基于華中數(shù)控系統(tǒng)的復(fù)合加工機(jī)床控制系統(tǒng)*

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

飛機(jī)機(jī)體構(gòu)造復(fù)雜，零件和連接件數(shù)量眾多。機(jī)身大部件要求長壽命、高強(qiáng)度、密封、抗疲勞，對(duì)連接孔的制備精度有非常高的要求。傳統(tǒng)飛機(jī)裝配中的制孔存在諸多缺點(diǎn)，例如孔位精度差、易形成缺陷、需要二次裝配等[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)用于機(jī)身大部件裝配的復(fù)合加工機(jī)床，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)鉆鉚功能，成為飛機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，也是飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展方向[2]。

用于飛機(jī)數(shù)字化自動(dòng)裝配的復(fù)合加工機(jī)床在國外已經(jīng)得到廣泛研究與應(yīng)用[3]。美國GEMCOR公司的G2000型鉆鉚機(jī)可以鉚接弧度大于180°的超級(jí)壁板。Electroimpac公司生產(chǎn)的E7000自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)每分鐘鉚接數(shù)量達(dá)到15個(gè)[4]（圖1）。

我國的復(fù)合加工機(jī)床研究雖然起步較晚，但目前在實(shí)踐中得到諸多應(yīng)用[5]。南京航空航天大學(xué)自主研發(fā)的基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)制孔系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)制孔節(jié)拍3～4個(gè)/min?；谌A中數(shù)控系統(tǒng)的復(fù)合加工機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)6個(gè)/min的鉆孔效率。

華中數(shù)控是國內(nèi)最早開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)成套數(shù)控裝置的企業(yè)[6]。其自主研發(fā)的HNC-8型全數(shù)字總線式高檔數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化、開放式結(jié)構(gòu)體系。該系列數(shù)控系統(tǒng)基NCUC工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有多通道控制、五軸加工、高速高精度等功能。

針對(duì)機(jī)身大部件鉆鉚的具體加工指標(biāo)，復(fù)合加工機(jī)床采用上下位機(jī)控制體系。在上位層采用C++高級(jí)語言開發(fā)的集成控制軟件，下位層為華中數(shù)控系統(tǒng)、倍福PLC控制程序。控制系統(tǒng)集成了運(yùn)動(dòng)控制、鉆鉚加工、數(shù)據(jù)測(cè)量等功能，能很好地滿足自動(dòng)鉆鉚任務(wù)的需求[7]。

圖1 E7000自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)Fig.1 E7000 automatic drilling riveting system

控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

用于機(jī)身大部件自動(dòng)鉆鉚的復(fù)合加工機(jī)床為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)床本體采用華中數(shù)控系統(tǒng)控制，用于承載末端執(zhí)行器，控制其沿X、Y、Z軸方向移動(dòng)以及繞X、Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。高精度轉(zhuǎn)臺(tái)作為機(jī)床的重要附件，用以裝夾工件并實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和分度定位，同樣采用華中數(shù)控系統(tǒng)控制。末端執(zhí)行器由倍福PLC系統(tǒng)控制，主要包括基準(zhǔn)檢測(cè)、法向找正、自動(dòng)送釘、鉆孔锪窩等模塊用以實(shí)現(xiàn)鉆鉚加工的功能。機(jī)床本體硬件組態(tài)如圖3所示。

1 基于NCUC總線的華中8型數(shù)控系統(tǒng)

NCUC現(xiàn)場(chǎng)總線適用于高速、高精的數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，是國內(nèi)首個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線的國家標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)OSI通信參考模型具有7層結(jié)構(gòu)，能夠支持非常強(qiáng)大的通信需求。NCUC總線參照該模型簡(jiǎn)化為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，具有全數(shù)字、串行、同步、雙向、多站點(diǎn)的特點(diǎn)[8]。

圖2 復(fù)合加工機(jī)床整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Integral structure of the composite machine tool

