基于西門子控制系統(tǒng)機(jī)器人制孔執(zhí)行器的研制

中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 張 輝 郭洪杰

飛機(jī)結(jié)構(gòu)具有尺寸大、形狀復(fù)雜、連接件數(shù)量多等特點(diǎn)，在飛機(jī)裝配鉆孔過程中如果完全依靠傳統(tǒng)的人工作業(yè)，對人力、物力要求是巨大的，更重要的是制孔質(zhì)量低，連接質(zhì)量難以滿足較高疲勞壽命的要求，并且加工效率低[1]。飛機(jī)研制生產(chǎn)中隨著機(jī)械化、自動化、模塊化制造技術(shù)的應(yīng)用，飛機(jī)柔性裝配技術(shù)得到了極大的發(fā)展，機(jī)器人自動制孔技術(shù)是其重要研究和應(yīng)用方向。機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)具有占用空間小、自動化程度高等特點(diǎn)，在國外已經(jīng)得到了廣泛研究和應(yīng)用。美國Electroimpact公司與英國空客公司聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動鉆削系統(tǒng)（O.N.C.E），O.N.C.E主要用于波音F/A-18E/F的機(jī)翼后緣襟翼的鉆孔和锪孔[2]。美國EOA公司與波音公司也聯(lián)合研制生產(chǎn)了一種機(jī)器人鉆削系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以完成對鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料以及疊層等飛機(jī)蒙皮的鉆孔、锪孔和鉸孔[3]。

國外機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，并對我國實(shí)行技術(shù)封鎖，而國內(nèi)對于飛機(jī)部件機(jī)器人制孔系統(tǒng)研究尚處于起步階段，機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵是研發(fā)高精度、高效率的多功能制孔執(zhí)行器，其制孔執(zhí)行器對于機(jī)器人制孔系統(tǒng)的整體性能的實(shí)現(xiàn)具有重要作用。基于國內(nèi)對制孔執(zhí)行器研究概況，針對某型號飛機(jī)機(jī)身部件鈦合金、鋁合金制孔工藝需求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于西門子運(yùn)動控制系統(tǒng)的多功能制孔執(zhí)行器。

1 新一代戰(zhàn)機(jī)研制對自動制孔設(shè)備的需求分析

由于新一代戰(zhàn)機(jī)快速、低成本、高質(zhì)量研制需求及其長壽命、高機(jī)動性、隱身等高性能要求，新機(jī)研制對裝配速度和裝配質(zhì)量提出了更高的要求，而飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率主要取決于飛機(jī)鉆鉚連接技術(shù)。目前，飛機(jī)鉆鉚連接大量采用手工操作，制孔效率、制孔質(zhì)量、連接質(zhì)量難以滿足高性能飛機(jī)的要求。自動鉆鉚技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度提高制孔效率、制孔質(zhì)量和連接質(zhì)量，在一定程度上可實(shí)現(xiàn)裝配技術(shù)的自動化、數(shù)字化和模塊化。自動制孔設(shè)備的要求有[4]：

定位精度：±0.2mm；

制孔φ： 4～12mm；

制孔精度：H8；

加工材料：復(fù)合材料、鋁合金、鈦合金；

配備吸塵裝置；

具有測法向功能；

具有監(jiān)控及顯示功能；

具有鉆頭破損檢測功能；

制孔效率：3～5 個孔 /min。

自動制孔設(shè)備應(yīng)能自動連續(xù)完成夾緊、制孔、锪窩、松開夾緊等加工工序。

2 制孔執(zhí)行器的基本組成

制孔執(zhí)行器對于系統(tǒng)整體性能的實(shí)現(xiàn)具有重要作用，制孔執(zhí)行器模塊直接與工件接觸完成制孔任務(wù)。機(jī)器人自動制孔執(zhí)行器主要由運(yùn)動單元、壓緊單元、監(jiān)控測量單元、輔助單元和支撐單元5部分組成。運(yùn)動單元提供制孔過程中必須的主軸轉(zhuǎn)動和主軸進(jìn)給運(yùn)動。壓緊單元提供壓緊力，用于保持制孔執(zhí)行器與工件之間的位置關(guān)系。支撐單元一方面為制孔執(zhí)行器上的組件提供必要的連接和支撐，另一方面提供和工業(yè)機(jī)器人的連接。機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)制孔執(zhí)行器實(shí)體圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人自動制孔執(zhí)行器Fig.1 Robot automated drilling executer

