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    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)

    2011-04-10 02:23:00李洲洋谷文韜李旭東李時(shí)威
    制造業(yè)自動(dòng)化 2011年11期
    關(guān)鍵詞:型架自動(dòng)控制工裝

    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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