HNC-8數(shù)控系統(tǒng)是NCUC總線的典型應(yīng)用，如圖4所示。HMI提供人機(jī)交互界面，其中的IPC單元用以運(yùn)行數(shù)控裝置系統(tǒng)軟件。伺服驅(qū)動(dòng)器用于控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。I/O設(shè)備用于數(shù)字量、模擬量信號(hào)的輸入輸出。NCUC現(xiàn)場(chǎng)總線將伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O設(shè)備等連接到IPC單元。

X、Y、Z軸為直線軸，分別控制機(jī)床本體的x、y、z向運(yùn)動(dòng)。由于y向承載包括末端執(zhí)行器、x軸滑臺(tái)等機(jī)械部件，負(fù)載非常大。所以Y軸運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)電機(jī)同步控制，通過在HNC-8系統(tǒng)中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。A軸和B軸為旋轉(zhuǎn)軸，在刀具法向找正時(shí)調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)，使刀具軸線方向垂直于蒙皮表面待鉚接點(diǎn)的切平面。C軸控制高精度轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)通信鏈路架構(gòu)

為保證整個(gè)鉆鉚加工系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與一致性，采用在上位層系統(tǒng)中集成控制華中數(shù)控系統(tǒng)和倍福PLC控制程序。由于華中數(shù)控系統(tǒng)和倍福PLC控制系統(tǒng)使用的通信方式和協(xié)議不兼容，構(gòu)建系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用雙通信主線的架構(gòu)，具體通信鏈路如圖6所示。

華中數(shù)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成非實(shí)時(shí)的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制。HNC-8數(shù)控系統(tǒng)IPC單元提供以太網(wǎng)接口，因而采用Ethernet網(wǎng)絡(luò)將上位機(jī)控制系統(tǒng)與華中數(shù)控系統(tǒng)連接通信。Ethernet遵循TCP/IP協(xié)議，具有傳輸速度快、穩(wěn)定性好以及使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。Ethernet通信接口采用Socket組件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)華中數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)指令自上而下傳輸以及華中系統(tǒng)自身狀態(tài)信息的自下而上反饋。

末端執(zhí)行器所有的輸入輸出設(shè)備都由倍福公司的TwinCAT軟件進(jìn)行控制。TwinCAT自動(dòng)化軟件是倍?；赑C控制系統(tǒng)的核心部分，與工業(yè)計(jì)算機(jī)結(jié)合在一起，可以將現(xiàn)有的Windows系統(tǒng)改造為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，構(gòu)建功能強(qiáng)大的基于PC的全軟件控制系統(tǒng)[9]。

圖3 自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)硬件組態(tài)Fig.3 Hardware configuration of automatic drilling and riveting system

圖4 華中數(shù)控系統(tǒng)總線Fig.4 System bus of Huazhong numerical control

圖5 HNC-8系統(tǒng)參數(shù)Fig.5 HNC-8 system parameters

圖6 系統(tǒng)通信鏈路Fig.6 Communication link of the system

倍福PLC控制系統(tǒng)通過EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線將I/O模塊及總線耦合模塊與TwinCAT控制軟件相耦合，形成完整的通信網(wǎng)絡(luò)[10]。EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線是倍福公司自主研發(fā)的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。該總線以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，具有超快的數(shù)據(jù)傳輸速度，靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，出色的調(diào)試診斷性能，因而極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。上位機(jī)PC通過網(wǎng)卡2，借助以太網(wǎng)線與倍福EK1100耦合器連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)末端執(zhí)行器的實(shí)時(shí)控制。

控制系統(tǒng)軟件組態(tài)

在軟件層面，主要有上位機(jī)集成控制軟件、倍福PLC控制程序、HNC-8系統(tǒng)軟件等。當(dāng)同時(shí)運(yùn)行這幾種軟件時(shí)，需要進(jìn)行主從結(jié)構(gòu)設(shè)定，時(shí)序控制規(guī)劃，通信接口開發(fā)等，從而使軟件系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、有序地協(xié)同執(zhí)行各部分指令，完成既定任務(wù)。

