基于PMAC的運輸機(jī)中外翼端面精加工設(shè)備設(shè)計*

□ 鄧 波 □ 李樹軍 □ 許元恒 □ 郭 鼓

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

航空運輸機(jī)具有較大的載重量和續(xù)航能力,在現(xiàn)代軍用和民用運輸中具有重要地位，它的發(fā)展對于國民經(jīng)濟(jì)及國防事業(yè)發(fā)展具有重要意義。為了提升國內(nèi)運輸機(jī)中外翼精加工的水平，開發(fā)設(shè)計了一臺中外翼端面數(shù)控精加工機(jī)床，旨在提高中外翼端面精加工的效率，提高連接的可靠性，為實現(xiàn)運輸機(jī)自動化加工、裝配打下堅實的基礎(chǔ)。工至安裝精度后再翻轉(zhuǎn)進(jìn)行另一端面的精加工，使兩端面均達(dá)到裝配精度要求，然后再用鉆床手動進(jìn)給，進(jìn)行一面沉孔的锪窩，完成后，再將機(jī)翼翻轉(zhuǎn)進(jìn)行另一面孔的加工，最后裝上中外翼端面連接板，進(jìn)行擴(kuò)、鉸連接孔，中外翼端面連接板示意如圖3所示，經(jīng)過以上加工工序，從而達(dá)到裝配精度要求［1］。

在整個精加工過程中，需要將中外翼反復(fù)的吊裝、

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

1.1 中外翼端面精加工現(xiàn)有工藝分析

運輸機(jī)中外翼在桁架中經(jīng)過焊接、鉚連、蒙皮成型，成型后的中外翼結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在運輸機(jī)裝配過程中，中外翼需與中央翼、外翼進(jìn)行連接，從而構(gòu)成運輸機(jī)的整個機(jī)翼。由于焊接、鉚連會產(chǎn)生一定變形，不能夠準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)計的連接精度要求，因此中外翼兩端面及端面連接孔均留有余量，中外翼端面結(jié)構(gòu)如圖2所示，待中外翼成型后，需由吊車裝配從桁架中吊至大型的加工中心裝夾固定，進(jìn)行一端面的精加工，加裝夾和手工鉆削，過程繁雜，勞動強度大，效率低，而且反復(fù)裝夾會使加工精度降低，一致性差，嚴(yán)重影響飛機(jī)機(jī)翼以及發(fā)動機(jī)的性能及工作可靠性，同時會增加加工工時和成本。為了盡可能提高中外翼端面及連接孔的精度、可靠性和加工效率，改變目前反復(fù)吊裝裝夾的精加工方式就顯得尤為重要。

▲圖1 運輸機(jī)中外翼結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖3 中外翼連接板示意圖

▲圖2 中外翼端面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 機(jī)床結(jié)構(gòu)

根據(jù)中外翼端面及連接孔加工工藝、加工精度、安裝條件等要求，所需精加工設(shè)備需要具備銑削大小端面、配鉸連接孔、銑削兩側(cè)面沉孔的窩孔的功能。針對現(xiàn)有工藝存在的繁瑣和精度難以保證的不足,設(shè)計了一臺四坐標(biāo)的數(shù)控加工設(shè)備，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

運輸機(jī)中外翼的精加工設(shè)備是四坐標(biāo)數(shù)控加工設(shè)備，其機(jī)械系統(tǒng)包括X、Y、Z 3個直線移動坐標(biāo)系統(tǒng)及1個A軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)、配重系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和噴灑冷卻液系統(tǒng)。

X、Y、Z軸移動系統(tǒng)均由伺服單元、精密減速器、滾珠絲杠和導(dǎo)軌組成，銑削中外翼端面和锪中外翼側(cè)面沉孔時，通過X、Y、Z軸移動系統(tǒng)運動，達(dá)到動力銑削頭的進(jìn)給以及將銑削頭送至窩孔上方的目的。

A旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)由伺服單元、滑枕、支撐板和精密減速器組成，锪中外翼側(cè)面沉孔時，使雙輸出銑削的副刀頭旋轉(zhuǎn)到與窩孔保持法向垂直的角度，再進(jìn)行中外翼側(cè)面沉孔的加工。

由于設(shè)備前端懸空量大而且前端移動系統(tǒng)重，為減少Y軸移動系統(tǒng)的驅(qū)動力和移動的穩(wěn)定性，增加了配套的配重裝置，根據(jù)需要還設(shè)計了配套的潤滑系統(tǒng)和冷卻液噴灑系統(tǒng)。

▲圖4 機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

該機(jī)械系統(tǒng)采用四軸聯(lián)動來保證加工精度，設(shè)備能夠使中外翼在桁架中不用吊裝就可以完成銑削大小端面、配鉸連接孔以及銑削兩側(cè)面沉孔的窩孔的工藝要求，提高了中外翼端面精加工的效率、連接的可靠性以及加工過程的自動化水平。

1.3 中外翼端面精加工機(jī)床結(jié)構(gòu)有限元分析

機(jī)床床身作為影響機(jī)床靜剛度的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件，主要用來承受各種工作零部件以及裝配體和自身的重量，而搭載其上的零部件及裝配體對床身的作用力等效作用于特定作用點，床身底座通過地腳螺栓固定于地基上，同時，Y軸導(dǎo)軌、絲杠軸承座、伺服電機(jī)座通過螺釘固定在床身上。在機(jī)床工作過程中，Y軸移動系統(tǒng)帶動X軸移動系統(tǒng)沿Y軸方向移動，其作用點位置隨時在變化，因此對床身的作用力也相應(yīng)發(fā)生變化。

基于約束加載法則和床身真實情況下的邊界條件，即床身底座固定于基座上，床身與地面之間采用全固定約束，加上機(jī)床各部件的重力載荷、銑削頭銑削載荷。通過ANSYS有限元分析迭代等數(shù)值算法，對上述有限元模型建立的代數(shù)微分方程進(jìn)行計算求解，X、Y、Z方向及綜合變形如圖5所示。

圖5表示在約束載荷作用下各方向不同程度的變形，由變形而引起的加工刀具偏移誤差是影響機(jī)床加工精度的主要原因，經(jīng)過統(tǒng)計得出該機(jī)床刀具端各個方向的最大變形量，見表1。

▲圖5 機(jī)床靜力學(xué)變形示意圖

表1 機(jī)床各方向的最大變形量

從變形云圖可以得知，由于銑削頭懸出距離較大，銑削頭在重力和銑削力的作用下沿Y軸方向變形量大，該部分由于結(jié)構(gòu)問題導(dǎo)致剛度薄弱，直接影響加工精度，床身結(jié)構(gòu)的總變形位移最大0.018 mm，在床尾部位的中間導(dǎo)軌左側(cè)區(qū)域的位置。這表明床尾位置中間導(dǎo)軌左側(cè)區(qū)域的靜剛度比較薄弱。在進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計與制造過程中，應(yīng)抵消銑削頭自重而引起的變形，使銑削頭在自然狀態(tài)下軸線與水平面平行，這樣，Z、Y軸及綜合變形量會大幅度縮小，進(jìn)而提高加工精度。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

結(jié)合設(shè)備工作要求，中外翼端面精加工設(shè)備控制系統(tǒng)采用工業(yè)計算機(jī) （IPC）和PMAC構(gòu)成并行式雙CPU結(jié)構(gòu)，同時選用伺服驅(qū)動單元、伺服電機(jī)和編碼器，最終構(gòu)成一個完整的開放式數(shù)控系統(tǒng)。其中工控機(jī)實現(xiàn)整個數(shù)控系統(tǒng)前臺管理和人機(jī)交互等功能；PMAC完成對X、Y、Z、A軸的伺服電機(jī)的實時運動控制、接收電機(jī)編碼器的位置反饋等功能。數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.1 通信接口設(shè)定

