基础装备制造及高档集成数控机床研究进展

胡 涞 查 俊 朱永生 位文明 李东亚 罗 明牛文铁 陈耀龙

1.西安交通大学机械工程学院，西安，7100492.洛阳轴承研究所有限公司，洛阳，471039 3.西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安，710072 4.天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室，天津，300350

0 引言

航空航天技术是衡量一个国家整体科技与军事实力的重要因素之一[1]。在航空航天高端技术领域中，核心功能部件的各个参数等级决定了航空航天技术的整体发展水平[2]，如航空航天钛合金典型薄壁复杂零件中诱导轮、闭式叶轮、阀体等。由于这些核心功能部件必须在特定的机床、机床控制方式以及渗入非标机械部件中进行制造加工，因此，国家提出04重大专项《航空航天制造领域高速、高效数控机床创新能力平台建设》来对此领域进行攻关研发[3]。同样，“高档数控机床与基础制造装备”是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》确定的科技重大专项之一。在前期高速高效加工工艺及装备技术创新平台建设的基础之上，我们需进一步提高国产高档数控机床和功能部件的性能，共同解决航空航天制造领域内的重大技术问题。同时，还要继续重点突破专项中要解决的针对航空航天制造领域的高速高效数控机床的核心技术问题，提高为行业服务的能力。

航空航天制造领域高档数控机床创新能力平台分为高端电主轴技术研发、机床整机设计、机床控制和机床验证四大板块。国内外学者对四大板块进行了大量研究并取得不少成果。

对于电主轴的研发，LIU等[4]对主轴热误差建模方法进行了深入研究，采用解析仿真方法对主轴径向/轴向的线性热误差和角度热误差进行建模；TIAN等[5]提出了直接转矩控制改进方法，与传统直接转矩控制方法相比，改进后的方法能使主轴更快地达到预定的工作状态，且磁链和转矩的波动较小，控制更精确；GE等[6]提出了一种基于热变形平衡原理的电主轴热误差控制新方法，该方法与未采用热误差控制系统的电主轴相比，可减小97%的热位移，预期该方法也可应用于包括航空航天设备、光学和光学仪器在内的各种圆柱形高精度零件的热误差控制。

对于机床设计，李杰等[7]系统性地分析了现有五轴数控机床空间定位精度改善方法中尚需解决的问题；KUSHNIR等[8]研究了六种不同车削中心的布局，比较了几何误差和机床结构柔度对零件精度的影响；CHEN等[9]介绍了一种用于超精密机床的概念设计和基础设计阶段的集成系统。

对于机床控制，YAO等[10]提出了一种隐形数控(INC)系统的新型CNC系统，以此简化CNC体系结构，提高CNC体系结构可重构性和功能可重用性，并建立了一个INC原型，通过使用当前硬件可使INC承担不同的制造任务；BEAREE等[11]研究了伺服参数和轴动力学对轮廓精度的影响；PAPAGEORGIOU等[12]发现机床中自适应反推控制在实际加工磨损状态下对未知的和不断增加的机床磨损具有很大益处。

对于机床验证，LEE等[13]利用双球杆测量了五轴机床与位置无关的几何误差，建立其置信区间，通过调整机床旋转结构滚珠在刀尖处的位置来最大限度地减小安装误差，分析了测量结果的标准不确定度；ZHAO等[14]基于生物骨架和夹层杆的构型原理，采用结构仿生方法设计了一种内部带有加筋肋的机床立柱，仿生柱在质量减小6.13%的情况下，最大静位移还减小了45.9%，且动力性能随着前两阶固有频率的提高而提高。

