国产高档数控装备,助力航天高效制造

佚名
2020-06-01
来源:网络

航天飞行器轻量化结构件试验验证示范

  50年前,中国成功研制并发射了第一颗人造地球卫星“东方红一号”,成为全球第五个自行研制和发射人造卫星的国家。半个世纪以来,特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关和特别能奉献的中国航天精神,一直在推动着中国航天事业的阔步前行,产生的诸多空间技术成果,也带动了国防现代化建设、国民经济和科技的进步与发展。

  在50年的发展历程中,隶属于中国航天三江集团有限公司的湖北三江航天红阳机电有限公司(以下简称红阳公司),始终坚持“国家利益高于一切”的核心价值观,不断自我提升,先后建成了院士专家工作站、先进焊接技术湖北省重点实验室、树脂基结构与功能材料技术湖北省工程实验室、湖北省管道智能焊接成套装备工程技术研究中心和湖北省校企共建中小型船艇动力技术研发中心,并成为中国航天科工集团公司“复合材料工艺研究分中心”和“焊接工艺分中心”的组成单位,从而为企业的健康快速发展集聚了强大后劲。

  近年来,红阳公司联合国内众多企业、知名高校,走出了一条成功的产、学、研、用联合发展之路。以红阳公司为核心的联合开发团队,围绕“国产设备和技术在航天飞行器大型复杂结构件制造领域的示范应用”工程,突破了功能一体化结构件、异形复合材料结构件等产品生产用关键加工装备和成套应用技术难关,形成了面向多型号大型复杂结构件的制造技术及装备应用示范线;突破了国产高档数控装备规模化、批量化应用瓶颈,在大幅提升红阳公司型号研制能力的同时,还带动了国产高档数控机床与基础制造装备的发展,提升了国产高档数控装置在航天领域的市场占有率,为后续的进一步发展奠定了基础。

  多方联合,集智攻关

  与红阳公司紧密合作,众多国内机床行业企业通过联合攻关,成功开发出一系列满足航天领域应用需求的加工装备,包括:陕西秦川机床集团有限公司研制出大型立式车铣复合加工中心、宝鸡机床集团有限公司研制出卧式数控车削中心、济南二机床集团有限公司研制出大型五轴龙门机床所需数控双摆头、武汉重型机床集团有限公司研制出大型数控立式车削中心以及齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司研制出大型龙门复合材料成型装备;一些新生力量,如浙江日发精密机械股份有限公司、北京广宇大成数控机床有限公司和湖南江南四棱数控机械有限公司等,分别研制出大型高档数控机床主机以及数控摆头、车铣复合转台和摇篮转台等核心功能部件、工业机器人等;武汉华工激光工程有限责任公司和武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、哈尔滨焊接研究所和北京自动化研究所等知名企业和研究机构,以及华中科技大学、西安交通大学和南京航空航天大学等重点院校,成功开发出国产大功率激光器、激光复合焊接装置以及复合材料铺缠头、复合材料铺丝头和布带缠绕头等核心功能部件及控制软件。

  上述所有主机,均采用了武汉华中数控股份有限公司(以下简称华中数控)开发的国产数控系统,实现了对国产高档数控机床的五轴、六轴和七轴联动控制及双通道多轴联动控制,所控制机床类型涵盖:大型龙门立式七轴五联动车铣复合加工中心、大型六轴双模式五坐标龙门加工中心、大型复合材料立式车削中心、国产大功率光纤激光器及焊接机器人、大型立式八轴控制七轴联动铺缠成型装备、大型卧式纤维缠绕铺放一体化成型装备和大型龙门纤维铺放布带铺缠成型装备等。

  在设计开发、安装调试和应用验证过程中,团队克服了重重困难,突破了三类车铣复合加工中心、六轴双模式五坐标龙门、桥式双驱摇篮五轴加工中心等高档数机床所涉及的制造、装配和调试等各种技术瓶颈,系统地解决了设备主机结构及运动配置、主轴头的设计与选型、车铣复合数控双驱转台、高速及重载铣削摆头、高速铣削复合摆头及车铣刀柄共用、除尘系统及液压系统设计等技术难题。同时,第一次成功地采用了国产华中数控系统在国产大型立式车铣复合加工装备上的应用,实现了车铣复合装备主机、数控系统和功能部件的国产突破。

  国产大型车铣/铣车复合加工中心装备示范应用取得成功,有效提升了公司系列型号产品研制和批量生产平台的整体装备能力,采用国产大脑控制国产机床实现了自主可控的目标。

  采用不同构型的车铣复合加工中心,提升了系列舱体的加工效率30%以上。大型铝合金/钛合金/复合材料铣车复合加工中心等3种国产高档数控装备,弥补了红阳公司在钛合金、复合材料等航天常用材料切削加工制造装备上的能力不足,同时填补了国产大型立式车铣复合及铣车复合加工中心装备的空白,为公司在型号产品研制和批产能力转型升级方面,奠定了基础并发挥着重要的作用。