該硬件結(jié)構(gòu)中將工控機(jī)和Clipper集成控制器通過Ethernet接口連接進(jìn)行通信,提高了電機(jī)的運動控制精度和可靠性。在該數(shù)控系統(tǒng)中，采用的數(shù)控系統(tǒng)硬件為IMAC-400，其核心為Turbo PMAC Clipper卡。Turbo PMAC Clipper是一個基于Turbo PMAC2 CPU、功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低的多軸控制器，可同時控制X、Y、Z、A 4個軸。Clipper集成控制器與工控機(jī)之間通過RS-422或Ethernet連接，保證實時通信，達(dá)到運動控制卡的運動控制能力與工控機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力完美結(jié)合的目的。

▲圖6 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 各軸伺服系統(tǒng)設(shè)計

伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器及其相應(yīng)的伺服電機(jī)構(gòu)成，伺服電機(jī)作為執(zhí)行單元，驅(qū)動X、Y、Z軸滾珠絲杠和A軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動。在本控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)能使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出量跟隨輸入目標(biāo)值任意變化，它的主要任務(wù)就是按控制命令的要求，對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活。

根據(jù)載荷計算及性價比對比，本系統(tǒng)選定松下伺服電機(jī)及其相應(yīng)的伺服驅(qū)動器作為中外翼端面精加工設(shè)備的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，同時選用海德漢光柵尺作為位置反饋。在系統(tǒng)運行時，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速等信號經(jīng)光柵尺、伺服驅(qū)動器上傳到集成控制器，通過集成控制器計算處理以及經(jīng)過相應(yīng)硬件的放大和轉(zhuǎn)化后，反饋給伺服電機(jī)執(zhí)行命令，實現(xiàn)全閉環(huán)控制。

在該控制系統(tǒng)中,集成控制器部分的輸入電壓為DC24V，電流約5A，伺服電動機(jī)的輸入電壓為AC200V，值得注意的是Y軸伺服電機(jī)必須帶有制動器，以避免Y軸伺服電機(jī)在運動過程中由于重力的原因出現(xiàn)較大的誤差，并且每個軸都配有極限開關(guān)、回零開關(guān)。

3 軟件設(shè)計

3.1 上位機(jī)與下位機(jī)通信

要實現(xiàn)上位機(jī)對中外翼端面精加工設(shè)備進(jìn)行程序控制，首要條件是要建立上位機(jī)(IPC)和下位機(jī)(PMAC)之間的通信。該設(shè)備上位機(jī)的人機(jī)界面開發(fā)平臺是基于VC++6.0高級編程語言，所以，上位機(jī)運行的系統(tǒng)管理軟件是Win32應(yīng)用程序。在Win32應(yīng)用程序和PMAC驅(qū)動程序之間建立通信橋梁的是由Delta Tau公司所提供的PComm32PRO通信函數(shù)庫。在VC++6.0環(huán)境下對PMAC數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)須調(diào)用PComm32PRO的動態(tài)鏈接庫PComm32.dll中所帶的函數(shù)，并將其加載到上位機(jī)的內(nèi)存中，為后面調(diào)用PComm32PRO中的函數(shù)提供方便。系統(tǒng)中采用動態(tài)鏈接方式對PComm32PRO進(jìn)行鏈接，該方式可以隨時加載、卸載動態(tài)庫，操作靈活。

3.2 管理操作界面

數(shù)控系統(tǒng)管理界面由VC++6.0環(huán)境下的MFC來創(chuàng)建。在創(chuàng)建過程中，使用MFC的AppWizard向?qū)Чぞ撸捎脤υ捒蚪缑孀鳛槿藱C(jī)界面的主要框架［2］，主要包含通信模塊、電機(jī)手動運行模塊、電機(jī)運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制模塊，如圖7所示。

▲圖7 系統(tǒng)管理軟件界面

▲圖8 后置處理程序流程圖

3.3 軟件模塊的實現(xiàn)