1 軟件組態(tài)整體方案設(shè)計(jì)

上位機(jī)集成控制軟件在系統(tǒng)軟件組態(tài)中處于主導(dǎo)地位，負(fù)責(zé)規(guī)劃整個(gè)鉆鉚系統(tǒng)的加工任務(wù)，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)加工任務(wù)的執(zhí)行情況，如圖7所示。上位機(jī)集成控制軟件向HNC-8數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送點(diǎn)位指令，控制各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)到指定位置；向倍福PLC控制程序發(fā)送加工指令，獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量模擬量數(shù)據(jù)并調(diào)用相應(yīng)算法程序處理，進(jìn)而控制完成調(diào)姿、鉆鉚等加工任務(wù)。

HNC-8數(shù)控系統(tǒng)獲得上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送的點(diǎn)位信息后執(zhí)行完成指定運(yùn)動(dòng)，并向上位機(jī)反饋此時(shí)的位姿信息。

倍福PLC控制程序接收上位機(jī)控制系統(tǒng)加工參數(shù)設(shè)置、被控設(shè)備動(dòng)作等加工指令，從而實(shí)現(xiàn)加工任務(wù)。同時(shí)完成對(duì)各數(shù)字量與模擬量的數(shù)據(jù)采集與控制并向上傳輸給上位機(jī)控制系統(tǒng)。

2 上位機(jī)集成控制軟件架構(gòu)

上位機(jī)集成控制軟件采用界面層與邏輯層相分離的設(shè)計(jì)思想。用戶界面層獨(dú)立于核心功能層設(shè)計(jì)，以XML文件為載體與核心功能層相關(guān)聯(lián)。

用戶界面層選用Duilib界面庫進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，按照自動(dòng)鉆鉚控制系統(tǒng)功能劃分為5個(gè)模塊，以分層頁面的形式加以設(shè)計(jì)和管理。核心功能層選用UML可視化語言構(gòu)建軟件的整體框架，將整個(gè)底層分為通信控制、數(shù)據(jù)庫管理、報(bào)警管理、日志管理等模塊，并設(shè)置統(tǒng)一函數(shù)接口調(diào)用上述功能模塊，方便用戶在界面上的操作能得到快速、準(zhǔn)確的傳達(dá)和執(zhí)行，如圖8所示。

數(shù)據(jù)庫管理模塊作為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的接口，主要用于存儲(chǔ)管理用戶信息、刀具庫信息、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)關(guān)鍵信息等。采用微軟公司推出的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server作為數(shù)據(jù)庫軟件，同時(shí)在控制軟件中要包含其靜態(tài)庫文件。

圖7 控制系統(tǒng)軟件組態(tài)Fig.7 Software configuration of the control system

圖8 集成控制軟件架構(gòu)Fig.8 Software architecture for integrated control

報(bào)警管理和日志管理模塊作為日志和報(bào)警管理接口，主要用于軟件、設(shè)備操作日志管理和系統(tǒng)故障報(bào)警信息管理。選用C++開源日志庫log4cplus進(jìn)行日志管理。log4cplus將日志信息和報(bào)警信息分別生成兩份Text文件，并對(duì)這些信息進(jìn)行編號(hào)和等級(jí)劃分。

同時(shí)重點(diǎn)開發(fā)通信控制模塊，選用高效、穩(wěn)定的通信方式和協(xié)議完成上位機(jī)集成控制系統(tǒng)與下位層HNC-8數(shù)控系統(tǒng)、倍福PLC控制程序之間的數(shù)據(jù)交互，切實(shí)發(fā)揮上位機(jī)集成控制軟件在加工控制系統(tǒng)中的主導(dǎo)作用。

系統(tǒng)通信接口開發(fā)