学者们的研究和贡献远不止于上述文献，还有一些学者也进行了相关的研究[15-19]。

本文结合国家及机床行业创新平台建设思想，通过对平台目前研究成果进行总结，分析了高速电主轴单元关键技术、机床设计、机床控制以及机床验证四大板块内容。其中，高速电主轴单元关键技术包括高速主轴-刀柄-刀具系统动力分析、数字化仿真和样机模态验证分析；机床设计包括直线轴进给系统刚柔耦合-机电耦合动力学验证分析、多轴联动与高速五坐标混联加工装备分析、摆动/回转进给系统的机电耦合动力学模型验证分析、MTC1000镗铣磨复合加工中心结构创新设计(花岗岩四立柱、动横梁、力矩电机直驱45°摆头、油静压转台、多功能复合结构)；机床控制包括高速启停残留振动抑制技术验证分析；机床验证包括航空航天结构件高速加工现场的数据采集、映射、存储技术分析。最后展望了基础装备制造和高档数控机床的发展方向。

1 电主轴单元关键技术

主轴系统的动态特性对工件的加工精度、表面质量等有非常重要的影响，而刀具-刀柄结合面、刀柄-主轴结合面的合理建模对计算主轴系统动态特性的准确性和可靠性也有很大影响。根据主轴和刀柄间的实际相互运动状况，我们确定了结合面等效弹簧连接方式，并基于吉村允孝积分法[20]建立了结合面接触刚度的解析计算式，最后将HSK工具系统结合面动力学模型引入主轴系统，建立结合面的刀具-刀柄-主轴系统动力学分析模型。

首先，对刀具-刀柄结合面及刀柄-主轴结合面模型进行动力学分析，结果如图1所示，图中，激励比为1.0，对数衰减率为0，横向振动100%，轴向振动为0，扭转振动为0；然后，对刀具-刀柄结合面及刀柄-主轴结合面模型进行实验验证，如图2所示，采用锤击法进行验证，锤击信号采用PCB086C03型力锤施加，灵敏度为2.25 mV/N，振动信号用B&K三向加速度传感器采集，灵敏度为102.5 mV/g，数据通过16通道数据采集系统米勒贝姆进行采集，并通过电脑进行分析，实验结果如图3所示；最后，将一阶模态响应的理论值和实验值进行对比，如表1所示，刀具-刀柄系统一阶模态频率理论值与实验值相差0.5%，刀柄-主轴系统一阶模态频率理论值与实验值相差2%，认为结合面模型准确。

表1 一阶模态实验值与理论值对比

(a)刀具-刀柄结合面 (b)刀柄-主轴结合面

(a)刀具-刀柄结合面模态测试实验

(a)刀具-刀柄结合面

本文以转速和装配过盈量为变量，对刀柄与主轴接触进行仿真，得到接触锥面和接触端面在不同转速和不同过盈量下接触压力的大小；然后，通过接触压力与结合面刚度关系式得到刀具与刀柄结合面以及刀柄与主轴结合面的接触刚度，并采用轴承拟静力学模型求得主轴轴承刚度；最后将HSK结合面动力学模型引入主轴系统，建立考虑结合面的主轴-刀柄-刀具系统动力学分析模型，并对动力学模型进行数字化仿真分析。动力学分析模型将主轴划分为30个节点，拉杆划分为32个节点，主轴+拉杆与主轴+刀柄结合面+刀具结合面+拉杆都为62节点，如图4所示。

图4 主轴+拉杆+结合面模型及节点划分

静态分析结果如表2所示，临界转速分析结果如表3所示。主轴+拉杆加入刀柄结合面后轴系变形变小，因此刚度变大。根据主轴+拉杆+结合面分析，一阶临界转速位于工作转速内，因此工作转动时可能会产生振动。考虑结合面影响后整个轴系的固有频率降低，同时对整个轴系分析来讲，拉杆与刀柄结合面极大降低了整个轴系的固有频率，不会产生振动。

表2 模型静态分析结果

表3 模型无阻尼临界转速结果

对主轴-刀柄-刀具系统模态进行整机测试。加速度传感器安装在主轴外壳上，如图5所示，测试结果为一系列固有频率。本项目对三款电主轴进行了理论技术研究和实验验证，三款电主轴结果如表4所示。

