应用等方面仍有较大进步空间，国产数控系统稳定性有待进一步提升，通过在智能制造单元/生产线上开展集成验证，提高企业制造数字化和智能化水平。