  通过多方联合,集智攻关,不仅创新出了大型车铣复合、六轴双模式五坐标联动、大功率激光器焊接、七轴联动自动铺缠与铺放、五轴联动高速缠绕等关键工艺装备及成套技术,满足了航天装备关键部件对加工技术的要求,而且还利用国产数控系统对一些老旧关重设备进行了升级改造,赋予其新的生产力。

  总之,国产装备、国产数控系统、国产核心功能部件及国产刀具在红阳公司的应用,保障了航天制造的自主可控,提升了国产装备和技术在航天领域的市场占有率。

  国产系统,优化可控

  应用于红阳公司的一系列国产数控机床,包括大型立式车铣复合加工中心、大型立卧转换式铣车复合加工中心、六轴双模式五坐标联动龙门加工中心、桥式双驱摇篮五轴联动加工中心、立式车削中心以及复合材料七轴联动铺缠一体化成型机床等,均采用了华中数控的HNC848系列高档数控系统,实现了国产数控系统对大型复杂多轴联动复合加工装备的自主可靠控制,如:大型机床的双驱8~24m/min高精度控制、五轴联动插补及五轴刚性攻丝、五轴RTCP控制和空间误差补偿等。

  针对不同结构的五轴加工中心和车铣复合加工中心而实现的RTCP标定补偿,有效解决了金属切削类机床面临的复杂运动插补难题。通过攻克六轴RTCP控制关键技术,使大型双柱立式八轴控制、七轴联动插补的铺缠一体化成型装备,在铺放轨迹的柔顺性、光顺性及铺放效率方面均有大幅提升。

  通常,非RTCP控制铺缠时,铺缠效率低且轨迹速度不稳定,比如,在工件棱角边缘的铺缠速度明显要慢,在凹面的铺缠速度要高于在凸面的铺缠速度。由于整个铺缠过程速度不稳定,导致提速时部分联动轴会抖动,尤其是旋转工作台C轴的抖动十分明显。

  此外,由于铺缠表现为增材加工的特点,压辊气缸浮动行程有限,铺到一定厚度后,需要修改类似于五轴机床切削的刀具长度,重新生成铺缠成型程序,从而给操作带来了麻烦。究其原因,主要是在计算轨迹弧长时没有考虑机床的结构,系统无法做出合理的速度规划。

  基于RTCP功能的七轴铺缠联动控制,在进行系统内部运动学求解运算时,就考虑了机床的运动结构参数,通过在工件坐标系下进行样条拟合与速度规划,使机床运动更平稳,没有频繁的加、减速现象,而且加、减速时也不会出现抖动。由此,提高了各运动轴的光顺性,使铺缠效果和效率更高:当进给量为2000时,铺缠一圈的时间大约为68秒,而非RTCP控制时的铺缠时间大约需要110秒。与此同时,RTCP功能允许对刀具长度进行补偿,解决了厚度补偿的问题,提高了编程效率。

  将多轴联动RTCP控制功能完善到铺缠轨迹控制程序中,消除了铺放过程中的“脉冲式”问题,实现了铺放轨迹的连贯性与平顺性。自动铺放数控程序通过对程序点数的进一步优化,实现了更优的拟和效果,进一步提高了效率;通过对铺放程序的进一步优化,以及设计出适应周向不同位置的张力输出值,使铺放速度等参数能动态实现自适应调整,合理控制不同位置的铺放质量。

  总之,在华中8型数控系统原有的五轴RTCP基础上开发的国产数控系统六轴、七轴RTCP功能,为复合材料铺缠提供了优化的控制解决方案。相对于非RTCP控制的加工,在进一步提升插补精度的同时,改善了机床的运动学和动力学特性,使机床在满足工艺要求的前提下,提高了加工效率。目前该技术已成功应用于某型号壳体工件的铺缠加工。

  焊割装备,能力升级

  通过联合开发,由国产大功率光纤激光器、国产工业机器人、国产数控系统及国产激光复合焊接装置等构成的国产大功率光纤激光机器人焊接系统在红阳公司建成,它采用了基于工业机器人的离线编程软件系统,使红阳公司首次实现了某3D打印钛合金系列舱段的无余量精密激光焊接。

  凭借已经形成的针对钛合金、铝合金和不锈钢等3种材料的不同厚度激光切割数据库,以及针对钛合金、高温合金和不锈钢这3种典型航天材料的激光焊接工艺参数库,红阳公司已将国产大型激光焊接与切割装备应用于系列型号产品的铝合金、钛合金、不锈钢和高温合金部件的高效精密切割与无余量精密激光焊接应用中,实现了公司型号制造装备平台能力的升级,满足了新型号研制与批产的应用需求,有效提升了国产焊接系统在航天领域示范应用的整体能力,在提高航天飞行器大型舱体制造能力的同时,还提高了产品的加工效率和加工精度。