图5 主轴-刀柄-刀具系统模态测试

由表4可以看出，三款电主轴的实验值与理论值最大误差为0.7%，主轴-刀柄-刀具系统动力学分析模型能更加直观地得到主轴系统的固有频率，且可以认为其计算结果与实验测试结果一致。

表4 实验对比结果

2 高档机床设计共性技术

关于高档机床设计共性技术的研究，本文主要针对6大动力学建模、系统软件设计和典型的创新机床设计成果进展进行总结。

2.1 直线轴进给系统刚柔耦合动力学分析

为对机床直线轴进给系统动态特性展开全面研究，并为后续动态误差的研究奠定基础，我们基于动态子结构综合法，考虑各结合面线刚度、角刚度和丝杠的各向振动，同时考虑丝杠柔性，建立了直线轴进给系统刚柔耦合动力学模型。进给系统等效模型如图6所示。

图6 进给系统等效模型

2.2 直线轴进给系统机电耦合动力学分析

为了对进给系统的机电耦合特性进行研究，根据推导的进给系统刚柔耦合模型和交流永磁同步电机控制系统模型，建立了基于MATLAB/Simulink的进给系统刚柔耦合-机电耦合动力学模型，如图7所示。

图7 进给系统刚柔耦合-机电耦合动力学模型

2.3 模态缩减的直线进给系统刚柔耦合-机电耦合动力学分析

考虑结构件柔性、进给系统传动件结合面间刚度和滚珠丝杠的柔性特征，构建了基于模态缩减的刚柔耦合-机电耦合进给系统动力学模型，如图8所示。

图8 基于模态缩减的刚柔耦合-机电耦合进给系统动力学模型

2.4 多轴联动进给系统的机电耦合动力学分析

以单轴进给系统机电耦合动力学模型为基础，考虑轴间耦合因素，在Simulink模块下，建立了多轴联动进给系统的机电耦合动力学模型，如图9所示。

图9 多轴联动进给系统的机电耦合动力学模型

2.5 摆动/回转进给系统机电耦合动力学分析

数控机床摆动进给系统采用皮带轮、蜗轮蜗杆机构以及齿轮配合来实现A轴和B轴的摆动运动。由于A轴与B轴摆动进给的传动方案一致，故以B轴为例进行说明。图10为B轴摆动进给系统示意图，图中q表示转速。建立摆动进给系统机电耦合动力学模型，如图11所示。

图10 摆动/回转进给系统

图11 摆动/回转进给系统机电耦合动力学模型

2.6 高速五坐标混联加工装备机电耦合动力学分析

为了研究机电系统的耦合作用及其对高速五坐标混联加工装备综合性能的影响，建立了高速五坐标混联加工装备的整机机电耦合动力学模型，并初步分析了其机电耦合性能。依次建立了进给系统机械结构部分的数字化模型和虚拟样机动力学模型、电机伺服系统(含控制系统)的仿真模型、高速混联加工装备进给系统的机电耦合整体动力学模型，并分析了典型运动中机电耦合状态下的输出特性，为后续开展惯性、刚度、阻尼等要素对整机及进给系统动特性、多轴联动精度影响规律的研究，以及伺服电机惯量与负载惯量匹配等研究奠定技术基础，如图12所示。

图12 高速五坐标混联加工装备进给系统的机电耦合仿真模型

2.7 进给系统机电耦合动力学软件系统

进给系统机电耦合动力学仿真与设计软件系统包括用户信息管理功能、进给系统选择功能、机电耦合动力学仿真功能，系统框架见图13。以摆动进给系统机电耦合动力学仿真为例，界面见图14，包括A轴仿真选项卡、B轴仿真选项卡、参数导入及参数输入区、Simulink仿真按钮以及模型展示区。通过选择选项卡，按照消息提示框以及模型示意图将参数从SolidWorks中导入，即可进行Simulink仿真计算及仿真结果显示。