通信模塊的主要功能是當(dāng)上位機(jī)數(shù)控系統(tǒng)管理軟件啟動后，選擇對應(yīng)菜單上的命令來打開上位機(jī)和PMAC之間的通信通道，以及在完成加工任務(wù)后和退出系統(tǒng)管理軟件之前關(guān)閉上位機(jī)和PMAC之間的通信通道。建立IPC與PMAC之間的通信是通過調(diào)用PComm32PRO 中的 BOOL Open Pmac Device（DWORD dwDevice）函數(shù)來實現(xiàn)；在退出系統(tǒng)時，需要調(diào)用BOOL Close Pmac Device（DWORD dwDevice）函數(shù)斷開Clipper卡，完成對系統(tǒng)資源的釋放。其參數(shù)dwDevice為希望打開的設(shè)備號，在該系統(tǒng)中默認(rèn)為0。

PMAC的數(shù)據(jù)采集方式有多種，本系統(tǒng)采用直接從PMAC運動寄存器中采集數(shù)據(jù)的采集方式，將采集到的4組伺服電機(jī)的指令位置、實際位置以及實時速度傳送到上位機(jī)中［3］。電機(jī)運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控模塊通過調(diào)用PComm32PRO中的PmacGetResponseA（）函數(shù)讀取寄存器在M變量中的各個電機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。例如：PmacGetResponseA(0,buf11,255,"M161")表示將變量M161的寄存值進(jìn)行讀取，該值表示X軸電機(jī)的指令位置。在系統(tǒng)實時控制中，該系統(tǒng)設(shè)置了一個定時器，每隔50 ms發(fā)出一個消息，由對應(yīng)的消息處理函數(shù)OnTimer（UINT nIDEvent）向PMAC發(fā)出在線查詢命令，并將數(shù)據(jù)顯示在人機(jī)界面上。

中外翼端面精加工設(shè)備共由4組伺服電機(jī)組成，通過正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)對4組電機(jī)進(jìn)行模糊控制。以實現(xiàn)X軸電機(jī)的正向手動控制為例，通過調(diào)用PComm32PRO中的PmacGetResponseA（）函數(shù)將相應(yīng)的在線命令發(fā)送給 Clipper卡達(dá)到控制的目的。例如：PmacGetResponse(0,BUF,255,"#1J-")是給X軸發(fā)送一個連續(xù)反向轉(zhuǎn)動的在線命令［4,5］。

3.4 后置處理

PMAC數(shù)控編程可以進(jìn)行手動編程和自動編程，但由于中外翼端面加工不易，對中外翼端面的加工進(jìn)行手動編制加工代碼難以實現(xiàn)，系統(tǒng)中采用CATIA/DELMIA對中外翼的三維模型進(jìn)行后置處理，離線生成代碼代替人工編程，只需要合適地設(shè)定編程所需要的各種參數(shù)，最后軟件就會自動生成需要的加工刀位文件，通過在刀位文件當(dāng)中提取有用的信息，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后生成某些特定數(shù)控系統(tǒng)能識別的加工代碼。本系統(tǒng)中后置處理系統(tǒng)對刀位文件數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其具體流程如圖8所示。

4 結(jié)論

為了盡可能提高中外翼端面及連接孔的精度、可靠性和加工效率，改變目前反復(fù)吊裝裝夾的精加工方式，設(shè)計了一臺四坐標(biāo)的中外翼端面精加工設(shè)備，并開發(fā)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)軟件。設(shè)備通過以PMAC為核心的集成控制器實現(xiàn)數(shù)控控制，并以VC++為載體，設(shè)計了便于操作的友好人機(jī)交互界面，構(gòu)建了完整的控制系統(tǒng)。目前該精加工設(shè)備已在國內(nèi)某飛機(jī)制造公司試驗，完全滿足加工的精度和工藝需要，在精加工銑削領(lǐng)域有較強的推廣性。

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