实现航空制造自动化：数控技术的角色变化

在航空工业的自动化装配线中，相比可编程逻辑控制器（PLCs），数控技术（CNCs）能更好地解决复杂的插补运动问题。数控技术在复杂机架对准、机器人控制、增材制造、纤维铺放和铺带以及5轴加工中的应用得到了加强。

 

随着CNC使用的增加，制造商必须将它集成到产品生命周期管理（PLM）、生产执行系统（MES）和生产运营管理（MOM）的环境中。为了优化生产流程，MOM软件将重点集中在效率、灵活性和上市时间上，包括：与订单管理系统的集成；先进的规划、调度；质量管理；跟踪和追踪；管理控制和数据采集（SCADA）；研究与开发（R&D）管理。

 

随着数控技术和软件管理工具各自独立地发展，出现了下列挑战：各种机器的生产规划、运营管理；优化基于PLC、CNC的生产设备的灵活性和性能；监测数据的提取，将正确信息反馈至机器，合适的人机界面（HMI）；管理操作人员关于各种控制器的技能水平；维护各种机器、备品备件。

 

一个平台，所有技术

 

飞机的零部件加工和装配技术可以通过现在的数控平台来实现标准化。借助系统的开放性，可以调整技术来适应机床和其他机械加工技术——不仅是传统的金属切削，还包括复合材料的生产。模腔内纤维成型、复合材料铺带、陶瓷和粉末金属增材制造可以使用具有自适应模式和高定制化运动控制与数据传输的数控技术。

 

针对各种生产技术使用一种数控技术来作为单一标准，可以实现：对各种机器进行统一的操作和编程；机器数据集成在一个标准的通信平台上；综合各种品牌的传感器、运动部件的信息；全球范围内一致的编程、操作、维护培训。

 

先进的数控开放式架构建立在标准系统、虚拟数控内核（VNCK）的虚拟仿真和HMI的简单语言命令上。通过标准的工程工具来调整PLCs，数控应用可以增加第三方供应商的软件工具——工具和过程监控系统、测量系统、远程服务、视频监控系统。

 

高性能5轴加工

 

如果加工的是复杂的零部件，数控软件可以提高性能和精度，因为在加工时，机床运动不是唯一的决定因素。数控技术可以调整轴的插补运动，来结合工件的定向矢量，从而提高表面光洁度，优化切削速度，以及提高效率。工件可以在笛卡儿坐标和特定系统的周期内编程，函数宏可以自动计算机轴的运动。

 

空间补偿

 

如果具有两个旋转轴的机床可以定位工件，就能用空间误差补偿软件（VCS）来实现5轴机床的空间补偿。根据工具的定位和工具中心点来计算出直线轴的测量误差补偿。在3轴和5轴龙门铣床上使用时，通过对21项几何误差进行空间补偿，VCS能进一步扩展数控技术的应用。机床几何误差会导致工具中心点的偏移和工具定向错误。由于旋转轴定位、它们的相互抵消以及工具定向，如旋转头这样的部件可能会出现系统性的几何误差。进给轴导引系统出现的小误差——定位、水平和垂直的直线度、倾斜、偏航和翻滚，将会在每台机器中出现。

 

在3轴机上，21项几何误差可以归因于刀架，包括6项和线性轴相关的误差和3项角度误差。偏差会形成空间误差，即机床的实际工具中心点（TCP）的位置和理想的无故障机床之间的偏差。合格的数控技术人员可以在现场使用激光测量设备来确定空间误差。要记录完整的测量曲线，因为单个的误差大小取决于相关进给轴的位置和测量位置。例如，如果Y轴和Z轴处于不同的位置，X轴的误差将有所不同，即使误差是在X轴上的相同位置。在如今的数控技术中，旋转轴误差可以在几分钟内确定，所以机器的精度可以随时检查和纠正，即使是在生产期间。

 

系统整合

 

数字化工业过程最终将会把产品生命周期的每一步都囊括进来，包含设计、生产规划、工程、执行和全球服务网络。多轴加工工作流程的特点是计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）的数控过程链。具有特定的后加工的增强CAM结合由VNCK驱动的机器虚拟现实仿真，可以创建一个数字模型（digital twin）。CNC单元可以联网将数据传输到云端，以进行监测和纠正，以及从生产输出、维护提醒到CAD文件和零件原型的集成开始往回追踪。零部件生产和飞机成品组装将能受益于机器的控制系统。全数字化企业系统的核心要素正是从机器控制所生成的数据而开始的。

 

仿真

 

先进的仿真软件和虚拟生产实现了从CAD/CAM系统到工件表面的过程链的仿真分析。不需要在实际的机器上进行反复测试，而是通过计算机模拟来优化程序，唯一例外的是数控编程，它需要在真机中模拟。

 

虚拟生产包括三个步骤：分析零件加工程序提供的数据质量；执行数控（NC）零件加工程序，在这里，NC输出的设定值位置被计算出来，速度可以进行优化和控制；进行包括机械动力学在内的仿真。

 

虚拟生产能减少加工时间，提高表面光洁度以及缩短新工件的启动时间。通过西门子的MCD机电一体化设计工具，只用一个数控仿真软件就能得到机电一体化的数字模型。生产时间、避免主轴与工件之间的碰撞、刀具路径的优化、机床运动都可以虚拟化，并在测试运行之前进行评估。

 

电机、驱动器、轴、滑轨、凸轮盘、主轴等都可以和所有的技术数据一起存储，并在MCD中动画显示。3D模型还可以像通过CNC控制的机床一样操作。在手动模式下，可以起动单个的轴。在生产模式中，轴可以通过电子凸轮盘同步地互相移动。可以运行、检查及优化机器的功能。

 

各层的通信

 

通过工业以太网，Sinumerik 840Dsl CNC集成到西门子的全集成自动化（Totally Integrated Automation）平台中，从现场层到生产层再到制造执行层。TIA portal（博途）全集成自动化软件的工程框架能支持机器的规划、编程和优化以及任务处理。一致的标准化执行使用户能够编程和集成所有西门子控制器、分布式输入/输出(I/O)、HMI、供配电系统、驱动器、网络组件、运动控制和电机管理。CNC数据通过这个工程工具能无缝连接到集中控制的工作站或控制室。

 

使用共享数据存储的智能库，用户可以利用现有库中的已经通过验证的CNC代码来编程通用的硬件和软件功能，他们也可以开发并在库中存储自己的专有代码。数字化工厂和企业仍然是航空工业的关键目标，在所有运行的机器中实现运动控制、数据采集和通信水平的计算机数字控制，将继续推动它们以光速向前发展。

 

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