图13 进给系统机电耦合动力学仿真与设计软件系统

2.8 MTC1000镗铣磨复合加工中心创新结构设计

在04专项平台中，重点研发了一台MTC1000镗铣磨复合五轴加工中心，该加工中心主要应用于航空航天类典型零件的加工。MTC1000五轴机床试验台设计要求如下：加速度不低于1g，最大进给速度不低于80 m/min，角加速度不低于1.25 rad/s2，最大转速不低于60 r/min，多轴联动动态轮廓误差不大于0.05 mm。为达到以上要求，须对五轴机床进行创新设计。整体设计如图15所示，装配外形如图16所示，内部重要结构如图17所示。

图15 MTC1000镗铣磨复合五轴加工中心设计图

图16 MTC1000镗铣磨复合五轴加工中心装配图

图17 MTC1000镗铣磨复合五轴加工中心内部重要结构

如图15～图17所示，在MTC1000整体结构设计中，采用了花岗岩四立柱、动横梁、力矩电机直驱45°摆头、油静压转台以及多功能复合结构。该结构可满足我国航空航天难加工部件的加工。考虑到传统机床钢件基座会随着年限的增加，内部出现变形，应力发生变化，从而导致机床加工精度降低并且不稳定，因此MTC1000基座采用花岗石材质，可提高机床加工精度和精度稳定性。

3 高档机床控制分析

3.1 算法原理分析

数控机床在高速启停运动阶段，进给系统末端(刀尖点或工件切触点)会出现残余振动，表现为收敛振动的过渡过程。该残余振动会影响加工表面尖角与大曲率突变段的加工质量，造成过切/欠切与表面振纹，或在钻攻加工中降低定位精度，延长定位时间。抑制残余振动的难点在于以下两个方面：从控制的角度，进给系统末端不直接可测且不直接可控，这极大地限制了抑振效果，增加了控制难度；从指令的角度，难点则在于如何权衡/规避快速性与平稳性的矛盾。为此，本项目综合采用分段直线加减速与峰值滤波器控制技术，较好地解决了数控机床高速启停振动抑制问题。分段直线加减速过程能消除指令中指定频段处的能量，从而避免在启停过程中激励起进给系统的共振模态。从原理上，这样的频率消去作用来源于脉冲序列对指定频率响应的“抵消”作用，或称为“延迟滤波”作用。

3.2 实验验证

分段直线加减速算法的实验室验证通过数值仿真完成, 在Simulink中分别建立直线形、S形以及分段直线形加减速的有限长脉冲滤波器模型，如图18所示，通过仿真结果对比验证算法的有效性。设伺服进给系统为二阶系统，进给系统的谐振频率为50 Hz，阻尼比为0.2，在加速时间和最大速度相同时，得到理想指令经过三种加减速方式处理后作用于伺服进给系统后的速度响应与速度波动的频谱，如图19所示。

(a)直线形

(a)速度响应曲线

由图19可以看出，直线形和S形加减速的方式均产生了速度波动，且速度波动频率为进给系统的固有频率50 Hz。分段直线形加减速后的指令几乎没有造成速度波动，很好地抑制了速度波动的产生，使进给系统的运动更加稳定。

3.3 集成验证

为了更好地说明仿真结果的可行性，进行集成验证。高速启停残留振动抑制算法的集成验证在装备GNC62数控系统的立式加工中心上进行，在机床Y轴上运行加减速启停过程，通过停止段的主轴末端残留振动来考察算法的效果。采用的运动参数如下：行程100 mm、速度15 m/min、加速度5 m/s2，对比用的加减速算法为传统直线加减速算法。图20为现场仪器布置图，图中激光干涉尺动态采集主轴末端的位移信号，用于考察加减速过程的残留振动情况。

