王新德，包 樂(lè)，王 超，李培培，王景賢

(1.西安維控自動(dòng)化科技有限公司，西安 710065；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院二一零所，西安 710065)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管防熱結(jié)構(gòu)件是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵部件，該部件在工作中受到巨大的壓力和強(qiáng)烈的沖刷，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)從粘接部位脫離的情況，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性[1]。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管防熱結(jié)構(gòu)件主要是將噴管殼體、喉襯、堵蓋粘接成型。目前國(guó)內(nèi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)防熱結(jié)構(gòu)件粘接多采用分散式制造模式，需要大量人工操作，且經(jīng)常出現(xiàn)溢膠、膠膜厚度均勻性差、膠膜中存在大量氣泡等問(wèn)題，嚴(yán)重影響粘接質(zhì)量和制造效率。

針對(duì)防熱結(jié)構(gòu)件粘接工序自動(dòng)化程度不高、生產(chǎn)效率低、人為因素影響多、粘接質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，據(jù)此開(kāi)發(fā)一種固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)防熱結(jié)構(gòu)件智能壓粘機(jī)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)防熱結(jié)構(gòu)件涂膠、壓粘、鎖緊固化三個(gè)工序的整體化控制，并且在壓裝粘接過(guò)程中對(duì)涂膠量、涂膠均勻度、壓裝壓力、固化鎖緊壓力等參數(shù)實(shí)現(xiàn)高精度控制，同時(shí)采用旋轉(zhuǎn)施壓、多級(jí)壓力精準(zhǔn)施壓等壓裝方式大幅提升生產(chǎn)效率并降低壓粘缺陷率以解決固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)防熱結(jié)構(gòu)件粘接瓶頸問(wèn)題。防熱結(jié)構(gòu)件智能壓裝粘接工藝流程如圖1所示。

圖1 防熱結(jié)構(gòu)件智能壓裝粘接工藝流程圖

防熱結(jié)構(gòu)件智能壓裝粘接工作過(guò)程如圖2所示。

圖2 工作過(guò)程圖

1 系統(tǒng)存在的問(wèn)題及難點(diǎn)

防熱結(jié)構(gòu)件壓裝粘接主要難點(diǎn)如下：

1)涂膠量、涂膠均勻性無(wú)法精準(zhǔn)控制：由于粘接用膠粘度大，人工涂膠很難做到均勻、等量，為了防止膠層覆蓋不到的情況，往往采用過(guò)量滿(mǎn)圖工藝，膠量過(guò)多，導(dǎo)致溢膠嚴(yán)重，增加后期清理工作，滿(mǎn)圖過(guò)程也很難做到涂層均勻，壓粘過(guò)程也不能保持涂層厚度均勻，嚴(yán)重影響粘接質(zhì)量及粘接效率。

2)膠膜中氣泡無(wú)法排盡：現(xiàn)在采用機(jī)械壓裝粘接工藝，施壓過(guò)程沒(méi)有壓力和位移反饋，很難做到壓力精確控制，加上不同工件采用的膠成分、組分不同，物理特性也不同，人工操作很難做到施壓均勻、力值與位移匹配、無(wú)法將膠膜內(nèi)氣泡全部排出，加之混合好的膠內(nèi)也存在氣泡，導(dǎo)致一次粘接缺陷率較高，生產(chǎn)效率低，膠柱示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 膠柱示意圖

3)鎖緊壓力無(wú)法精準(zhǔn)控制：現(xiàn)有鎖緊方式均采用人工鎖緊，無(wú)法達(dá)到鎖緊壓力精準(zhǔn)控制，導(dǎo)致固化過(guò)程中膠膜厚度發(fā)生變化，固化后無(wú)法保證殼體與內(nèi)襯間的粘接力，降低粘接成品率。

2 解決思路

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，需要解決涂膠均勻控制、壓粘過(guò)程壓力控制保壓排氣、成型過(guò)程精確穩(wěn)壓技術(shù)。采取下述解決方案，采用x、y軸運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中函數(shù)跟蹤插補(bǔ)控制技術(shù)[2]，保持涂膠頭沿工件表面上下曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)工件主轉(zhuǎn)軸以高度作為變量采用函數(shù)跟蹤插補(bǔ)技術(shù)調(diào)節(jié)角速度，保證涂膠頭在工件表面涂膠過(guò)程中線(xiàn)速度相同；采用預(yù)先檢測(cè)實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償方法，保持涂膠頭與工件表面位移相等實(shí)現(xiàn)涂膠均勻控制；采用多窗口壓力、位移匹配控制技術(shù)，在窗口條件下進(jìn)行保壓旋轉(zhuǎn)達(dá)到排氣目的，提高粘接質(zhì)量；采用比例調(diào)節(jié)技術(shù)，進(jìn)行工件的緊固，精確控制固化成型壓力。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

