基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝裝備自動(dòng)控制技術(shù)

李洲洋，谷文韜，郝 丁，李旭東，李時(shí)威

LI Zhou-yang1,GU Wen-tao1,HAO Ding2,LI Xu-dong2,LI Shi-wei3

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072；2. 首都航天機(jī)械公司，北京 100076；3. 北方光電股份有限公司，西安 710043）

0 引言

工藝裝備（簡(jiǎn)稱(chēng)工裝）是火箭、飛機(jī)等大型復(fù)雜產(chǎn)品制造所必不可少的保障條件和重要組成部分，是保證產(chǎn)品制造過(guò)程中各零部件間的協(xié)調(diào)與互換，乃至最終產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)。工裝的運(yùn)動(dòng)精度和自動(dòng)化程度對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量和制造周期具有決定性的作用[1,2]。目前，工裝仍以手工作業(yè)或人工控制為主，以模擬量傳輸協(xié)調(diào)各工藝流程，對(duì)工裝的定位精度和運(yùn)動(dòng)精度缺乏精確的數(shù)字化控制，精度差，生產(chǎn)效率低。低效的工裝設(shè)備已經(jīng)成為制約新產(chǎn)品快速研制和生產(chǎn)的巨大障礙。如何提高工藝裝備的運(yùn)動(dòng)精度和自動(dòng)化程度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品制造周期，已經(jīng)成為制造企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。

為提高大型復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外的許多專(zhuān)家進(jìn)行了大量的研究，研制了許多的自動(dòng)化工裝。目前，國(guó)外大型飛機(jī)制造公司生產(chǎn)和裝配中普遍采用由計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字化自動(dòng)工裝系統(tǒng)，如波音717的飛機(jī)裝配移動(dòng)生產(chǎn)線；F35飛機(jī)大部件自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)；空客的機(jī)翼壁板柔性裝配系統(tǒng)等[1～8]，大幅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期。而國(guó)內(nèi)飛機(jī)、火箭等大型復(fù)雜產(chǎn)品的工藝裝備仍采用手工或半自動(dòng)控制方式，主要以模線、樣板及專(zhuān)用定位夾緊器[1]等模擬量作為產(chǎn)品制造和協(xié)調(diào)的依據(jù)。對(duì)于工裝自動(dòng)化技術(shù)的研究主要集中在產(chǎn)品裝配過(guò)程的數(shù)字化仿真及柔性工裝等理論研究方面[8～12]，對(duì)于工裝自動(dòng)控制技術(shù)的研究尚處于起步階段。

為提高工裝的自動(dòng)化水平，本文通過(guò)對(duì)飛機(jī)、火箭等大型復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程及工藝數(shù)據(jù)的分析，建立面向復(fù)雜產(chǎn)品的工藝信息模型。采用數(shù)字化驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)，研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制體系，實(shí)現(xiàn)工藝裝備的自動(dòng)化控制，有效提高工裝運(yùn)動(dòng)精度。

1 基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制體系

在產(chǎn)品制造過(guò)程中，工人依據(jù)工藝文件對(duì)工裝進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)和定位，然后進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)和裝配。由此可知，工藝數(shù)據(jù)是工裝運(yùn)動(dòng)和控制的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)源頭。因此，通過(guò)對(duì)工藝數(shù)據(jù)的分析，建立面向工裝自動(dòng)控制的工藝信息模型。以工藝數(shù)據(jù)為源頭，研究基于工藝數(shù)據(jù)的工裝自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制體系，實(shí)現(xiàn)工裝的自動(dòng)化和數(shù)字化控制，有效提高運(yùn)動(dòng)精度和生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制體系如圖1所示。