图20 加减速运行过程测试装置图

测试结果如下：Y轴的残留振动频率为25.7 Hz，衰减率为62%。据此设定加减速参数，如表5所示。同时，限制增益提高的振动频率为659 Hz，相角为-202°，据此设定峰值滤波器参数，如表6所示。

表5 分段直线加减速参数

表6 峰值滤波器参数

高速启停残留振动抑制算法的效果对比如图21所示，可见采用抑制算法后停止段的残留振动显著减小。分段直线加减速残留振动数据如表7所示。

图21 分段直线加减速抑振效果对比

表7 分段直线加减速残留振动数据

高速启停残留振动抑制算法已成功集成到GNC62数控系统的数控功能与伺服驱动中。经现场验证，集成该算法后，高速启停残留振动的抑制性能有了显著改善，加减速启停过程(加速度为5 m/s2)的停止段动态误差由56 μm减小到5 μm,振动时间由228 ms缩短到50 ms。

4 机床验证

4.1 结构件高速加工现场数据的采集、映射与存储系统的搭建

针对航空结构件高速加工过程的实时监测问题，搭建了切削加工现场数据的采集、映射与存储系统，如图22所示，该系统可为切削数据的处理、切削参数的优化及形成切削大数据服务原型系统提供硬件支持。切削过程的切削力、加速度等过程数据由带监测功能的夹具测量得到，该夹具中的每个定位和支撑元件嵌入了独立测力单元，可通过获取每个定位点和支撑点由切削力引起的动态装夹力来计算切削力，同时可以监控装夹状态。多个振动加速度计分布在主轴箱外壳、工作台和夹具体表面，同时监测加工工艺系统中各子结构不同位置的振动。加工完成后，工件表面质量(如粗糙度与表面纹理等)可由轮廓扫描仪测量得到。加工后工件厚度由在机测头进行在机测量获得。机床功率来自数控系统内部数据，同时可支持读取实时主轴负载功率、主轴转速、进给、机床坐标和工件坐标等信息。上述监测数据通过工业以太网数据采集器进行收集与处理，并实时上传至数据接收端(PC)，经进一步数据预处理后分类上传至数据库服务器进行统一管理。基于数据库服务器中积累的现场数据，高性能计算工作站可展开加工过程分析与参数优化等数据应用功能。将提取到的数控系统内部的时间、机床坐标和工件坐标进行时空映射，将切削力、振动、实时加工参数、机床功率等与工件加工位置、加工后工件表面质量和几何精度相对应，可用于后续数据分析和加工过程优化。

(a)系统设计构成

4.2 实验验证

以某航空铝合金结构件为对象，开展现场加工数据采集、映射与存储系统验证，如图23所示。加工过程中的切削力和加速度信号经电荷放大器放大后由工业以太网数据采集器采集，并由采集器通过以太网接口将数据实时传递至数据接收端，随即上传至数据库服务器进行管理。在铝合金结构件加工完成后，由表面质量在机监测系统进行表面质量光学扫描，扫描结果可直接传输至数据接收端，并上传至数据库服务器，为后续大数据服务系统的数据分析和工艺优化提供数据基础。

图23 某航空结构件加工现场数据采集、映射与存储案例

以航空铝合金结构件为例，分别展示功率信号、切削力信号、加速度信号与该结构件的时空映射，如图24所示。

图24 某航空结构件现场数据时空映射案例

为实现上述时空映射，需要对现场加工数据进行采集。项目研究中，提出并实现了基于嵌入式传感的现场数据采集方法。图25所示的力传感夹具系统由一组集成薄膜压力传感器的夹具组成。图25a为由多个集成薄膜压力传感器的夹具定位支撑工件的示意图，图25b为集成薄膜压力传感器的夹具结构。力传感元件由两个高分子聚合物型(PVDF)薄膜传感器组成，薄膜传感器由压块和底座上下两部分装配在一起，两部分可通过螺钉连接。在图25b中，底座下部分固定，压块顶部与工件接触。由于PVDF传感器的厚度很小，当施加力时上部不会滑动或旋转，因此可以假设只有法向压力作用于PVDF传感器，忽略传感器的剪切效应。