防熱結(jié)構(gòu)件智能壓粘機(jī)控制系統(tǒng)主要由核心控制板、觸摸屏及綜合驅(qū)動(dòng)采集卡組成，如圖4所示。核心控制板提供系統(tǒng)與觸摸屏、綜合驅(qū)動(dòng)采集卡通訊接口，并為控制軟件及算法編制提供開(kāi)發(fā)環(huán)境。 綜合驅(qū)動(dòng)采集卡提供傳感器輸入接口及點(diǎn)膠閥、伺服電機(jī)等外界設(shè)備控制接口，通過(guò)以太網(wǎng)與控制器進(jìn)行通訊，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)傳輸至控制器，并執(zhí)行控制器發(fā)出的控制指令。

圖4 防熱結(jié)構(gòu)件智能壓粘機(jī)控制系統(tǒng)示意結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)硬件介紹

防熱結(jié)構(gòu)件壓粘控制系統(tǒng)控制器主要用于涂膠頭控制、壓機(jī)多軸伺服控制、傳感器接入以及點(diǎn)膠閥等設(shè)備開(kāi)關(guān)控制。由于粘接工件外形的多樣性，控制器可進(jìn)行多軸同步控制、多軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)涂膠頭空間直線(xiàn)、圓弧、曲線(xiàn)等運(yùn)動(dòng)控制。據(jù)此控制器具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，除能實(shí)現(xiàn)多軸直線(xiàn)插補(bǔ)、任意空間圓弧插補(bǔ)、螺旋插補(bǔ)及閉環(huán)控制[3]，還能接受多品種復(fù)雜配方處理控制指令，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工藝制造過(guò)程的精確控制。

控制器主要包含：核心控制板、觸摸屏和綜合數(shù)采驅(qū)動(dòng)卡，具體組成如圖5所示。

圖5 控制器結(jié)構(gòu)圖

控制器主要技術(shù)參數(shù)：

核心控制器：ARM+DSP；主頻：微處理器子系統(tǒng)(ARM) 1.5 GHz，數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)750 MHz，RAM:2 G,ROM:8 G；

LCD顯示系統(tǒng):7寸，分辨率(1 024× 600)；

高速脈沖輸出通道：12路，脈沖速率：5 MHz；

通用輸入輸出：輸入：16路， 輸出：16路 ，24 VDC，通道均光電隔離；

ADDA信號(hào)：AD：6路 0～10 V；DA：4路 0～10 V；

工作電源：24 VDC ，功耗<15 W；

通信端口：Ethernet1，CAN口1，485口1。

精度要求：

AD輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換精度14位，數(shù)據(jù)采集精度0.5%；

DA輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換精度12位。

4.1 核心控制板

核心控制板采用ARM+DSP雙核處理器，處理器選用TI公司AM5718雙核處理器，配備了ARM?Cortex?-A15內(nèi)核、C66xDSP內(nèi)核、兩個(gè)雙核核可編程實(shí)時(shí)單元(PRU)、兩個(gè)ARM Cortex-M4內(nèi)核以及視頻/圖形加速器。

控制軟件軟件運(yùn)動(dòng)邏輯控制和軟件界面運(yùn)行在ARM(支持Linux4.9.41+QT5.6)上，數(shù)據(jù)處理算法由DSP(TI-RTOS)執(zhí)行。運(yùn)動(dòng)邏輯控制(帶操作界面)使用Qt5進(jìn)行編程，在CCS7.0下編寫(xiě)DSP進(jìn)程運(yùn)行的程序，完成控制算法數(shù)據(jù)處理[4-6]。

