（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

飛機(jī)機(jī)體構(gòu)造復(fù)雜，零件和連接件數(shù)量眾多。機(jī)身大部件要求長壽命、高強(qiáng)度、密封、抗疲勞，對連接孔的制備精度有非常高的要求。傳統(tǒng)飛機(jī)裝配中的制孔存在諸多缺點(diǎn)，例如孔位精度差、易形成缺陷、需要二次裝配等[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)用于機(jī)身大部件裝配的復(fù)合加工機(jī)床，實現(xiàn)高精度自動鉆鉚功能，成為飛機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，也是飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展方向[2]。

用于飛機(jī)數(shù)字化自動裝配的復(fù)合加工機(jī)床在國外已經(jīng)得到廣泛研究與應(yīng)用[3]。美國GEMCOR公司的G2000型鉆鉚機(jī)可以鉚接弧度大于180°的超級壁板。Electroimpac公司生產(chǎn)的E7000自動鉆鉚系統(tǒng)每分鐘鉚接數(shù)量達(dá)到15個[4]（圖1）。

我國的復(fù)合加工機(jī)床研究雖然起步較晚，但目前在實踐中得到諸多應(yīng)用[5]。南京航空航天大學(xué)自主研發(fā)的基于工業(yè)機(jī)器人的自動制孔系統(tǒng)可以實現(xiàn)制孔節(jié)拍3～4個/min?；谌A中數(shù)控系統(tǒng)的復(fù)合加工機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)6個/min的鉆孔效率。

華中數(shù)控是國內(nèi)最早開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)、伺服電動機(jī)和驅(qū)動成套數(shù)控裝置的企業(yè)[6]。其自主研發(fā)的HNC-8型全數(shù)字總線式高檔數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化、開放式結(jié)構(gòu)體系。該系列數(shù)控系統(tǒng)基NCUC工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)，具有多通道控制、五軸加工、高速高精度等功能。

針對機(jī)身大部件鉆鉚的具體加工指標(biāo)，復(fù)合加工機(jī)床采用上下位機(jī)控制體系。在上位層采用C++高級語言開發(fā)的集成控制軟件，下位層為華中數(shù)控系統(tǒng)、倍福PLC控制程序?？刂葡到y(tǒng)集成了運(yùn)動控制、鉆鉚加工、數(shù)據(jù)測量等功能，能很好地滿足自動鉆鉚任務(wù)的需求[7]。

圖1 E7000自動鉆鉚系統(tǒng)Fig.1 E7000 automatic drilling riveting system

控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

用于機(jī)身大部件自動鉆鉚的復(fù)合加工機(jī)床為五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)床本體采用華中數(shù)控系統(tǒng)控制，用于承載末端執(zhí)行器，控制其沿X、Y、Z軸方向移動以及繞X、Y軸方向轉(zhuǎn)動。高精度轉(zhuǎn)臺作為機(jī)床的重要附件，用以裝夾工件并實現(xiàn)回轉(zhuǎn)和分度定位，同樣采用華中數(shù)控系統(tǒng)控制。末端執(zhí)行器由倍福PLC系統(tǒng)控制，主要包括基準(zhǔn)檢測、法向找正、自動送釘、鉆孔锪窩等模塊用以實現(xiàn)鉆鉚加工的功能。機(jī)床本體硬件組態(tài)如圖3所示。

1 基于NCUC總線的華中8型數(shù)控系統(tǒng)

NCUC現(xiàn)場總線適用于高速、高精的數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，是國內(nèi)首個現(xiàn)場總線的國家標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)OSI通信參考模型具有7層結(jié)構(gòu)，能夠支持非常強(qiáng)大的通信需求。NCUC總線參照該模型簡化為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，具有全數(shù)字、串行、同步、雙向、多站點(diǎn)的特點(diǎn)[8]。

圖2 復(fù)合加工機(jī)床整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Integral structure of the composite machine tool