图25 带铣削力测量的夹具系统

为了对比，同时采用Kistler测力台测量动态铣削力。在铣削实验中，主轴转速设定为3000 r/min，进给速度设定为100 mm/min，铣刀为直径6 mm的4刃平底铣刀，径向切深为1 mm，轴向切深为0.8 mm，顺铣结果如图26所示，逆铣结果如图27所示。可以看出，测力夹具测量结果与测力台测量结果吻合较好，图中刀齿周期和主轴周期清晰可见。保持其他参数不变，改变径向切深ae为0.5 mm，结果如图28所示，可以看出，随着径向切深减小，刀齿啮合时间明显缩短。

(a)X方向的铣削力 (b)Y方向的铣削力

(a)X方向的铣削力 (b)Y方向的铣削力

(a)X方向的铣削力 (b)Y方向的铣削力

在项目实施过程中，还研究了基于动态装夹力监测的加工状态数据监测方法，并设计制造了原型系统。监测模型如图29所示，实验系统如图30所示。实验采用TC4钛合金薄壁件作为对象，刀具为硬质合金4齿平底铣刀，压电传感器采用PVDF压电薄膜传感器，并将传感器内置于夹具内侧，对工件和夹具间的动态夹紧力信号进行实时监测。铣削实验参数设置如下：主轴转速为3000 r/min，进给速度为1000 mm/min,切削深度为3 mm,切削宽度为0.1 mm。通过数字信号采集器采集信号并传递至数据接收端，进而显示动态夹紧力的实时信号。

图29 监测模型

图30 实验系统

根据图29和图30进行实验，结果如图31所示，其中，1为工件的加工表面结果，2为各阶段监测信号的频谱分布，3为实时监测的动态夹紧力时域信号，4为监测信号的小波时频图。由加工参数可知，切削时间为6 s，刀齿通过频率为160 Hz。铣削实验过程可分为A、B、C三个阶段。

图31 加工现场数据采集结果

由图31可知，在阶段B中，加工过程发生了剧烈的颤振，工件表面留下了明显的振纹；同时，在阶段B的时域信号中，动态夹紧力也反映出了剧烈的波动现象，其频谱分布和小波时频图中也出现了明显的颤振成分。阶段A和阶段C的时域信号相对于阶段B较为稳定，且信号频谱主要由刀齿通过频率及其倍频组成，因此阶段A和阶段C的切削过程较为稳定。在时频信号中，阶段A和阶段C在640 Hz以上没有出现杂乱的频谱分布，仅刀具切入时的振动和切出时的振动被反映出来；同时，相对于阶段B的工件表面，阶段A和阶段C的表面较为平整。因此，薄壁工件铣削过程中的振动监测可以通过动态夹紧力的测量来实现，且根据动态夹紧力信号的动态特性也能对当前加工过程的稳定性进行初步的推断，从而实现对加工过程的在线监测。

5 结语

(1)国与国之间的硬实力竞争持续存在，航空航天领域的技术发展也备受瞩目。从04重大专项课题层面上，所研究的试验机床基本满足要求，但从技术稳定性和推广性方面考虑，还需加大力度。

(2)目前，我国在航空航天领域的技术水平虽然有所进步，但与全球航空航天领域对比，还有差距，必须大力发展。主要体现在制造加工理论、工艺及基础体系装备的原创性和系统性掌握不够深入。高档数控机床关键核心部件技术仍未掌握在国人手中。

(3)典型材料及复杂零件的高端制造、超精密制造可能是未来基础装备制造及高档数控机床发展的方向，包含加工工艺、制造新理论、高质量制造尖端技术、模块区域化生产技术以及尖端技术新标准等，这使得高档、高效、高速/超高速基础装备和集成数控机床面临更高的挑战和机遇。