4.2 綜合驅(qū)動(dòng)采集卡

綜合驅(qū)動(dòng)采集卡主要為多軸伺服驅(qū)動(dòng)及IO控制提供接口。

多軸伺服控制功能由DSP編程實(shí)現(xiàn)[7-8]。其運(yùn)動(dòng)控制原理如圖6所示。

圖6 伺服運(yùn)動(dòng)控制原理圖

控制器將控制參數(shù)發(fā)送給ARM，再傳送到DSP計(jì)算，由DSP控制輸出脈沖和脈沖間延時(shí)，通過(guò)高光耦合隔離后輸出，控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。DSP主要來(lái)實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)處理模塊、加減速模塊、插補(bǔ)功能模塊等運(yùn)動(dòng)控制算法。

綜合驅(qū)動(dòng)采集卡還提供高精度的高精度模擬量輸入信號(hào)接口及數(shù)字量輸入輸出信號(hào)接入。本系統(tǒng)模擬量信號(hào)主要為壓粘機(jī)壓力傳感器(經(jīng)變送器輸出)[9]、壓板位移傳感器及涂膠頭激光位移傳感器[10]信號(hào)采集，信號(hào)均為0～10 V電壓信號(hào)，采集精度：12位。數(shù)字量接口采用GPIO通用輸入輸出接口并經(jīng)光電隔離后進(jìn)行外部設(shè)備開(kāi)關(guān)控制及外部保護(hù)元器件的信號(hào)輸入。其通道地址分配原理如圖7所示。

圖7 綜合驅(qū)動(dòng)采集卡通道地址分配原理圖

5 軟件功能及實(shí)現(xiàn)方法

防熱結(jié)構(gòu)件智能壓粘機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要針對(duì)粘接過(guò)程中涂膠(包含涂膠量及涂膠均勻度)、壓力控制保壓排氣、成型過(guò)程精準(zhǔn)穩(wěn)壓三方面進(jìn)行精準(zhǔn)控制[11]。

5.1 涂膠控制

涂膠過(guò)程控制主要進(jìn)行涂膠量及涂膠均勻度的精確控制，主要包含以下三方面內(nèi)容，如圖8所示。

圖8 涂膠過(guò)程控制圖

5.1.1 涂膠口出膠控制

涂膠槍壓力穩(wěn)定是保證出膠均勻的決定性條件。據(jù)此系統(tǒng)將涂膠槍壓力接入控制器，涂膠過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)涂膠槍壓力，并實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制，確保涂膠槍均勻出膠。具體控制流程如圖9所示。

圖9 涂膠出口壓力控制流程圖

5.1.2 涂膠線(xiàn)速度控制

本控制系統(tǒng)通過(guò)工件旋轉(zhuǎn)軸與涂膠頭X軸(橫向)、Y軸(豎向)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)涂膠頭在工件表面移動(dòng)，如圖10所示。涂膠頭出膠均勻前提下，保證涂膠頭在工件表面移動(dòng)線(xiàn)速度一致，即可保證涂膠均勻性控制。

圖10 涂膠頭運(yùn)動(dòng)示意圖

1)實(shí)現(xiàn)方法：

涂膠頭沿工件表面曲面上下方向移動(dòng)，可以采用x、y軸同時(shí)跟蹤工件表面函數(shù)進(jìn)行插補(bǔ)控制方法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要對(duì)工件主轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行函數(shù)跟蹤插補(bǔ)控制，獲得線(xiàn)速度勻速控制。

2)典型工件涂膠主轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制算法：

以典型產(chǎn)品如圖10所示的工件為例，y軸跟蹤函數(shù)y=kx，x軸跟蹤函數(shù)x(t)，若x軸勻速運(yùn)動(dòng)，則涂膠頭移動(dòng)速度Va恒定。涂膠頭移動(dòng)速度Va恒定的條件下，根據(jù)涂膠頭高度位置改變工件旋轉(zhuǎn)軸角速度ω，可實(shí)現(xiàn)涂膠頭在工件表面線(xiàn)速度恒定。旋轉(zhuǎn)軸速度根據(jù)涂膠頭高度位置及對(duì)應(yīng)的工件直徑等參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算，具體算法如下：

典型工件結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 典型工件結(jié)構(gòu)示意圖

主轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制算法如下：

為保證涂膠均勻，在穩(wěn)定供膠速度前提下，保持涂膠頭在工件外罩線(xiàn)速度恒定是關(guān)鍵，涂膠面積計(jì)算公式如下：

其中：va為涂膠頭給進(jìn)速度；vb為涂膠頭位置工作外罩線(xiàn)速度。

如圖11可知，若ΔS恒定則va·vb為定值即可。

(2)

vp為轉(zhuǎn)速；ω為角速度。

故：

(3)

