范紅，陸建軍，仲秋，許興旺

1. 江蘇省鹽城技師學(xué)院 江蘇鹽城 224002

2. 江蘇恒力組合機(jī)床有限公司 江蘇鹽城 224055

1 序言

大型飛機(jī)零件加工精度直接影響到飛機(jī)的使用壽命及安全。目前，國內(nèi)小型零件加工技術(shù)已有較大發(fā)展，但是大型零件加工還存在很多技術(shù)難題。大型零件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給定位和加工帶來很大難度。針對(duì)上述大型零件存在的問題，設(shè)計(jì)了在線控制裝置。該控制裝置借助數(shù)字化測量技術(shù)，在構(gòu)建飛機(jī)全局坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控定位器和零件測量點(diǎn)的數(shù)字化測量，提高了零件的定位精度、加工精度和加工效率。

2 組合機(jī)床控制裝置架構(gòu)

組合機(jī)床控制裝置主要由激光跟蹤儀、840Dsl數(shù)控系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)、工業(yè)PC機(jī)、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、調(diào)姿和加工系統(tǒng)等組成（見圖1）。

圖1 組合機(jī)床控制裝置架構(gòu)

（1）激光跟蹤儀 激光跟蹤儀系統(tǒng)主要由跟蹤頭、控制箱、工業(yè)PC機(jī)、靶球、靶標(biāo)和其他測量附件等組成。垂直安定面調(diào)姿和加工過程中需要測量的調(diào)姿基準(zhǔn)點(diǎn)較多，通過人工引光的方式進(jìn)行測量，工作量大、效率低，為此研究基于三維模型的激光跟蹤儀自動(dòng)跟蹤測量。測量方法：首測時(shí)采用人工測量，初次調(diào)姿完成后基于垂尾的數(shù)字模型獲取調(diào)姿基準(zhǔn)點(diǎn)在全機(jī)坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)；然后利用激光跟蹤儀提供的二次開發(fā)接口，驅(qū)動(dòng)激光跟蹤儀在空間搜索區(qū)域內(nèi)自動(dòng)搜索靶球，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)點(diǎn)自動(dòng)復(fù)測。由于制造和安裝的誤差，基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)和理論值會(huì)有偏差，因此需要設(shè)定以基準(zhǔn)點(diǎn)為搜索中心的搜索區(qū)域。使用通信接口程序來實(shí)現(xiàn)工業(yè)PC機(jī)與跟蹤儀之間的通信問題，實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀自動(dòng)測量功能。當(dāng)通信連接建立后，設(shè)置測量的有關(guān)參數(shù)，主要包括測量方式、數(shù)據(jù)采集頻率和環(huán)境參數(shù)等。

（2）840Dsl數(shù)控系統(tǒng) 組合機(jī)床的調(diào)姿和加工系統(tǒng)共用一套西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，通過SPL安全邏輯程序來執(zhí)行安全功能邏輯，同時(shí)也可將第二編碼器（光柵尺等）或伺服電動(dòng)機(jī)編碼器作為安全編碼器，完成組合機(jī)床的伺服裝置電路連接、在機(jī)測量等狀態(tài)監(jiān)控。840Dsl數(shù)控系統(tǒng)都有雙通道檢測功能，SPL程序同時(shí)在PLC和NC兩系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行，實(shí)時(shí)同步監(jiān)控檢測，如果發(fā)現(xiàn)PLC和NC的信號(hào)狀態(tài)不一致，數(shù)控系統(tǒng)立即產(chǎn)生報(bào)警，伺服軸安全停止并切斷伺服轉(zhuǎn)矩輸出和伺服使能。另外，按照相關(guān)數(shù)控機(jī)床安全規(guī)定要求，每間隔8h，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行安全功能測試，確保組合機(jī)床的絕對(duì)安全性能。

（3）現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng) 現(xiàn)場總線主要是為現(xiàn)場一級(jí)設(shè)備作控制用，各個(gè)現(xiàn)場控制點(diǎn)（例如繼電器、變頻器、傳感器、控制閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）之間是以網(wǎng)絡(luò)形式連接的，與控制設(shè)備的聯(lián)系卻是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，即控制設(shè)備必須通過大量I/O接口與各個(gè)現(xiàn)場控制點(diǎn)聯(lián)系，可以在任意位置上與控制設(shè)備通信?，F(xiàn)場總線主要應(yīng)用于實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)傳送可靠性要求高的場合。

隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)自動(dòng)化控制中應(yīng)運(yùn)而生，由于一直存在數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性、可靠性以及網(wǎng)絡(luò)阻塞等問題，所以主要應(yīng)用在車間級(jí)及工廠級(jí)上層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。在現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)之間加一個(gè)網(wǎng)關(guān)（通常是一個(gè)串口服務(wù)器），則現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入工業(yè)以太網(wǎng)，可以和電腦進(jìn)行通信，對(duì)現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析或人工干預(yù)。工業(yè)以太網(wǎng)是采用共享現(xiàn)場總線型傳輸媒體方式的局域網(wǎng)，能接入控制器、智能現(xiàn)場傳感器和測控儀表等，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。

（4）伺服電動(dòng)機(jī) 組合機(jī)床各軸和調(diào)姿系統(tǒng)各模塊都由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，均采用閉環(huán)伺服控制。閉環(huán)伺服是反饋控制，由于反饋測量裝置精度高，所以環(huán)內(nèi)各元件的誤差和運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都能給予補(bǔ)償。