傳統(tǒng)的工藝信息模型僅包含了工藝及相關(guān)的產(chǎn)品信息，而缺少有關(guān)工裝信息的詳細(xì)描述。為了對(duì)工藝裝備進(jìn)行控制和管理，對(duì)傳統(tǒng)的工藝信息模型進(jìn)行擴(kuò)展，加入所需的工裝信息，如工裝的類(lèi)型、工裝的驅(qū)動(dòng)方式、工裝的運(yùn)動(dòng)維度、工裝運(yùn)動(dòng)范圍等信息，以及工裝的各種驅(qū)動(dòng)設(shè)備信息，如驅(qū)動(dòng)的類(lèi)型、驅(qū)動(dòng)的方式、運(yùn)動(dòng)的形式、運(yùn)動(dòng)的速度、驅(qū)動(dòng)力或力矩、運(yùn)動(dòng)精度等信息?；谠摴に囆畔⒛Ｐ?，工藝人員在進(jìn)行工藝文件的編制時(shí)，需要指定工裝的類(lèi)型、運(yùn)動(dòng)模式、所需要的關(guān)鍵位置控制點(diǎn)或運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息，并將工藝文件統(tǒng)一存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

在產(chǎn)品生產(chǎn)加工時(shí)，基于工裝控制管理系統(tǒng)可從工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取工藝信息，并從工藝信息中提取工作流程、工裝類(lèi)型、工裝的運(yùn)動(dòng)模式、關(guān)鍵位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)等數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)動(dòng)控制模塊依據(jù)工裝的類(lèi)型及運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制命令，經(jīng)運(yùn)動(dòng)控制器轉(zhuǎn)換后形成運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)工裝運(yùn)動(dòng)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊通過(guò)檢測(cè)來(lái)自數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊采集的傳感器信號(hào)，可實(shí)時(shí)獲取工裝的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，并將運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為反饋信息提供給運(yùn)動(dòng)控制模塊。當(dāng)工裝到達(dá)所設(shè)定的預(yù)定位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制模塊可通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器鎖定工裝位置。工人可基于工裝的當(dāng)前位置進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)或裝配?；诠に嚁?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制體系的關(guān)鍵在于建立面向工裝自動(dòng)控制的工藝信息模型以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制技術(shù)。

2 面向工裝自動(dòng)控制的工藝信息模型

作為工裝運(yùn)動(dòng)和控制的基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)源頭，工藝信息必須包含各種工裝信息，以及工裝驅(qū)動(dòng)設(shè)備的各種控制參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等信息。為此，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程及工藝數(shù)據(jù)與工裝關(guān)系的分析，建立面向工裝自動(dòng)控制的工藝信息模型，以滿足工裝自動(dòng)控制的需要。面向工裝自動(dòng)控制的工藝信息模型如圖2所示。

圖2 面向工裝自動(dòng)控制的工藝信息模型

該工藝信息模型包括面向工藝過(guò)程的工藝BOM（Process BOM,PBOM）信息以及工裝及驅(qū)動(dòng)設(shè)備等資源信息。PBOM是信息模型的主體，它不僅包含了面向工藝設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，還包含了產(chǎn)品中的每個(gè)零部件的工藝信息，如加工方法的設(shè)計(jì)、工序及工步的安排、工藝裝備的選取、機(jī)床設(shè)備的選擇和加工參數(shù)的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。資源信息包括了產(chǎn)品制造過(guò)程中需要的工藝裝備、機(jī)床設(shè)備、刀具、夾具、量具等輔具信息，以及用戶(hù)信息。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝的自動(dòng)控制，在傳統(tǒng)的工裝信息基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，不僅包含原有的工裝型號(hào)、名稱(chēng)、狀態(tài)及所屬車(chē)間等基本信息，還對(duì)工裝的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)維度、可選動(dòng)作、運(yùn)動(dòng)范圍，以及每個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)維度的驅(qū)動(dòng)設(shè)備、設(shè)備類(lèi)型、運(yùn)動(dòng)模式、控制策略、運(yùn)動(dòng)極限、驅(qū)動(dòng)力矩以及運(yùn)動(dòng)精度等信息進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

在進(jìn)行工藝編制時(shí)，工藝人員可基于資源信息選擇具體的工裝類(lèi)型，并給出使用該工裝進(jìn)行加工的具體步驟及詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，如每步加工時(shí)工裝的運(yùn)動(dòng)模式、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)位置、運(yùn)動(dòng)精度等信息。在進(jìn)行實(shí)際的生產(chǎn)加工時(shí)，工裝控制管理系統(tǒng)通過(guò)工藝信息可獲知工裝及其運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，并基于該信息實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制。