  国内首创,效果显著

  国内首台双柱立式大型数控铺缠一体化成型装备攻克了系列关键技术,拥有较多知识产权的技术创新亮点。如,主机采用湖南江南四棱数控开发的立式双柱铺缠主机,提高了新型复合材料干法铺缠适应性;铺带头核心功能部件全部采用具有知识产权的南航铺缠头;自动铺缠编程与仿真采用南航二次开发的铺放软件;采用国产华中数控系统HNC848进行八轴控制七轴联动铺放;配备30m/min高速进给系统,提高异形曲面铺缠的适应性,同时,通过RTCP进行控制,有效的提高了铺放轨迹的光顺性和铺放效率。

  采用双柱立式大型数控铺缠一体化成型装备,其单个舱体铺缠成型效率由原来的2天缩短为0.5天,效率提高4倍以上。铺缠成型余量由12~15mm缩减为无余量,原材料利用率由30%提高到75%,同时,在大幅度缩减材料成本的同时,复合材料的切削加工也由固化后的2~3次加工,缩减为只加工开口而无需大面积切削,复合材料切削加工周期由7天可缩短到1天。

  通过数控自动铺缠成型后,每个舱体材料成本可节约30%约6万元左右,减少一次加工成本约4.5万元左右,累计单件可节省成本10万元。

  所研发示范应用的大型卧式缠绕、铺放一体化成型装备及大型龙门纤维铺放及布带铺缠装备,其应用产品对象范围宽,不仅可以适应传统的回转体承力结构与防热构件的复杂工艺制造,同时可适应未来航天往返高速飞行器复杂气动外形结构件的铺缠、铺放近净成型,具有非常广泛的应用前景,不仅经济技术效益巨大,而且对于提高航天领域新型号研制及航天装备智能制造具有重要的意义。

  核心部件,稳步前行

  在产、学、研、用的联合开发中,研发团队突破了一系列核心关键功能部件技术,包括:大型立式车铣复合双驱转台、高速单摆头、复合摆动主轴头、AC双摆主轴头、双轴摇篮数控转台、高速电主轴、激光电弧复合焊枪、非正交三轴布带铺缠头和16丝束缠绕头等,所有这些核心功能部件均配套国产大功率伺服电机、大功率伺服驱动器及国产华中数控高档型HNC848数控系统,并在示范生产线上得到了充分的可靠性测试及应用验证。

  航天制造、精益求精

  针对航天轻量化典型复杂结构件,团队利用有关项目支持的制造装备及先进成形工艺,形成了以五坐标高速精密切削、激光切割与精密焊接特种成型、复合材料自动化成型等三大类数控装备及制造工艺为核心的示范应用,示范了三大类国产装备主机、核心功能部件、数控系统及成套工艺技术。在新型航天飞行器系列大型舱体集成制造中的示范应用,较好地完成了研发的预期目标,克服了成本高昂的瓶颈。

  项目团队开发了车铣复合加工编程仿真软件、工业机器人离线编程软件、激光焊接变形仿真、异形舱体铺缠成型轨迹规划设计与铺缠成型运动仿真、异形舱体铺放编程及工艺仿真等系列软件,确保了系列复杂产品的高效精密制造质量,提升了制造工艺的整体水平能力。累计完成系列型号铝合金、钛合金和复合材料等多种材料体系的舱体关键部件30余项,形成了基于国产刀具的铝合金、钛合金和复合材料3类切削数据库。

  总结展望

  通过产、学、研、用的联合开发,提升了国产装备的整体研发能力——主机、数控系统、功能部件、刀具、工艺、夹具、切割-焊接成套装备与工艺技术、软件开发;提升了数控机床装配调试、精度补偿等综合能力;扩展了复合材料成型领域高档数控机床的研发应用能力;提升了装备规格整体制造平台能力升级;扩宽了型号常用航天特种材料的切削加工减材制造、特种成型与连接增材制造、复合材料增材制造近净成型产品质量多种工艺领域的应用。

  众所周知,高性能制造工艺装备是航空航天工程实现高可靠性、长寿命和低成本的保障,先进制造工艺和装备的进步促进了新型飞机、运载火箭和航天飞行器的研制成功和投入使用。国家提出探索一代、预研一代、研制一代和生产一代的规划发展思想,高档数控机床装备作为4个新一代发展的技术引领者和推动者,应该更加强化创新、超前部署、厚积薄发,推动我国高档装备的整体技术进步,逐步缩小与先进发达国家的差距。

来源:工业智慧院


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