結(jié)論：vb為定速，va隨h下降，如va定值，則：

(4)

涂膠頭給定速度va為定值時(shí)，要保證涂膠頭線(xiàn)速度vb恒定，根據(jù)涂膠頭實(shí)時(shí)位置高度計(jì)算出對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度ω即可，此即為主轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制插補(bǔ)函數(shù)。

典型工件軟件控制程序?qū)崿F(xiàn)如下：

float absdis[2];

float roatedis = 180*ZUNITANGLE;//首圈180°可設(shè)置

float zspeed = UNITRAD/*180/π*/*roatesp/*線(xiàn)速度mm/s*//startr/*半徑*/;

setSpeed(ZAXIS, zspeed);//設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸速度

signalMove(ZAXIS, roatedis);//首圈涂膠

float curheigh = getPos(YAXIS)-totalStartHeigh;

float unitH;

float unitR;

float raduis = sraduis + curheigh*k;//高度對(duì)應(yīng)的半徑

float speed;

while(running()){

fpos[XAXIS] = getPos(XAXIS);

fpos[YAXIS] = getPos(YAXIS);

curheigh = getPos(YAXIS)-totalStartHeigh;//獲取當(dāng)前高度

HeighCalcRaduis(curheigh, &startr, &unitH, &unitR);

absdis[0] = unitR+fpos[XAXIS];

absdis[1] = unitH+fpos[YAXIS];

xyAxisMoveAbs(absdis);//膠頭絕對(duì)位移

raduis = sraduis + curheigh*k;//高度對(duì)應(yīng)的半徑

zspeed = UNITRAD*roatesp/raduis;//線(xiàn)速度轉(zhuǎn)化為角速度

setSpeed(ZAXIS, zspeed);//改變角速度，保證涂膠線(xiàn)速度不變

speed = 1/(2*PI*startr/roatesp)*(unitArea/roatesp);

setSpeed(XAXIS, speed);//膠頭速度

signalMove(ZAXIS, 1);//順時(shí)針旋轉(zhuǎn) }

3)其他曲面工件涂膠主轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)控制

對(duì)于其他曲面的工件，存在曲線(xiàn)y軸跟蹤函數(shù)y=f1(x)，如圖12所示。

圖12 任意函數(shù)曲線(xiàn)圖

X軸跟隨函數(shù)x(t)。

主轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速度與半徑相關(guān)，其中半徑r=M-x1(M為工件軸心X軸坐標(biāo)點(diǎn))，故存在跟蹤函數(shù)高度：

h=f2(x)

(5)

涂膠頭速度恒定時(shí)，角速度ω與高度h存在函數(shù)關(guān)系:

ω=f3(h)

(6)

由式(5)、(6)可計(jì)算出旋轉(zhuǎn)軸角速度與x軸速度關(guān)系ω=f4(x)；

故其他曲面的工件也可通過(guò)此方法插補(bǔ)跟蹤函數(shù)運(yùn)動(dòng)控制獲的勻線(xiàn)速度涂膠。

4)模擬測(cè)試結(jié)果：

搭建模擬測(cè)試系統(tǒng)：系統(tǒng)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)編程，搭載脈沖及IO信號(hào)采集卡進(jìn)行伺服控制及保護(hù)信號(hào)采集，對(duì)防熱結(jié)構(gòu)件智能壓粘機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 模擬測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

此控制算法在實(shí)際典型圓臺(tái)形工件模擬測(cè)試中涂膠頭運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)如圖14所示。

圖14 涂膠頭實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

經(jīng)計(jì)算，圖14中涂膠頭實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)斜率K實(shí)際與工件外表面斜率K理論相同，均為4.35 ，滿(mǎn)足控制系統(tǒng)要求。

此控制算法在實(shí)際典型圓臺(tái)形工件模擬測(cè)試中涂膠頭線(xiàn)速度曲線(xiàn)如圖15所示。

圖15 涂膠頭實(shí)際線(xiàn)速度曲線(xiàn)

由圖14可知，涂膠頭實(shí)際運(yùn)行線(xiàn)速度波動(dòng)小于0.5%，控制精度高，線(xiàn)速度保持恒定，滿(mǎn)足控制系統(tǒng)要求。

