數(shù)控柔性工裝是一種先進的飛機制造設(shè)備，它將數(shù)控機床中使用的可編程運動控制技術(shù)用于飛機裝配型架、對合型架和加工夾具等，控制定位器的精確定位。數(shù)控柔性工裝能夠替代傳統(tǒng)的固定工裝，一套工裝可以用于多種型號飛機生產(chǎn)并可以重復使用，減少工裝數(shù)量，縮短生產(chǎn)準備時間，減少工裝存儲占用場地。此外，數(shù)控柔性工裝也是飛機數(shù)字化設(shè)計和制造體系的末端執(zhí)行設(shè)備，是構(gòu)建該體系的重要組成部分。近年來，機械制造領(lǐng)域以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)的自動化技術(shù)發(fā)展迅速，形成了標準通用運動部件體系，利用這些通用部件，可以快速設(shè)計和制造出各種自動化設(shè)備和自動生產(chǎn)線。極大地縮短了設(shè)備的設(shè)計制造周期，降低了制造成本。

　　本文研究使用通用標準運動組件構(gòu)建飛機制造柔性工裝的相關(guān)技術(shù)，使用通用運動組件構(gòu)成數(shù)控柔性工裝的基礎(chǔ)部件，如立柱- 推桿、支臂等。研究開發(fā)出適用于數(shù)控柔性工裝控制的數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線可以控制多達128 個伺服電機。通過參數(shù)配置，可以構(gòu)成適合各種類型的裝配型架、對合型架、加工夾具等柔性工裝控制系統(tǒng)。

1 柔性工裝伺服驅(qū)動組件

　　直線驅(qū)動組件是最典型的驅(qū)動組件，在常規(guī)機械制造領(lǐng)域已用于制造生產(chǎn)線、小型機床等。伺服驅(qū)動組件是以伺服電機為動力的直線驅(qū)動組件，可在數(shù)控系統(tǒng)控制下實現(xiàn)精確直線運動，適用于柔性工裝控制。當用于構(gòu)建柔性工裝機械本體時，可以實現(xiàn)柔性工裝的直線運動和工裝調(diào)形的數(shù)字量驅(qū)動，有利于柔性工裝機械結(jié)構(gòu)的簡化和統(tǒng)一，降低制造成本、縮短研制周期，符合模塊化設(shè)計、制造的思想。

2 柔性工裝機械結(jié)構(gòu)

　　2.1 柔性工裝機械結(jié)構(gòu)分析

　　通過總結(jié)國內(nèi)外柔性工裝實例，可將柔性工裝機械結(jié)構(gòu)分解為5 個組成部分：底座、滑臺、立柱- 推桿、支臂和定位器。

　　證?；_結(jié)構(gòu)具有1~2 個相對于底座的直線自由度，可平行于底座平面運動。立柱- 推桿固定在滑臺上，具有1~2 個直線自由度。支臂安裝在立柱- 推桿上，具有1~2 個直線自由度，可沿立柱- 推桿移動或伸縮，作為對滑臺和立柱- 推桿自由度的補充；根據(jù)設(shè)計需要，立柱- 推桿、滑臺支臂可以實現(xiàn)空間1~3 個直線自由度。定位器類似于傳統(tǒng)裝配型架的接頭定位器，用于與飛機零部件對接或支撐，實現(xiàn)定位功能；自由度個數(shù)不確定，可根據(jù)零部件裝夾的需要靈活設(shè)計，常見的有萬向真空吸盤結(jié)構(gòu)、夾持結(jié)構(gòu)或推力支撐結(jié)構(gòu)等。上述5 部分及其自由度可根據(jù)具體生產(chǎn)需求協(xié)調(diào)設(shè)置。

　　2.2 典型柔性工裝

3 柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)

　　北京航空航天大學數(shù)控和伺服技術(shù)實驗室根據(jù)柔性工裝技術(shù)的需要，開發(fā)出了用于數(shù)控柔性工裝的數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括系統(tǒng)硬件與數(shù)控軟件。其中，硬件結(jié)構(gòu)適合控制具有不同機械結(jié)構(gòu)的多種柔性工裝，采用了現(xiàn)場總線技術(shù)和一體化伺服驅(qū)動單元技術(shù)；數(shù)控系統(tǒng)軟件提供了配置功能，針對某一特定柔性工裝控制對象，修改對應參數(shù)，快速生成滿足該柔性工裝設(shè)備需求的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)最多可控制128 個坐標軸，可以分組控制多臺設(shè)備或柔性工裝單元部件。

　　3.1 硬件結(jié)構(gòu)

　　柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)硬件由工業(yè)控制計算機IPC（Industrial PC）、現(xiàn)場總線和一體化伺服驅(qū)動單元組成。