3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制，建立了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制管理平臺(tái)，如圖3所示。該平臺(tái)包括數(shù)據(jù)層、功能層以及硬件層。

數(shù)據(jù)層包含面向工裝自動(dòng)控制的工藝信息，該信息由工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)生成并存儲(chǔ)。管理平臺(tái)通過(guò)企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)讀取工藝信息，獲取工藝流程以及與流程相關(guān)的工裝信息及工裝運(yùn)動(dòng)參數(shù)，作為工裝自動(dòng)控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

功能層包括工裝運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、流程管理以及設(shè)備自檢等功能模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊可以實(shí)現(xiàn)工裝運(yùn)動(dòng)的位置控制、速度控制以及驅(qū)動(dòng)力（矩）控制等多種運(yùn)動(dòng)控制方式?；趶墓に囆畔@得的工裝運(yùn)動(dòng)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制模塊可以按照參數(shù)要求對(duì)工裝運(yùn)動(dòng)的位置、速度以及驅(qū)動(dòng)力等參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制。此外，運(yùn)動(dòng)控制模塊還提供了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式，既可以實(shí)現(xiàn)工裝運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制，也可滿足工人隨時(shí)手工調(diào)整的需要。

圖3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制管理平臺(tái)

運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能，可以通過(guò)系統(tǒng)總線實(shí)時(shí)接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊的各傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)工裝的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)檢測(cè)來(lái)自數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊的各傳感器的數(shù)字量信號(hào)，然后由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模塊按照各傳感器的參數(shù)特性對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，以得到工裝的實(shí)際位移、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)值，并將這些實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為反饋數(shù)據(jù)提供給運(yùn)動(dòng)控制模塊。當(dāng)工裝的運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到工藝要求值時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制模塊可對(duì)工裝的當(dāng)前位置進(jìn)行鎖定，以便工人進(jìn)行生產(chǎn)加工。

硬件層包括安裝在工裝上的各種驅(qū)動(dòng)設(shè)備、與各驅(qū)動(dòng)設(shè)備相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制模組，以及各種工裝運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)傳感器、遠(yuǎn)程變送器和數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊。

為驅(qū)動(dòng)工裝進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在工裝的各獨(dú)立運(yùn)動(dòng)維度處裝有驅(qū)動(dòng)設(shè)備及傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)設(shè)備包括了電力驅(qū)動(dòng)、汽壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)等各種形式的動(dòng)力源，以及設(shè)備運(yùn)動(dòng)所必須的離合器和制動(dòng)器等裝置。傳動(dòng)系統(tǒng)包括了齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)等各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力源輸出動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)的各種變換，如增力、增扭、增速、減速或換向等功能。為驅(qū)動(dòng)各驅(qū)動(dòng)設(shè)備工作，硬件層還配備了與各驅(qū)動(dòng)設(shè)備相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的變頻調(diào)速器、伺服驅(qū)動(dòng)器，以及驅(qū)動(dòng)氣壓馬達(dá)或液壓馬達(dá)工作的比例伺服閥、分流集流閥等。運(yùn)動(dòng)控制模組包含各種能夠?qū)ぱb驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制的運(yùn)動(dòng)控制器。運(yùn)動(dòng)控制器接收來(lái)自功能層運(yùn)動(dòng)控制模塊的控制命令，如啟動(dòng)、停車(chē)、快進(jìn)等命令，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送到各驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器接收控制命令信號(hào)，并產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)設(shè)備，如電壓信號(hào)、電流信號(hào)或是氣壓、液壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)各驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制。

安裝于工裝各獨(dú)立運(yùn)動(dòng)維度處的傳感器可感知工裝運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化，并產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)，上傳到數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊。若數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊與傳感器距離較遠(yuǎn)，則需要配備遠(yuǎn)程變送器，將傳感器的輸出信號(hào)變送到數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊，以防止信號(hào)的衰減和失真。數(shù)據(jù)采集調(diào)理模塊接收到傳感器信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離、放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，輸出數(shù)字量信號(hào)，并通過(guò)系統(tǒng)總線提供給運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊，為工裝運(yùn)動(dòng)控制提供依據(jù)。當(dāng)工裝運(yùn)動(dòng)到所設(shè)定的預(yù)定位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制模塊可通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制器及驅(qū)動(dòng)器發(fā)送鎖定信號(hào)，驅(qū)動(dòng)離合器及制動(dòng)器動(dòng)作，鎖定工裝位置。