5.1.3 涂膠頭與工件作業(yè)表面高度檢測(cè)與控制

由于防熱結(jié)構(gòu)件的外殼和內(nèi)襯在加工過(guò)程中存在應(yīng)力，加工完成后會(huì)產(chǎn)生局部形變；加之檢測(cè)裝置的安裝誤差、工裝誤差等綜合因素，則導(dǎo)致工件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中作業(yè)點(diǎn)的表面會(huì)產(chǎn)生凹凸變化，因此造成涂膠頭與作業(yè)面的距離頻繁變化，即使在涂膠頭線(xiàn)速度恒定的條件下也無(wú)法保證均勻涂膠。

據(jù)此涂膠頭上安裝激光位移傳感器，對(duì)涂膠對(duì)應(yīng)點(diǎn)高度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并反饋至控制器，控制器控制涂膠頭X軸方向伺服對(duì)涂膠頭高度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)涂膠頭高度閉環(huán)控制，保持涂膠頭與工件表面位置始終保持一致，具體結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 激光位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

涂膠頭高度控制過(guò)程中，傳感器先將高度測(cè)量值并傳至控制器，控制器再控制涂膠頭移動(dòng)調(diào)整高度，但此時(shí)涂膠頭對(duì)應(yīng)位置已偏離原測(cè)量點(diǎn)，因此將傳感器與涂膠頭安裝至同一水平高度，兩者間弧長(zhǎng)為L(zhǎng),并采用預(yù)先測(cè)量高度，高度實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償調(diào)整控制方式，進(jìn)行涂膠頭工作高度精準(zhǔn)控制。

1)涂膠頭與作業(yè)面高度控制方法:

如圖17所示，傳感器布置至涂膠頭同一高度運(yùn)行方向后側(cè)，涂膠點(diǎn)a0與傳感器測(cè)試點(diǎn)a5夾角為Θ，對(duì)應(yīng)工件弧長(zhǎng)為L(zhǎng)。為保證控制精度，將弧長(zhǎng)L均分為5段，測(cè)試點(diǎn)a0～a5依次經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，對(duì)其各對(duì)應(yīng)點(diǎn)高度進(jìn)行測(cè)量并將各對(duì)應(yīng)點(diǎn)需調(diào)整高度值han(測(cè)量高度Ha測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)高度Ha標(biāo)差值)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)寄存器，當(dāng)a0點(diǎn)移動(dòng)至涂膠頭位置時(shí)，對(duì)應(yīng)調(diào)整高度即為ha0；當(dāng)涂膠頭再移動(dòng)L/5弧長(zhǎng)時(shí)，將ha0值移出，其他數(shù)值依次左移，將ha1點(diǎn)寫(xiě)入寄存器第一位，此值即為涂膠頭當(dāng)前調(diào)整值，如圖18所示，重復(fù)移位操作。

圖17 涂膠頭高度控制原理圖

圖18 移位寄存器原理圖

引入移位寄存器，在涂膠頭由a0點(diǎn)到a1點(diǎn)的移動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行涂膠頭高度調(diào)整，到達(dá)a1點(diǎn)時(shí)涂膠頭對(duì)應(yīng)的高度既是測(cè)量時(shí)需調(diào)整的準(zhǔn)確高度。

弧長(zhǎng)L的細(xì)分?jǐn)?shù)可涂膠頭運(yùn)行線(xiàn)速度及高度調(diào)整時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，滿(mǎn)足高度調(diào)整時(shí)間的前提下，盡可能進(jìn)行多的細(xì)分，以提高計(jì)算精度。

涂膠頭高度調(diào)整軟件控制程序如下：

const LEN = 10 '存取長(zhǎng)度

const RADIS = 20 '弧長(zhǎng)

dim adisarr(LEN)

dim DIS '工作高度

DIS = 45

const L = RADIS/LEN '轉(zhuǎn)動(dòng)弧長(zhǎng)L進(jìn)行調(diào)整

local cnt

local n

local changle

local cntchangle

changle = L/raduis*UNITRAD '轉(zhuǎn)動(dòng)角度

local changedis 'XAXIS微調(diào)距離

local startangle '起始角度

startangle = abs(mpos(ZAXIS)/ZUNITANGLE)

while true

cntchangle = startangle + changle*cnt

if abs(mpos(ZAXIS)/ZUNITANGLE) > cntchangle then changedis = adisarr(0) '取出第一個(gè)值作為調(diào)整高度

base(XAXIS)

move(changedis) '微調(diào)高度

ad0 = AIN(0)*10/4096 '獲取激光模擬量輸入

adis = 50-(ad0-2.5) / 2.5 * 15 - DIS '微調(diào)高度

local i

for i = 0 to LEN-2

adisarr(i) = adisarr(i+1)

next

adisarr(LEN-1) = adis '將新測(cè)量的值存入到數(shù)組

cnt = cnt+1

endif

Wend

2)模擬測(cè)試結(jié)果:

在基于LabVIEW開(kāi)發(fā)模擬測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行涂膠頭高度控制模擬測(cè)試：涂膠頭標(biāo)準(zhǔn)高度設(shè)定為40 mm(傳感器至工件表面距離)，涂膠頭實(shí)際高度曲線(xiàn)如圖19所示。

圖19 涂膠頭實(shí)際高度變化曲線(xiàn)

由圖19可知，涂膠頭實(shí)際高度與標(biāo)準(zhǔn)高度最大差值為0.26 mm，滿(mǎn)足涂膠高度控制要求。

5.2 壓力控制保壓排氣

壓力控制系統(tǒng)按照粘接壓力工藝曲線(xiàn)并采用多級(jí)加壓及旋轉(zhuǎn)加壓方式，設(shè)定多個(gè)壓力臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加壓并保壓，將膠膜內(nèi)氣泡排出的同時(shí)，并保證膠膜厚度均勻。

除多級(jí)加壓及旋轉(zhuǎn)加壓控制外，壓力值精準(zhǔn)控制是確保粘接壓力按照工藝曲線(xiàn)控制的先決條件。

5.2.1 壓力精準(zhǔn)控制前提下旋轉(zhuǎn)施壓控制

壓力精準(zhǔn)控制通過(guò)控制器控制伺服壓力機(jī)進(jìn)行力值輸出，伺服壓力機(jī)壓力傳感器將實(shí)際力值信號(hào)反饋至控制器，與目標(biāo)力值進(jìn)行比較，形成壓力系統(tǒng)閉環(huán)控制，從而達(dá)到壓力的精準(zhǔn)控制[12]。

壓力加載機(jī)構(gòu)原理如圖20所示。

圖20 壓力加載機(jī)構(gòu)原理圖

壓力控制通過(guò)控制器軸輸出接口進(jìn)行伺服壓力器伺服電機(jī)控制，控制器軸輸出端口采用高速脈沖輸出接口，可將力值區(qū)間盡可能小的進(jìn)行劃分，確保壓力輸出精度；并采用多段速輸出控制，設(shè)置多個(gè)力值加載速度區(qū)間，當(dāng)越接近目標(biāo)力值，減緩力值增大(或減小)速度，保證加載效率的同時(shí)，提高壓力加載精度。

5.2.2 壓力、位移匹配多窗口控制

發(fā)動(dòng)機(jī)防熱結(jié)構(gòu)件內(nèi)襯與外罩粘接壓裝過(guò)程壓力需滿(mǎn)足工藝曲線(xiàn)要求，此方案設(shè)計(jì)的壓裝系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)壓力的精細(xì)化控制外，并能夠?qū)⒄辰訅毫σ蟮墓に噮?shù)寫(xiě)入控制器(如圖21所示)，系統(tǒng)按照規(guī)定加壓工藝曲線(xiàn)進(jìn)行壓粘控制，多級(jí)加壓、保壓，同時(shí)旋轉(zhuǎn)施壓，將內(nèi)襯與外罩見(jiàn)膠模內(nèi)的氣泡擠出，保證粘接的成品率,如表1所示。

圖21 多級(jí)加壓、旋轉(zhuǎn)施壓控制流程圖

表1 多級(jí)加壓、旋轉(zhuǎn)施壓參數(shù)表

系統(tǒng)為更加精確地保證壓粘工藝，配置高精度壓力傳感器及壓板位移傳感器，施壓過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)粘接壓力及下壓板位移，同時(shí)引入壓力、位移匹配多公差窗口控制，每個(gè)公差窗口包含各級(jí)壓力公差及對(duì)應(yīng)的位移公差，通過(guò)控制多次設(shè)計(jì)壓粘過(guò)程中公差窗口和保持壓力時(shí)間。發(fā)生任何一種不符合公差窗口設(shè)置參數(shù)的狀況，壓粘機(jī)可立即停止并保護(hù)設(shè)備和零件不受損害，并通過(guò)控制系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警信號(hào)。