　　IPC 集成了現(xiàn)場總線接口，通過現(xiàn)場總線連接伺服裝置。在工程中，可以采用EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線或CAN 總線連接數(shù)控系統(tǒng)和一體化伺服驅(qū)動單元，便于系統(tǒng)的維護與擴展，并可滿足各種類型的柔性工裝控制要求。

　　當數(shù)控系統(tǒng)配置柔性工裝機械本體時，選用一體化伺服驅(qū)動單元作為伺服驅(qū)動組件與數(shù)控系統(tǒng)中伺服裝置的優(yōu)選方案。一體化伺服驅(qū)動單元集成有伺服電機與伺服驅(qū)動器，適用于構(gòu)建柔性工裝等大型自動化設(shè)備的控制系統(tǒng)。由于省略了伺服電機與伺服驅(qū)動器之間的動力電纜與電機編碼器反饋電纜，大大簡化了整個控制系統(tǒng)的電纜布線，便于系統(tǒng)的布局、安裝和維護。

　　在實際工程中，數(shù)控系統(tǒng)還包括數(shù)字IO 模塊，與IPC 和伺服裝置通過現(xiàn)場總線連接，用于控制傳感器或其他輸入輸出裝置。

　　3.2 軟件結(jié)構(gòu)

　　典型的數(shù)控系統(tǒng)應該具備3 類基本控制功能，包括：運動和PLC 控制、數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)管理及控制、人機界面（Human Machine Interface，HMI）控制。數(shù)控系統(tǒng)軟件是運行在IPC 平臺上的軟件系統(tǒng)，用于實現(xiàn)全部數(shù)控功能。數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及各模塊功能。數(shù)控系統(tǒng)軟件由主控制、系統(tǒng)操作和運行控制2 個軟件處理任務組成，使用操作命令接口、系統(tǒng)信息接口、參數(shù)接口、顯示接口。

　　（1）系統(tǒng)操作和運行控制：提供人機操作界面、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和運行管理功能。通過顯示信息接口獲得其他功能模塊的信息，用于系統(tǒng)狀態(tài)顯示；通過參數(shù)接口為其他功能模塊提供系統(tǒng)參數(shù)；通過操作命令接口向其他功能模塊發(fā)出運行控制命令；通過系統(tǒng)信息接口從其他功能模塊獲得系統(tǒng)運行狀態(tài)，同步系統(tǒng)的運行。

　?。?）主控制：該任務在系統(tǒng)操作和運行控制任務的控制下運行。當數(shù)控系統(tǒng)處于自動運行工作模式時，NC 調(diào)形程序經(jīng)譯碼器譯碼，轉(zhuǎn)換為2 種類型的數(shù)據(jù)并分別處理。其中，一種為運動控制數(shù)據(jù)，經(jīng)過插補、誤差補償、傳動匹配模塊，產(chǎn)生坐標軸的運動指令，控制工裝的調(diào)形運動；另一種為輔助功能數(shù)據(jù)，控制工裝的輔助功能，例如真空吸盤動作、夾持動作等。當控系統(tǒng)處于手動運行工作模式時，手動調(diào)形模塊產(chǎn)生手動進給控制數(shù)據(jù)，用于柔性工裝的手動操作?，F(xiàn)場總線驅(qū)動模塊實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)硬件與伺服驅(qū)動、工裝輔助設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

　　3.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)采用IEC 61131-3 工業(yè)控制編程語言編寫，與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)相比具有方便多平臺移植、軟件結(jié)構(gòu)清晰、功能易擴展等優(yōu)勢。

　　IEC 61131-3 是國際電工委員會（InternationalElectro-Technical Commision，IEC）制定的工業(yè)控制編程語言國際標準，也是當前國際上最先進的工業(yè)控制編程語言，主要用于編寫可編程邏輯控制器（ProgrammableLogic Controller，PLC）的控制程序。世界主流工業(yè)控制產(chǎn)品制造商已采用IEC 61131-3 規(guī)定的編程語言作為其產(chǎn)品開發(fā)的標準編程語言。因此，柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)可以快速實現(xiàn)多平臺移植，即經(jīng)過較少的工作量，使軟件系統(tǒng)工作在符合IEC 61131-3 標準的不同品牌的PLC 硬件平臺。

　　IEC 61131-3 標準規(guī)定的編程語言支持先進軟件開發(fā)方法，如支持模塊化編程和圖形化編程，增強了編程語言的功能，提高了軟件開發(fā)的效率，并強化了程序封裝的概念。柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)軟件采用IEC 61131-3規(guī)定的功能塊圖語言（Function Block Diagram，F(xiàn)BD）與結(jié)構(gòu)化文本語言（Structure Text，ST）聯(lián)合編程的開發(fā)方法：由FBD 直觀地實現(xiàn)如圖4 所示的軟件架構(gòu)，將控制功能劃分、封閉在功能塊內(nèi)；在功能模塊內(nèi)部，采用ST語言實現(xiàn)復雜的控制功能。