上位機(jī)控制系統(tǒng)與華中數(shù)控系統(tǒng)的通信采用Socket套接字方式，根據(jù)鉆鉚加工需求開發(fā)出多種工作模式。上位機(jī)控制系統(tǒng)既可以作為服務(wù)端，也可以作為客戶端，從而獲得更強(qiáng)的兼容性。

1 Socket通信基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)程之間進(jìn)行相互通信的基本前提是能夠?qū)M(jìn)程實(shí)現(xiàn)唯一的標(biāo)識(shí)。IP層的“IP地址”可以唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)，而TCP層的“協(xié)議+端口”可以唯一標(biāo)識(shí)主機(jī)中的一個(gè)進(jìn)程。因而TCP/IP協(xié)議族可以通過3個(gè)以上參數(shù)在網(wǎng)絡(luò)中對(duì)進(jìn)程進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。

Socket把TCP/IP層復(fù)雜的操作化簡(jiǎn)為幾個(gè)簡(jiǎn)單的接口，直接調(diào)用這些接口就可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中的通信[11]。它將一個(gè)Socket與TCP/IP協(xié)議的3個(gè)參數(shù)綁定，在不同主機(jī)間建立雙向通信的端點(diǎn)，協(xié)議的應(yīng)用層就可以通過套接字接口區(qū)分來自不同網(wǎng)絡(luò)連接或不同應(yīng)用程序進(jìn)程的通信，從而使數(shù)據(jù)并發(fā)傳輸。

2 上位機(jī)軟件通信接口開發(fā)

在windows平臺(tái)下進(jìn)行HNC-8的通信接口開發(fā)，需要將HNC-8的相關(guān)軟件包文件加載到軟件的工程文件夾中。然后在上位機(jī)軟件中調(diào)用華中數(shù)控提供的接口函數(shù)完成通信。

上位機(jī)與華中數(shù)控通信采用Socket通信具體實(shí)現(xiàn)過程：

（1）設(shè)置HNC-8數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)。將系統(tǒng)NC參數(shù)中“是否啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)”值設(shè)置為1，即允許進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

（2）配置Microsoft Visual Studio開發(fā)環(huán)境。在附加包含目錄中加入接口函數(shù)頭文件的路徑；在附加依賴項(xiàng)中加入lib庫文件路徑；在生成的目標(biāo)文件所在文件夾中加入dll文件。

（3）綁定本地IP地址和端口。調(diào)用HNC_NetInitNetInit（const Bit8*ip, uBit16 port）函數(shù)，將兩個(gè)參數(shù)分別設(shè)置為上位機(jī)的IP地址和端口號(hào)，完成與套接字的綁定。

（4）向華中數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送連接請(qǐng)求。調(diào)用HNC_NetConnect（constBit8 *ip, uBit16 port）函數(shù)，將兩個(gè)參數(shù)分別設(shè)置為向華中系統(tǒng)IP地址和端口號(hào)。華中系統(tǒng)接受請(qǐng)求后完成連接。

表1 華中數(shù)控系統(tǒng)接口函數(shù)

在完成接口開發(fā)后，便可以利用HNC-8數(shù)控系統(tǒng)預(yù)留的函數(shù)接口完成上位機(jī)與華中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)華中系統(tǒng)的控制。常用函數(shù)接口如表1所示。

華中數(shù)控以太網(wǎng)通信試驗(yàn)

針對(duì)復(fù)合加工機(jī)床控制系統(tǒng)，以上述軟件架構(gòu)進(jìn)行上位機(jī)集成控制軟件編寫。同時(shí)完成華中數(shù)控通信接口的開發(fā)，并在復(fù)合加工機(jī)床上進(jìn)行通信試驗(yàn)驗(yàn)證。

結(jié)果如圖9所示，華中數(shù)控系統(tǒng)成功與上位機(jī)軟件完成通信連接，能夠執(zhí)行上位機(jī)軟件下發(fā)的運(yùn)動(dòng)指令。同時(shí)上位機(jī)軟件能夠讀取華中數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息，并以100ms為刷新周期在軟件界面上顯示。

