高振銘 朱祥龍 康仁科 董志剛 方 軻

(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116024)

錐罩位于空空導(dǎo)彈的頭部，既有保護(hù)導(dǎo)引頭天線的作用，又是導(dǎo)彈整體不可或缺的一部分。在導(dǎo)彈飛行過程中,錐罩既要承受惡劣的高溫高壓環(huán)境，還要滿足信號傳輸、良好的電磁特性等電性能要求。錐罩由頭錐和連接環(huán)組成，頭錐材料通常選用石英陶瓷，連接環(huán)材料選用與石英陶瓷熱膨脹系數(shù)相近的殷鋼，由于陶瓷與金屬之間無法采用鉚接等連接方式，所以一般采用膠粘的方法進(jìn)行頭錐與連接環(huán)的連接[1-2]。粘接的技術(shù)難點(diǎn)在于，要保證頭錐和連接環(huán)之間的同軸度以及裝配前后特定截面處的徑向跳動，且要保證膠能均勻地分布在連接環(huán)與頭錐之間，避免劇烈震動情況下金屬與陶瓷接觸造成頭錐碎裂。

目前工作現(xiàn)場多采用臥式粘接的方法，如圖 1所示，現(xiàn)有設(shè)備憑借工人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動粘接，所采用的測量方式為千分表接觸式測量，運(yùn)用定位塊來確定粘接位置，整個粘接流程需要多次取下和裝夾，過程較為繁瑣，整個過程需要4 h左右，生產(chǎn)效率底下，而且精度較低。

為了保證頭錐和連接環(huán)的自動化裝配及測量要求，筆者所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種定位精度高，能夠自動化完成裝配測量的設(shè)備。該設(shè)備主要用于頭錐和連接環(huán)的粘接裝配，具有頭錐和連接環(huán)的自動化裝配，裝配前后錐罩特定截面處徑向跳動的測量以及測量數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲功能。

1 控制需求及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制需求

錐罩裝配設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖 2所示，設(shè)備總體分為2個工位，共用1個測頭，可同時粘接兩發(fā)錐罩。連接環(huán)放置在定位座上，采用氣缸帶動定位座下壓將連接環(huán)定位夾緊，頭錐通過定位頭和定位盤進(jìn)行定位，通過真空泵將頭錐內(nèi)部抽真空形成負(fù)壓，將頭錐壓緊在定位頭和定位盤上，每個工位具有升降和旋轉(zhuǎn)功能，以便于進(jìn)行粘接和測量跳動。非接觸式同軸激光位移測頭固定在兩工位中間位置，由于需要測量2個工位的多個截面，所以測頭需要具有升降、旋轉(zhuǎn)、平移功能，同時將信號傳輸?shù)焦た貦C(jī)進(jìn)行處理。由于產(chǎn)品較為貴重，除去主要功能外，錐罩裝配設(shè)備還需具有三色燈報(bào)警功能、氣壓監(jiān)控功能和急停功能等。

綜上所述，錐罩裝配設(shè)備為七軸聯(lián)動設(shè)備，且具有非接觸式測控功能，針對錐罩裝配設(shè)備的上述運(yùn)動和測控需求，提出對電氣控制系統(tǒng)的要求。包括:

(1)系統(tǒng)擁有自動裝配模式和手動操作模式，各軸運(yùn)動速度，加速度和減速度均可根據(jù)生產(chǎn)需求調(diào)整，運(yùn)動速度波動范圍小于5%，重復(fù)定位誤差小于0.001 mm。

(2)裝配生產(chǎn)過程中測頭可以準(zhǔn)確、精確地輸出數(shù)據(jù)，并將測試數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可自動計(jì)算出所測截面跳動度并和截面跳動的實(shí)際二維圖形一起顯示在軟件當(dāng)中，判斷數(shù)據(jù)是否合格，提供異常報(bào)警。測試完畢后，形成記錄表格自動存儲在計(jì)算機(jī)上。