HNC-8數(shù)控系統(tǒng)是NCUC總線的典型應(yīng)用，如圖4所示。HMI提供人機(jī)交互界面，其中的IPC單元用以運(yùn)行數(shù)控裝置系統(tǒng)軟件。伺服驅(qū)動器用于控制電機(jī)運(yùn)動。I/O設(shè)備用于數(shù)字量、模擬量信號的輸入輸出。NCUC現(xiàn)場總線將伺服驅(qū)動器、I/O設(shè)備等連接到IPC單元。

X、Y、Z軸為直線軸，分別控制機(jī)床本體的x、y、z向運(yùn)動。由于y向承載包括末端執(zhí)行器、x軸滑臺等機(jī)械部件，負(fù)載非常大。所以Y軸運(yùn)動由兩個電機(jī)同步控制，通過在HNC-8系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)實現(xiàn)，如圖5所示。A軸和B軸為旋轉(zhuǎn)軸，在刀具法向找正時調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)，使刀具軸線方向垂直于蒙皮表面待鉚接點(diǎn)的切平面。C軸控制高精度轉(zhuǎn)臺運(yùn)動。

2 系統(tǒng)通信鏈路架構(gòu)

為保證整個鉆鉚加工系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與一致性，采用在上位層系統(tǒng)中集成控制華中數(shù)控系統(tǒng)和倍福PLC控制程序。由于華中數(shù)控系統(tǒng)和倍福PLC控制系統(tǒng)使用的通信方式和協(xié)議不兼容，構(gòu)建系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)時采用雙通信主線的架構(gòu)，具體通信鏈路如圖6所示。

華中數(shù)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成非實時的點(diǎn)位運(yùn)動控制。HNC-8數(shù)控系統(tǒng)IPC單元提供以太網(wǎng)接口，因而采用Ethernet網(wǎng)絡(luò)將上位機(jī)控制系統(tǒng)與華中數(shù)控系統(tǒng)連接通信。Ethernet遵循TCP/IP協(xié)議，具有傳輸速度快、穩(wěn)定性好以及使用簡單的特點(diǎn)。Ethernet通信接口采用Socket組件開發(fā)，實現(xiàn)華中數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動指令自上而下傳輸以及華中系統(tǒng)自身狀態(tài)信息的自下而上反饋。

末端執(zhí)行器所有的輸入輸出設(shè)備都由倍福公司的TwinCAT軟件進(jìn)行控制。TwinCAT自動化軟件是倍?；赑C控制系統(tǒng)的核心部分，與工業(yè)計算機(jī)結(jié)合在一起，可以將現(xiàn)有的Windows系統(tǒng)改造為實時控制系統(tǒng)，構(gòu)建功能強(qiáng)大的基于PC的全軟件控制系統(tǒng)[9]。

圖3 自動鉆鉚系統(tǒng)硬件組態(tài)Fig.3 Hardware configuration of automatic drilling and riveting system

圖4 華中數(shù)控系統(tǒng)總線Fig.4 System bus of Huazhong numerical control

圖5 HNC-8系統(tǒng)參數(shù)Fig.5 HNC-8 system parameters

圖6 系統(tǒng)通信鏈路Fig.6 Communication link of the system

倍福PLC控制系統(tǒng)通過EtherCAT現(xiàn)場總線將I/O模塊及總線耦合模塊與TwinCAT控制軟件相耦合，形成完整的通信網(wǎng)絡(luò)[10]。EtherCAT現(xiàn)場總線是倍福公司自主研發(fā)的實時工業(yè)以太網(wǎng)。該總線以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，具有超快的數(shù)據(jù)傳輸速度，靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，出色的調(diào)試診斷性能，因而極大地提高了系統(tǒng)的實時性能。上位機(jī)PC通過網(wǎng)卡2，借助以太網(wǎng)線與倍福EK1100耦合器連接，實現(xiàn)上位機(jī)控制系統(tǒng)對末端執(zhí)行器的實時控制。

控制系統(tǒng)軟件組態(tài)