　　功能模塊之間采用清晰的數(shù)據(jù)連接和傳遞，構(gòu)成系統(tǒng)?？梢苑奖愕丶捎蒊EC61131-3 語言編寫的、符合數(shù)據(jù)連接和傳遞規(guī)則的程序功能模塊，規(guī)范了功能模塊的更換、增加和去除。在IEC61131-3 標準的規(guī)定下，使數(shù)控系統(tǒng)軟件成為具有開放式特征的數(shù)控系統(tǒng)，用戶可以在系統(tǒng)軟件中集成新功能模塊或替換原有的模塊。有利于不同技術(shù)分工的工程師在數(shù)控系統(tǒng)軟件全生命周期中共同完成系統(tǒng)開發(fā)、實施應用、調(diào)試維護及用戶自定義開發(fā)等工作，有利于針對特定柔性工裝設(shè)備開發(fā)具有特征功能和個性化功能的數(shù)控系統(tǒng)。

　　基于軟PLC 技術(shù)，由IEC 61131-3 語言開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)可以在IPC 平臺運行。軟PLC 技術(shù)是將PLC 系統(tǒng)作為一個軟件模塊運行在計算機平臺，其實時性和資源由計算機的性能保證，是當今PLC 技術(shù)的重要發(fā)展方向。

　　3.4 數(shù)控系統(tǒng)軸配置和分組

　　柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)提供了軸配置功能，用于控制軸的分組，適用于多種柔性工裝機械結(jié)構(gòu)的控制。軸配置功能確定了坐標軸名、邏輯軸號和物理軸號之間的映射關(guān)系和分組，軸邏輯軸號包含了坐標軸在數(shù)控系統(tǒng)軟件中計算、控制的分組信息，應用在數(shù)控系統(tǒng)軟件內(nèi)部。物理軸號為現(xiàn)場總線硬件地址，應用數(shù)控系統(tǒng)軟件中的傳動匹配和現(xiàn)場總線驅(qū)動模塊中。

　　數(shù)控系統(tǒng)的傳動匹配模塊確定了軸配置的映射關(guān)系，最終由現(xiàn)場總線驅(qū)動模塊將運動控制指令發(fā)送給對應的伺服設(shè)備，完成對柔性工裝的調(diào)形運動控制。

　　3.5 表格式數(shù)控編程代碼

　　柔性工裝數(shù)控系統(tǒng)采用表格式數(shù)控編程代碼。與常用的G 代碼數(shù)控編程相比結(jié)構(gòu)清晰，更適于編寫具有較多坐標軸的柔性工裝定位程序。表格式編程代碼中包含如下元素：程序段號、坐標軸名、調(diào)形定位位置值、調(diào)形運動速度值、位置補償值。

4 應用

　　飛機裝配數(shù)控柔性多點工裝由數(shù)控系統(tǒng)控制工裝定位支點的運動，能夠完成某型號系列飛機多種壁板類零件的裝配，并已經(jīng)應用于某航空制造企業(yè)。該工裝的數(shù)控系統(tǒng)軟件采用IEC 61131-3 工業(yè)控制編程語言實現(xiàn)，具備軸配置和分組功能，并采用表格式數(shù)控編程代碼；但是，數(shù)控系統(tǒng)軟件采用了常規(guī)設(shè)計方法，未采用功能塊圖語言對數(shù)控功能進行模塊化封裝。該工裝的少部分機械結(jié)構(gòu)應用了標準伺服驅(qū)動組件（齒輪齒條式），其余大部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造為常規(guī)方法完成?；谝延械墓こ探?jīng)驗和理論基礎(chǔ)，本文論述的機械結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方法優(yōu)勢明顯，并將用于新一輪的柔性工裝設(shè)計和工程中。

5 結(jié)論

　　本文提出采用4 類標準伺服驅(qū)動組件作為柔性工裝的驅(qū)動部件構(gòu)建柔性工裝的方法，簡化了柔性工裝的開發(fā)和制造，實現(xiàn)了柔性工裝設(shè)計和制造的模塊化。開發(fā)了適用于柔性工裝控制的數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)軟件由IEC 61131-3 標準規(guī)定編程語言編寫，使系統(tǒng)軟件具有開放性；其提供的軸配置、表格式數(shù)控代碼等功能便于柔性工裝的應用；伺服裝置采用一體化伺服驅(qū)動單元技術(shù)，使柔性工裝控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于維護。相關(guān)控制技術(shù)已在實際柔性工裝的研發(fā)中獲得應用。