(3)擁有可擴(kuò)展IO口進(jìn)行輸出與輸入。

(4)充分考慮操作人員及產(chǎn)品的安全性，避免設(shè)備故障或操作人員誤操作等導(dǎo)致人身和產(chǎn)品受到傷害。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錐罩裝配控制系統(tǒng)采用“IPC-運(yùn)動控制卡”作為核心控制部件，IPC作為上位機(jī)通過觸摸顯示屏與用戶進(jìn)行人機(jī)交互，運(yùn)動控制卡作為下位機(jī)通過端子板連接驅(qū)動器對7個電機(jī)進(jìn)行控制。每個端子板帶有24個IO接口，能夠滿足控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入輸出的需求，同時IPC帶有RS232串口，可以直接接收同軸激光位移傳感器信號，不用增加數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，避免A/D轉(zhuǎn)換誤差。

控制系統(tǒng)組成如圖 3所示，其中，轉(zhuǎn)臺1、升降模組1控制左工位頭錐與連接環(huán)的旋轉(zhuǎn)和升降。轉(zhuǎn)臺2、升降模組2控制右工位頭錐與連接環(huán)的旋轉(zhuǎn)和升降。旋轉(zhuǎn)電機(jī)、平移模組和升降模組3控制測頭旋轉(zhuǎn)、平移和升降。真空氣路和壓縮空氣氣路的通斷通過4個兩位三通電磁閥連接繼電模組進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)通過端子板上8個OUT口決定繼電模塊對應(yīng)電路的通斷從而間接控制真空電磁閥1、壓縮空氣電磁閥1、真空電磁閥2、壓縮空氣電磁閥2、三色燈紅色、綠色、黃色和蜂鳴的工作狀態(tài)。氣壓傳感器將氣壓值顯示在真空度顯示屏上，當(dāng)氣壓低于設(shè)定值時，將通過運(yùn)動控制卡IN端口向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，軟件進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。每根運(yùn)動軸配有兩個NPN型限位開關(guān)和一個NPN型零點(diǎn)開關(guān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)限定位置時，限位開關(guān)通過端子板LIM端口向控制系統(tǒng)發(fā)送高電平，系統(tǒng)停止對應(yīng)軸運(yùn)動。當(dāng)需要復(fù)位時，對應(yīng)軸運(yùn)動到零點(diǎn)開關(guān)位置，零點(diǎn)開關(guān)通過端子板ORG端口向控制系統(tǒng)發(fā)送高電平，系統(tǒng)停止對應(yīng)軸運(yùn)動，同時運(yùn)動脈沖記錄清零。急停開關(guān)連接端子板EMG端口，當(dāng)急停開關(guān)被按下時EMG口導(dǎo)通，系統(tǒng)停止一切工作，同一設(shè)備僅需連接一個ENG端口即可急停7根軸。所采用的升降模組電機(jī)為57步進(jìn)兩相電機(jī)，最小步距角為1.9°，驅(qū)動器帶細(xì)分功能，采用2細(xì)分驅(qū)動，即最小步距角為0.9°，絲杠為單頭，導(dǎo)程為6，所以理論最小微動位移為0.015 mm，滿足生產(chǎn)中最小微動位移為0.05 mm的要求。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)

錐罩裝配控制系統(tǒng)軟件以LabVIEW為開發(fā)語言，調(diào)用研華通用運(yùn)動API架構(gòu)進(jìn)行控制[3]。軟件層次組成如圖 4所示，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，控制系統(tǒng)軟件在登錄界面具有身份驗(yàn)證的功能，用戶輸入正確的用戶名和密碼后，可以獲得相應(yīng)的身份和操作權(quán)限，執(zhí)行進(jìn)一步操作。軟件使用ACCESS數(shù)據(jù)庫儲存用戶登錄信息，采用LabSQL工具包實(shí)現(xiàn)對ACCESS數(shù)據(jù)庫的增刪改查。用戶經(jīng)過身份驗(yàn)證可分為管理員與操作員，操作員可以進(jìn)行頭錐和連接環(huán)的粘接工作，訪問自動界面，手動校準(zhǔn)界面，檢測界面，管理員可以訪問設(shè)置界面，對人員以及各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。自動界面為主要工作界面，在工作的過程中產(chǎn)生的測量結(jié)果均會自動顯示在軟件界面上，并自動將測量數(shù)據(jù)保存為EXCEL表格存儲在IPC特定位置中。操作員也可以在手動界面調(diào)整測頭的升降、旋轉(zhuǎn)和平移位置，調(diào)整兩個工位的升降高度和旋轉(zhuǎn)角度，并控制真空的通斷。在檢測界面，用戶可以將粘接好的錐罩放到任意工位進(jìn)行檢測特定截面的徑向跳動[4-6]。