在軟件層面，主要有上位機(jī)集成控制軟件、倍福PLC控制程序、HNC-8系統(tǒng)軟件等。當(dāng)同時運(yùn)行這幾種軟件時，需要進(jìn)行主從結(jié)構(gòu)設(shè)定，時序控制規(guī)劃，通信接口開發(fā)等，從而使軟件系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、有序地協(xié)同執(zhí)行各部分指令，完成既定任務(wù)。

1 軟件組態(tài)整體方案設(shè)計

上位機(jī)集成控制軟件在系統(tǒng)軟件組態(tài)中處于主導(dǎo)地位，負(fù)責(zé)規(guī)劃整個鉆鉚系統(tǒng)的加工任務(wù)，監(jiān)測現(xiàn)場加工任務(wù)的執(zhí)行情況，如圖7所示。上位機(jī)集成控制軟件向HNC-8數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送點(diǎn)位指令，控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動到指定位置；向倍福PLC控制程序發(fā)送加工指令，獲取現(xiàn)場數(shù)字量模擬量數(shù)據(jù)并調(diào)用相應(yīng)算法程序處理，進(jìn)而控制完成調(diào)姿、鉆鉚等加工任務(wù)。

HNC-8數(shù)控系統(tǒng)獲得上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送的點(diǎn)位信息后執(zhí)行完成指定運(yùn)動，并向上位機(jī)反饋此時的位姿信息。

倍福PLC控制程序接收上位機(jī)控制系統(tǒng)加工參數(shù)設(shè)置、被控設(shè)備動作等加工指令，從而實現(xiàn)加工任務(wù)。同時完成對各數(shù)字量與模擬量的數(shù)據(jù)采集與控制并向上傳輸給上位機(jī)控制系統(tǒng)。

2 上位機(jī)集成控制軟件架構(gòu)

上位機(jī)集成控制軟件采用界面層與邏輯層相分離的設(shè)計思想。用戶界面層獨(dú)立于核心功能層設(shè)計，以XML文件為載體與核心功能層相關(guān)聯(lián)。

用戶界面層選用Duilib界面庫進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，按照自動鉆鉚控制系統(tǒng)功能劃分為5個模塊，以分層頁面的形式加以設(shè)計和管理。核心功能層選用UML可視化語言構(gòu)建軟件的整體框架，將整個底層分為通信控制、數(shù)據(jù)庫管理、報警管理、日志管理等模塊，并設(shè)置統(tǒng)一函數(shù)接口調(diào)用上述功能模塊，方便用戶在界面上的操作能得到快速、準(zhǔn)確的傳達(dá)和執(zhí)行，如圖8所示。

數(shù)據(jù)庫管理模塊作為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的接口，主要用于存儲管理用戶信息、刀具庫信息、現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)關(guān)鍵信息等。采用微軟公司推出的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server作為數(shù)據(jù)庫軟件，同時在控制軟件中要包含其靜態(tài)庫文件。

圖7 控制系統(tǒng)軟件組態(tài)Fig.7 Software configuration of the control system

圖8 集成控制軟件架構(gòu)Fig.8 Software architecture for integrated control

報警管理和日志管理模塊作為日志和報警管理接口，主要用于軟件、設(shè)備操作日志管理和系統(tǒng)故障報警信息管理。選用C++開源日志庫log4cplus進(jìn)行日志管理。log4cplus將日志信息和報警信息分別生成兩份Text文件，并對這些信息進(jìn)行編號和等級劃分。

同時重點(diǎn)開發(fā)通信控制模塊，選用高效、穩(wěn)定的通信方式和協(xié)議完成上位機(jī)集成控制系統(tǒng)與下位層HNC-8數(shù)控系統(tǒng)、倍福PLC控制程序之間的數(shù)據(jù)交互，切實發(fā)揮上位機(jī)集成控制軟件在加工控制系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用。

系統(tǒng)通信接口開發(fā)

上位機(jī)控制系統(tǒng)與華中數(shù)控系統(tǒng)的通信采用Socket套接字方式，根據(jù)鉆鉚加工需求開發(fā)出多種工作模式。上位機(jī)控制系統(tǒng)既可以作為服務(wù)端，也可以作為客戶端，從而獲得更強(qiáng)的兼容性。