此外，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制管理平臺(tái)還包括了用戶(hù)管理和日志記錄功能。通過(guò)用戶(hù)管理功能可只允許有特定權(quán)限的用戶(hù)才能進(jìn)入工裝控制管理系統(tǒng)進(jìn)行操作。日志記錄功能則把有關(guān)的操作事件、操作用戶(hù)、操作時(shí)間及結(jié)果等信息記錄下來(lái)，統(tǒng)一存入日志文件，為產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、檢查提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程的可追溯管理。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

為滿足大型運(yùn)載火箭研制和生產(chǎn)的需要，與航天某研究院聯(lián)合設(shè)計(jì)制造了某型火箭大型臥式鉚接型架。該鉚接型架主要包括床身、床頭及床尾三部分，如圖4所示。床頭固定于床身的一端。床身上裝有導(dǎo)軌，床尾安裝于導(dǎo)軌上。床尾裝有伺服電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)，可沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)不同長(zhǎng)度火箭的生產(chǎn)需求。床頭和床尾上設(shè)有轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可作整周轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤(pán)可與火箭整體或某一段相連，并帶動(dòng)火箭沿軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整火箭的位置，便于生產(chǎn)時(shí)的協(xié)調(diào)和裝配。在床尾及轉(zhuǎn)盤(pán)上裝有離合器及制動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)床尾及轉(zhuǎn)盤(pán)任意位置的鎖定，滿足生產(chǎn)需求。此外，在導(dǎo)軌及轉(zhuǎn)盤(pán)上安裝有光柵尺位移傳感器，可對(duì)床尾及轉(zhuǎn)盤(pán)的位置進(jìn)行精確測(cè)量。

圖4 臥式鉚接型架結(jié)構(gòu)示意圖

基于該鉚接型架，依據(jù)本文所提出的工裝自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建了臥式鉚接型架管理與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了工藝數(shù)據(jù)管理模塊以及工裝控制管理模塊。工藝數(shù)據(jù)管理模塊包含了工藝編輯以及工藝管理功能?；诠に嚁?shù)據(jù)管理模塊，工藝人員可編制火箭加工工藝，并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同系列火箭產(chǎn)品工藝的管理。如圖5所示為臥式鉚接型架工藝數(shù)據(jù)編輯界面。圖6所示為臥式鉚接型架工裝控制管理界面。工裝控制管理模塊可按照工藝流程，依據(jù)工藝數(shù)據(jù)所給定的工裝運(yùn)動(dòng)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)鉚接型架的床尾及轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的實(shí)時(shí)精確控制。床尾的直線移動(dòng)重復(fù)定位精度可達(dá)0.05毫米，轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)重復(fù)定位精度可達(dá)到0.1分。

基于該大型臥式鉚接型架以及臥式鉚接型架管理與控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)火箭生產(chǎn)過(guò)程中鉚接型架的數(shù)字化自動(dòng)控制，提高了定位精度和生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，為大型火箭的研制生產(chǎn)提供有力的支持。

圖5 臥式鉚接型架工藝數(shù)據(jù)編輯界面

圖6 臥式鉚接型架運(yùn)動(dòng)控制界面

5 結(jié)束語(yǔ)

工藝裝備的自動(dòng)化和數(shù)字化是制造企業(yè)現(xiàn)代化研究的重點(diǎn)內(nèi)容。本文通過(guò)對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程及工藝數(shù)據(jù)與工裝關(guān)系的分析和研究，構(gòu)建了基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝裝備自動(dòng)控制體系，建立了面向工裝自動(dòng)控制的工藝信息模型，并在此基礎(chǔ)上研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝裝備自動(dòng)控制技術(shù)，構(gòu)建了基于工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工裝自動(dòng)控制管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了工裝運(yùn)動(dòng)控制的自動(dòng)化和數(shù)字化，提高了工裝的運(yùn)動(dòng)精度，有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

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