控制系統(tǒng)軟件采用GUI Design Studio設(shè)計(jì)多個友好的人機(jī)交互界面，如圖 5所示，每個組成界面相對統(tǒng)一，美觀大方。界面分工清楚，操作簡單，充分考慮操作的便利性和安全性問題。

2.2 信號采集與處理

c=xmax-xmin

(1)

(2)

同理，Y坐標(biāo)為：

(3)

此時，(Xn,Yn)即為對應(yīng)點(diǎn)xn的X、Y坐標(biāo)，將坐標(biāo)標(biāo)記在XY圖控件當(dāng)中即可生成跳動的實(shí)際二維圖像。

3 誤差分析

對同軸激光位移傳感器的工作狀態(tài)下的誤差進(jìn)行分析，由于傳感器本身的輸出信號為數(shù)字量信號，工控機(jī)通過RS232串口直接進(jìn)行采集，所以不存在A/D轉(zhuǎn)換誤差?？紤]到各零件加工裝配過程中不可避免的存在加工和裝配誤差，所以最大的誤差來源在于激光與錐罩回轉(zhuǎn)軸線不在同一平面內(nèi)所造成的偏離，在此分析此種偏離對整體測量的誤差影響[7]。

以O(shè)為圓心的兩個同心圓代表頭錐自身的跳動公差帶，如圖 8所示，此時考慮激光與錐罩回轉(zhuǎn)軸線不在同一平面的情況，最關(guān)鍵的在于找到激光偏離的表征量，此時過圓心O做激光的垂線OC，以O(shè)C為激光偏離的表征量，記為L。OA代表公差帶的內(nèi)徑，OB代表公差帶的外徑，用r與R來表示。

此時理論公差值：

c=R-r

(4)

實(shí)測公差值：

AB=CB-CA

(5)

此時偏差率為：

(6)

(7)

(8)

將式(7)、(8)代入到式(5)中可得：

(9)

將式(9)代入到式(6)中可得：

(10)

由工藝要求可知，c最大要求為0.15，根據(jù)產(chǎn)品情況R取50，r取49.85，將其代入式(10)，可得偏差率E與激光偏離表征量L之間的函數(shù)關(guān)系，做函數(shù)圖像如圖 9所示。

由圖9可知，當(dāng)偏移量L達(dá)到15 mm時，所測結(jié)果與理論值的偏差率僅為5%，而實(shí)際安裝中，激光偏移量不超過5 mm，所以測量方法和結(jié)果可靠，有效保證了測量精度。

4 結(jié)語

在錐罩裝配控制系統(tǒng)中，上位機(jī)IPC通過對下位機(jī)運(yùn)動控制卡的控制，實(shí)現(xiàn)了7根軸之間的聯(lián)動和測量數(shù)據(jù)的采集處理。各電機(jī)之間協(xié)同工作，互不干涉，測量功能、運(yùn)算功能、存儲功能之間相互聯(lián)系，互不干擾。在軟件上，基于LabVIEW和研華通用運(yùn)動API架構(gòu)編寫控制系統(tǒng)，并運(yùn)用GUI Design Studio設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面。通過控制系統(tǒng)軟硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)錐罩的自動測量裝配功能，裝配時間縮短到0.5 h，與原有手動裝配方式相比，效率提升了8倍，極大地提高了生產(chǎn)能力。