2.1 運(yùn)動單元

運(yùn)動單元的作用就是提供制孔需要的主軸旋轉(zhuǎn)和主軸進(jìn)給運(yùn)動，主軸旋轉(zhuǎn)通過—個伺服電機(jī)帶動主軸頭來實(shí)現(xiàn)，主軸旋轉(zhuǎn)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制；主軸進(jìn)給運(yùn)動由另外—個伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)給運(yùn)動需要進(jìn)行速度和位置控制。制孔執(zhí)行器系統(tǒng)采用西門子運(yùn)動控制系統(tǒng)來控制主軸轉(zhuǎn)速、主軸進(jìn)給位置和主軸進(jìn)給速度。

2.2 壓緊單元

機(jī)器人自動制孔執(zhí)行器鉆削開始之前，機(jī)器人將制孔執(zhí)行器運(yùn)動到預(yù)定位置和姿態(tài)，制孔執(zhí)行器的壓緊裝置與被加工工件接觸，并施加一定壓緊力。壓緊力的主要作用包括：（1）消除疊層材料層與層間的間隙，防止層間毛刺的進(jìn)入；（2）使結(jié)構(gòu)緊湊，增加系統(tǒng)的動態(tài)剛度。壓力腳進(jìn)給通過伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)，依靠壓力傳感器的壓力反饋，實(shí)時控制壓緊力和軸向鉆削力耦合。該設(shè)計(jì)使得壓緊力隨軸向鉆削力增大而減小，因此，使得機(jī)器人在制孔時不承受動態(tài)力，而只承受一個靜態(tài)力，保證了自動制孔系統(tǒng)穩(wěn)定性和制孔質(zhì)量。

2.3 監(jiān)控測量單元

監(jiān)控測量單元主要包括壓力傳感器、激光位移傳感器、定位相機(jī)和直線光柵尺。壓力傳感器作用是監(jiān)控壓力腳壓力的變化，通過監(jiān)控間接獲取壓力腳是否壓緊產(chǎn)品的信息。將4個激光位移傳感器按矩形或菱形分布實(shí)現(xiàn)制孔執(zhí)行器自動尋找曲面法線的功能。集成松下PV200系列視覺定位系統(tǒng)，配合高精度CCD定位相機(jī)，在定位相機(jī)有效視野范圍內(nèi)拍攝基準(zhǔn)孔，通過內(nèi)嵌的相機(jī)定位算法，完成自動制孔執(zhí)行器二次位置補(bǔ)償。制孔執(zhí)行器利用直線光柵尺精確控制主軸進(jìn)給和锪窩深度的精度，控制精度可達(dá)0.001mm.。

2.4 輔助單元

制孔執(zhí)行器利用高速電主軸進(jìn)行高速鉆削過程中冷卻與潤滑必不可少，采用循環(huán)水及油霧方式實(shí)現(xiàn)制孔執(zhí)行器冷卻潤滑功能。采用工業(yè)吸塵裝置及時吸走制孔過程中產(chǎn)生的鉆屑，及時吸走鉆屑可防止鉆屑粘到刀具上而造成孔徑超差及劃傷產(chǎn)品表面。

3 制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與硬件組成

自動制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)的硬件主要由工控機(jī)、HMI MP377人機(jī)接口、定位相機(jī)、直線光柵尺和西門子運(yùn)動控制器組成。制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、報(bào)警顯示等人機(jī)交互功能，制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)采用基于HMI MP377人機(jī)接口和Simotion的控制方案，這樣可以由HMI強(qiáng)大的人機(jī)交互能力來彌補(bǔ)西門子Simotion這方面的不足，Simotion控制系統(tǒng)主要完成制孔執(zhí)行器的控制任務(wù)。HMI MP377人機(jī)接口、工控機(jī)與Simotion之間采用Ethernet通信，通信協(xié)議選用TCP/IP協(xié)議。HMI MP377完成數(shù)據(jù)顯示儲存、切削參數(shù)修改下載、報(bào)警顯示等功能；利用工控機(jī)完成Simotion運(yùn)動控制程序的設(shè)計(jì)。Simotion與定位相機(jī)也采用Ethernet通訊，定位相機(jī)通過Ethernet將制孔定位數(shù)據(jù)傳輸給simotion控制系統(tǒng)。Simotion與現(xiàn)場總線模塊以及機(jī)器人控制系統(tǒng)采用profibus通信，simotion通過profibus將接口信號，以及相機(jī)定位數(shù)據(jù)、壓力傳感器數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)器人控制系統(tǒng)。

圖2 制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of control system for drilling executer

3.2 運(yùn)動控制程序設(shè)計(jì)