1 Socket通信基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間進(jìn)行相互通信的基本前提是能夠?qū)M(jìn)程實現(xiàn)唯一的標(biāo)識。IP層的“IP地址”可以唯一標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，而TCP層的“協(xié)議+端口”可以唯一標(biāo)識主機(jī)中的一個進(jìn)程。因而TCP/IP協(xié)議族可以通過3個以上參數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中對進(jìn)程進(jìn)行唯一標(biāo)識。

Socket把TCP/IP層復(fù)雜的操作化簡為幾個簡單的接口，直接調(diào)用這些接口就可以實現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中的通信[11]。它將一個Socket與TCP/IP協(xié)議的3個參數(shù)綁定，在不同主機(jī)間建立雙向通信的端點(diǎn)，協(xié)議的應(yīng)用層就可以通過套接字接口區(qū)分來自不同網(wǎng)絡(luò)連接或不同應(yīng)用程序進(jìn)程的通信，從而使數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸。

2 上位機(jī)軟件通信接口開發(fā)

在windows平臺下進(jìn)行HNC-8的通信接口開發(fā)，需要將HNC-8的相關(guān)軟件包文件加載到軟件的工程文件夾中。然后在上位機(jī)軟件中調(diào)用華中數(shù)控提供的接口函數(shù)完成通信。

上位機(jī)與華中數(shù)控通信采用Socket通信具體實現(xiàn)過程：

（1）設(shè)置HNC-8數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)。將系統(tǒng)NC參數(shù)中“是否啟動網(wǎng)絡(luò)”值設(shè)置為1，即允許進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

（2）配置Microsoft Visual Studio開發(fā)環(huán)境。在附加包含目錄中加入接口函數(shù)頭文件的路徑；在附加依賴項中加入lib庫文件路徑；在生成的目標(biāo)文件所在文件夾中加入dll文件。

（3）綁定本地IP地址和端口。調(diào)用HNC_NetInitNetInit（const Bit8*ip, uBit16 port）函數(shù)，將兩個參數(shù)分別設(shè)置為上位機(jī)的IP地址和端口號，完成與套接字的綁定。

（4）向華中數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送連接請求。調(diào)用HNC_NetConnect（constBit8 *ip, uBit16 port）函數(shù)，將兩個參數(shù)分別設(shè)置為向華中系統(tǒng)IP地址和端口號。華中系統(tǒng)接受請求后完成連接。

表1 華中數(shù)控系統(tǒng)接口函數(shù)

在完成接口開發(fā)后，便可以利用HNC-8數(shù)控系統(tǒng)預(yù)留的函數(shù)接口完成上位機(jī)與華中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)上位機(jī)對華中系統(tǒng)的控制。常用函數(shù)接口如表1所示。

華中數(shù)控以太網(wǎng)通信試驗

針對復(fù)合加工機(jī)床控制系統(tǒng)，以上述軟件架構(gòu)進(jìn)行上位機(jī)集成控制軟件編寫。同時完成華中數(shù)控通信接口的開發(fā)，并在復(fù)合加工機(jī)床上進(jìn)行通信試驗驗證。

結(jié)果如圖9所示，華中數(shù)控系統(tǒng)成功與上位機(jī)軟件完成通信連接，能夠執(zhí)行上位機(jī)軟件下發(fā)的運(yùn)動指令。同時上位機(jī)軟件能夠讀取華中數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息，并以100ms為刷新周期在軟件界面上顯示。

圖9 通信試驗結(jié)果Fig.9 Results of the communication experiment

結(jié)論

（1）對機(jī)身大部件復(fù)合加工機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計，采用Ethernet和EtherCAT兩種通信方式實現(xiàn)系統(tǒng)由上而下的控制。

（2）華中HNC-8數(shù)控系統(tǒng)能夠滿足鉆鉚系統(tǒng)的運(yùn)動控制要求，完成加工任務(wù)。

（3）集成控制軟件運(yùn)行穩(wěn)定，通信響應(yīng)迅速，充分發(fā)揮了其主導(dǎo)作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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