多級(jí)加壓、旋轉(zhuǎn)施壓控制流程如圖21所示。

壓粘過(guò)程中多級(jí)加壓、旋轉(zhuǎn)施壓控制程序如下：

while(running())

{

/*獲取AD0通道模擬電壓值*/

ad0 = getAI(0) *10.0/4096;

ad0 *= AD;;//模擬量跟壓力的轉(zhuǎn)換關(guān)系

/*檢測(cè)5個(gè)壓力窗曲線(xiàn)*/

for(int i = 0; i < size; i++){

/*接近加壓點(diǎn)減速加壓*/

if(ad0 > pressParam.at(i).downPress*0.7

&& ad0 < pressParam.at(i).upPress){

float speed = getSpeed(VAXIS);

if(getSpeed(VAXIS) > 1) setSpeed(VAXIS, speed/2);//變速

}

if(ad0 > pressParam.at(i).downPress

&& ad0 < pressParam.at(i).upPress){

/*停止下降*/

stopAxis(VAXIS);

/*停止旋轉(zhuǎn)*/

stopAxis(ZAXIS);

/*保壓*/

delay(pressParam.at(i).stime);

/*壓機(jī)繼續(xù)下降加壓*/

SignalMove(VAXIS, 1);

SignalMove(ZAXIS, 1);

break;

}

}

/*加到最大下限壓力，停止加壓*/

if(ad0 > pressParam.at(size-1).downPress){

stopAllAxis();

SetRunFlag(false);

}

5.3 成型過(guò)程精確穩(wěn)壓控制

成型過(guò)程精確穩(wěn)壓控制通過(guò)配置電動(dòng)擰緊裝置進(jìn)行壓粘成型后鎖緊保壓作業(yè)，電動(dòng)擰緊裝置按照程序設(shè)定來(lái)執(zhí)行擰緊螺絲動(dòng)作，徹底替代人工作業(yè)。

成型過(guò)程精確穩(wěn)壓控制原理如圖22所示。

圖22 成型過(guò)程精確穩(wěn)壓控制原理圖

控制器通過(guò)軸輸出接口進(jìn)行鎖緊機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，并實(shí)時(shí)接收鎖緊過(guò)程中壓機(jī)壓力傳感器力值進(jìn)行所伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，當(dāng)力值小于鎖緊設(shè)定力值(F<10 N)時(shí)，停止鎖緊作業(yè)。鎖緊過(guò)程中同時(shí)監(jiān)測(cè)鎖緊裝置扭矩傳感器扭矩值，防止鎖緊螺栓與螺母不正而導(dǎo)致扭矩過(guò)大，造成設(shè)備及工件的損壞。

成型過(guò)程精確穩(wěn)壓控制流程如圖23所示。

圖23 成型過(guò)程精確穩(wěn)壓控制流程圖

6 驗(yàn)證與結(jié)果評(píng)價(jià)

本控制系統(tǒng)已進(jìn)行防熱結(jié)構(gòu)件壓粘實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，分別對(duì)10月9月和10月12日進(jìn)行的***-Ⅰ型及***-Ⅱ型產(chǎn)品粘接時(shí)間、溢膠率進(jìn)行抽樣、匯總，并進(jìn)行粘接質(zhì)量缺陷檢測(cè)，與原有手工操作對(duì)比結(jié)果如表2～4所示。

表2 加工時(shí)間對(duì)比表

與之前手動(dòng)涂膠壓粘相比，加工時(shí)間最長(zhǎng)縮短約65%。

表3 溢膠率對(duì)比表

與之前手動(dòng)涂膠壓粘相比，溢膠率最多可減少89.6%。

表4 一次粘接合格率對(duì)比表

與之前手動(dòng)涂膠壓粘相比，一次粘接合格率提高25%。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)有固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)防熱結(jié)構(gòu)件智能壓粘機(jī)與原有手動(dòng)涂膠壓粘方式在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中相比，整體壓粘效率、一次粘接成品率有了顯著提高、溢膠率大幅降低；同時(shí)減少了人工干預(yù)，自動(dòng)化水平大幅提升，滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，可廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)防熱結(jié)構(gòu)件智能壓裝粘接作業(yè)。