圖9 通信試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Results of the communication experiment

結(jié)論

（1）對(duì)機(jī)身大部件復(fù)合加工機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用Ethernet和EtherCAT兩種通信方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)由上而下的控制。

（2）華中HNC-8數(shù)控系統(tǒng)能夠滿足鉆鉚系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制要求，完成加工任務(wù)。

（3）集成控制軟件運(yùn)行穩(wěn)定，通信響應(yīng)迅速，充分發(fā)揮了其主導(dǎo)作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]卜泳,許國康, 肖慶東. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化精密制孔技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2009(24)： 61-64.BU Yong, XU Guokang, XIAO Qingdong.Automatic precision drilling technology of aircraft structural part[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2009(24)： 61-64.

[2]駱金威, 龔清洪. 面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工的數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向[J].航空制造技術(shù) , 2015(5)： 54-57.LUO Jinwei, GONG Qinghong. Development derection of CNC machine tool for aircraft structure part processing[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(5)： 54-57.

[3]陳循介. 當(dāng)今世界機(jī)床的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J]. 精密制造與自動(dòng)化, 2014(4)： 1-2.CHEN Xunjie. Technological development trend of machine tool nowadays[J]. Precision Manufacturing and Automation, 2014(4)： 1-2.

[4]LUM N, LUO Q. E7000 ARJ—Manual flexible tooling for horizontal riveting system[J].SAE International Journal of Aerospace, 2014,7(2)： 241-245.

[5]洪鵬，田威. 基于構(gòu)架和構(gòu)件復(fù)用的飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚開放式數(shù)控系統(tǒng)[J]. 航空精密制造技術(shù) , 2016,52(1)： 39-42.HONG Peng, TIAN Wei. Automatic drilling and riveting open NC system based on architecture and component reuse[J]. Aviation Precision Manufacturing Technology, 2016,52(1)： 39-42.

[6]章斌, 陳科. 華中數(shù)控宏程序的應(yīng)用和推廣[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2010, 23(6)： 49-51.ZHANG Bin, CHEN Ke. Applycation and popuIarize for Huazhong NC macro programs[J].Industrial Control Computer, 2010, 23(6)： 49-51.

[7]戴家隆, 沈建新, 田威, 等. 自動(dòng)化鉆孔系統(tǒng)柔性控制[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào) , 2012, 44(S1)： 56-59.DAI Jialong, SHEN Jianxin, TIAN Wei, et al. Flexible control of automatic drilling system[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics &Astronautics, 2012, 44(S1)： 56-59.

[8]宋寶, 陳灝, 唐小琦. 現(xiàn)場(chǎng)總線NCUC-Bus的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用[J]. 金屬加工(冷加工 ), 2012(8)： 58-61.SONG Bao, CHEN Hao, TANG Xiaoqi.Technical characteristics and application of field bus NCUC-Bus[J]. Metal Working (Metal Cutting), 2012(8)： 58-61.

[9]MA X B, HAN Z Y, WANG Y Z, et al.Development of a PC-based open architecture software-CNC system[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2007, 20(3)： 272-281.

[10]康存鋒, 林志磊, 馬春敏, 等. 基于TwinCAT主站的EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)分析與研究[J].現(xiàn)代制造工程, 2010(11)： 16-18.KANG Cunfeng, LIN Zhilei, MA Chunmin,et al. Study on EtherCAT with TwinCAT master[J]. Modern Manufacturing Engineering,2010(11)： 16-18.

[11]文顯瓊, 張繼榮. 基于Socket的網(wǎng)絡(luò)編程及其實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件導(dǎo)刊, 2012, 11(2)：97-98.WEN Xianqiong, ZHANG Jirong. Socketbased network programming and implementation[J].Software Guide, 2012, 11(2)： 97-98.