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飛機制造數(shù)控柔性工裝伺服驅(qū)動組件和控制系統(tǒng)

來源:互聯(lián)網(wǎng)

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所屬頻道:新聞中心

關(guān)鍵詞:數(shù)控 伺服驅(qū)動 柔性工裝

      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。

    (審核編輯: 智匯張瑜)

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