（5）工業(yè)PC機(jī)（Industrial Personal Computer） 采用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，完成對(duì)激光跟蹤儀自動(dòng)測量、數(shù)據(jù)輸入、軟件核心算法、仿真、結(jié)果輸出、生產(chǎn)過程，以及機(jī)電設(shè)備和工藝裝備進(jìn)行檢測與控制的計(jì)算機(jī)。

3 垂直安定面控制裝置工作流程

組合機(jī)床控制裝置主要具有位姿計(jì)算、軌跡規(guī)劃、調(diào)姿仿真和加工過程仿真、支撐夾緊機(jī)構(gòu)控制、調(diào)姿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制、支撐夾緊機(jī)構(gòu)和調(diào)姿機(jī)構(gòu)的診斷/維護(hù)/報(bào)警/監(jiān)控、刀具和測頭運(yùn)動(dòng)控制以及刀具和測頭運(yùn)動(dòng)的診斷/維護(hù)/報(bào)警/監(jiān)控等功能。組合機(jī)床控制裝置工作按先后順序分為5部分：平臺(tái)初始化、自動(dòng)調(diào)姿、人工調(diào)姿、夾緊和加工（見圖2）。

（1）平臺(tái)初始化 首先將調(diào)姿平臺(tái)初始化，垂直安定面（圖2中簡稱垂尾）上架；輸入理論數(shù)據(jù)和下架數(shù)據(jù)，若下架數(shù)據(jù)不滿足精度要求，查看是否輸入錯(cuò)誤，是輸入錯(cuò)誤則重新準(zhǔn)確輸入數(shù)據(jù)；非輸入錯(cuò)誤則返回上一工序；若下架數(shù)據(jù)滿足精度要求，將下架狀態(tài)的位姿設(shè)為目標(biāo)位姿。其次將測量系統(tǒng)初始化，測量初始位置的工藝基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算初始位姿和位姿變換參數(shù)。

圖2 垂直安定面控制裝置工作流程

（2）自動(dòng)調(diào)姿、人工調(diào)姿和夾緊 規(guī)劃調(diào)姿軌跡，進(jìn)行調(diào)姿過程仿真（離線仿真），查看仿真過程是否有碰撞干涉。若仿真過程有干涉，重新進(jìn)入調(diào)姿軌跡規(guī)劃；若仿真過程無干涉，進(jìn)入后置處理，生成調(diào)姿程序，執(zhí)行調(diào)姿程序。調(diào)姿程序執(zhí)行后，復(fù)測工藝基準(zhǔn)點(diǎn)，查看是否滿足調(diào)姿精度要求；工藝基準(zhǔn)點(diǎn)滿足要求則調(diào)姿結(jié)束，夾緊工件送進(jìn)加工區(qū)域；如果工藝基準(zhǔn)點(diǎn)不能滿足調(diào)姿精度要求，計(jì)算當(dāng)前位姿和位姿變換參數(shù)，判斷是否滿足人工調(diào)姿要求。如果不滿足人工調(diào)姿要求則重新進(jìn)入調(diào)姿軌跡規(guī)劃；若滿足人工調(diào)姿要求，生成定位器位移量指導(dǎo)人工調(diào)姿，人工調(diào)姿完成后，復(fù)測工藝基準(zhǔn)點(diǎn)，判斷是否滿足調(diào)姿精度要求。若滿足則調(diào)姿結(jié)束，夾緊送進(jìn)加工區(qū)域；若不滿足調(diào)姿精度要求，計(jì)算當(dāng)前位姿和位姿變換參數(shù)，生成定位器位移量指導(dǎo)人工調(diào)姿。人工調(diào)姿完成后，復(fù)測工藝基準(zhǔn)點(diǎn)，再判斷是否滿足調(diào)姿精度要求，若滿足則調(diào)姿結(jié)束，夾緊送進(jìn)加工區(qū)域。

（3）加工 使用在機(jī)測頭找正垂直安定面的位置，編制在機(jī)測量程序并進(jìn)行余量評(píng)估，執(zhí)行在機(jī)測量程序，測量數(shù)據(jù)分析和計(jì)算加工余量，編制加工程序，執(zhí)行加工程序，垂直安定面最終檢測，進(jìn)行加工質(zhì)量評(píng)價(jià)，滿足加工精度要求則結(jié)束下架；不能滿足加工精度要求時(shí)進(jìn)行誤差分析。

4 結(jié)束語

本次針對(duì)在組合機(jī)床上精加工垂直安定面的控制裝置的設(shè)計(jì)，解決了過多依賴操作人員技能的問題，減少了機(jī)床停機(jī)時(shí)間。通過自動(dòng)修正偏置值進(jìn)行序中工件測量，提供過程反饋，減少不確定因素的影響，不僅提高了零件的定位精度和加工精度，省去定位、調(diào)整和安裝等生產(chǎn)輔助時(shí)間，而且減少了測量過程中產(chǎn)生誤差的可能性。該控制裝置的設(shè)計(jì)，既提高了機(jī)床的生產(chǎn)力和批量產(chǎn)品尺寸的靈活性，降低了廢品率，又滿足了用戶對(duì)零件的加工精度要求和生產(chǎn)使用要求。