西門子Simotion運(yùn)動控制系統(tǒng)有3種編程語言：ladder、ST、MCC，3種編程語言具有不同的特點(diǎn)，ladder編程語言專門用于編寫邏輯信號處理，ST是一種基于文本的高級語言，類似于PASCAL，ST包含高級語言的所有典型元素，可操作數(shù)、表達(dá)式、控制語句，支持?jǐn)?shù)學(xué)算法和數(shù)據(jù)管理任務(wù)的編程。MCC是一種圖形化語言，可根據(jù)機(jī)械流程來進(jìn)行順控設(shè)計(jì)的輸入方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是按照機(jī)械動作來進(jìn)行程序流程設(shè)計(jì)。利用步的概念來設(shè)計(jì)程序，使程序設(shè)計(jì)者把注意力集中在活動步中，使控制程序的編寫更容易。根據(jù)系統(tǒng)控制需要，程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，編寫了制孔執(zhí)行器運(yùn)動控制程序。

整個系統(tǒng)的軟件主要包括以下部分：初始化模塊、主軸進(jìn)給運(yùn)動控制模塊、壓緊力采集模塊、主軸調(diào)速控制模塊、報(bào)警處理顯示模塊。

（1）初始化模塊：該模塊對系統(tǒng)元件各模塊進(jìn)行復(fù)位，然后再進(jìn)入系統(tǒng)啟動階段。

（2）主軸進(jìn)給運(yùn)動控制：Simotion通過電機(jī)驅(qū)動器控制主軸進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動絲杠來實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動，利用第二測量接口將直線光柵尺與Simotion運(yùn)動控制系統(tǒng)相連，Simotion系統(tǒng)通過接收直線光柵尺信號實(shí)現(xiàn)主軸進(jìn)給位置精確控制。

（3）壓緊力采集：壓力傳感器通過現(xiàn)場總線與Simotion運(yùn)動控制系統(tǒng)連接，Simotion系統(tǒng)將壓力傳感器模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，并將其傳送到數(shù)據(jù)寄存器中，等待HMI及時讀取。

（4）主軸調(diào)速控制：主軸電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制方式，通過變頻器來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)不同加工段的變速。

（5）報(bào)警處理模塊：該模塊通過控制計(jì)算、信號采集等檢測系統(tǒng)出現(xiàn)的意外情況，給出相應(yīng)報(bào)警并停機(jī)。

該制孔執(zhí)行器系統(tǒng)的順序控制流程圖如圖3所示。

4 HMI界面設(shè)計(jì)

制孔執(zhí)行器在針對不同構(gòu)件制孔過程時，需要對切削參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與調(diào)整，另外，制孔過程中還需監(jiān)控制孔執(zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)，因此，在整個程序設(shè)計(jì)中用事件驅(qū)動來向Simotion發(fā)送數(shù)據(jù)，而采用定時讀取方式來自動接收Simotion傳過來的數(shù)據(jù)。在程序設(shè)計(jì)中，使用了多線程技術(shù)，一個線程負(fù)責(zé)Simotion和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，一個線程負(fù)責(zé)處理用戶界面信息和操作。HMI和Simotion之間通過Ethernet通信?？刂平缑娌捎肳incc flexible編寫，在該控制界面完成制孔執(zhí)行器系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置、相機(jī)調(diào)整操作、報(bào)警內(nèi)容輸出等功能。

（1）系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控：系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控的功能就是檢測一些系統(tǒng)狀態(tài)：監(jiān)控制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)與機(jī)器人接口信號以及刀具狀態(tài)的接口信號；監(jiān)控激光傳感器數(shù)據(jù)的變化、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度、相機(jī)測量偏差以及監(jiān)控壓力腳的壓力值數(shù)據(jù)；對各個軸的位置、扭矩、速度、使能、同步、停止?fàn)顟B(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

（2）參數(shù)設(shè)置：參數(shù)設(shè)置作用是設(shè)置系統(tǒng)各功能的參數(shù)，以及與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的一些變量，比如刀具屬性、待加工材料、主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)給電機(jī)進(jìn)給速度等。

（3）相機(jī)調(diào)整操作：此操作是用來調(diào)整定位相機(jī)，通過按鍵可以在相機(jī)畫面里設(shè)置相機(jī)參數(shù)，同時還可以顯示拍攝之后基準(zhǔn)孔的位置偏差值。

（4）報(bào)警內(nèi)容輸出：顯示系統(tǒng)的報(bào)警信息。

圖3 制孔執(zhí)行器系統(tǒng)順序控制流程圖Fig.3 Flow chart of system sequence control for drilling executer

5 結(jié)束語

該制孔執(zhí)行器經(jīng)過安裝并與機(jī)器人進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，制孔執(zhí)行器系統(tǒng)運(yùn)行良好，系統(tǒng)連續(xù)無故障時間超過24h，各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)目標(biāo)。適用于飛機(jī)鋁合金、鈦合金以及疊層部件自動制孔的機(jī)器人制孔系統(tǒng)。此套設(shè)備投產(chǎn)勢必會提高飛機(jī)部件制孔的效率和質(zhì)量，同時，該制孔執(zhí)行器的開發(fā)技術(shù)為同類型設(shè)備研發(fā)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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