復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工浮動裝夾自適應(yīng)控制方法*

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京 210016）

整體結(jié)構(gòu)件具有重量輕、結(jié)構(gòu)強度高、氣動性能好、疲勞壽命長等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天器中。但是，整體結(jié)構(gòu)件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度要求高、薄壁易變形，對航空制造技術(shù)提出了更高的要求[1]。整體結(jié)構(gòu)件加工材料去除量大，容易發(fā)生加工變形，其變形受到初始殘余應(yīng)力、毛坯材料、零件結(jié)構(gòu)形狀、加工工藝等多種因素影響，變形機理復(fù)雜[2]。學(xué)者們通過理論分析和數(shù)值模擬等方法，對加工變形機理和變形控制方法進行了大量研究[3-6]，但是由于變形機理及實際加工工況復(fù)雜，加工變形控制依然是結(jié)構(gòu)件制造的難點[7]。

目前航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工普遍使用高精度五軸機床或并聯(lián)機床，但是工裝仍采用傳統(tǒng)螺栓壓板等[8]，加工過程中裝夾調(diào)整需要停機由操作工手動操作完成，無法自動實現(xiàn)加工過程中復(fù)雜的裝夾和工藝調(diào)整等自適應(yīng)加工[9]需求，嚴重影響了結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的質(zhì)量和效率。隨著工廠數(shù)字化水平的提高，以及智能制造的需求，國內(nèi)外對智能裝夾進行了研究。歐盟第六框架計劃資助的AFFIX（Aligning, Holding and Fixing Flexible and Diffcult to Handle Components）項目[10-11]，主要研究裝夾系統(tǒng)建模，以及系統(tǒng)原型中運動機構(gòu)控制及控制算法響應(yīng)特性。第七框架計劃資助的INTEFIX(Intelligent fixtures for the machining of low rigidity components)項目[12]，研究智能裝夾減小工件變形和加工顫振的作用。Borboni等[13]通過調(diào)整裝夾減小了裝夾變形。本題組[14-16]提出了浮動裝夾加工方法，粗加工階段，在切削加工間隙，根據(jù)裝夾調(diào)整策略，打開輔助夾緊點裝夾單元，釋放工件變形，下一加工工步修正工件已經(jīng)產(chǎn)生的變形，有效減小了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工最終變形。本文在浮動裝夾加工方法基礎(chǔ)上，研究了浮動裝夾自適應(yīng)控制方法及其關(guān)鍵技術(shù)。

浮動裝夾自適應(yīng)控制方法概述

浮動裝夾自適應(yīng)控制方法基于零件受力和變形等傳感器監(jiān)測和檢測信息，結(jié)合機床狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)控機床和浮動裝夾協(xié)同控制，以浮動裝夾及其控制系統(tǒng)作為載體實現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)通過上位機、下位機軟件和多種傳感器實現(xiàn)對加工過程中工件-機床-裝夾系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，并且分別控制每個浮動裝夾單元，實現(xiàn)浮動裝夾單元運動控制、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)反饋等功能。根據(jù)機床狀態(tài)監(jiān)測信息和零件監(jiān)測、檢測信息，以及裝夾裝置狀態(tài)反饋，通過浮動裝夾控制系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的協(xié)同控制，在加工過程中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)整策略，對不同加工狀態(tài)，實現(xiàn)不同的裝夾調(diào)整操作及加工工藝調(diào)整，浮動裝夾控制系統(tǒng)見圖1。

浮動裝夾控制系統(tǒng)由上位機和各個浮動裝夾單元的控制模塊組成，上位機由計算機實現(xiàn)，包括計算機軟件和通訊接口。上位機計算機控制每個裝夾單元，通過傳感器對零件加工狀態(tài)進行監(jiān)測和檢測。上位機計算機監(jiān)測數(shù)控機床加工狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測和檢測信息，通過浮動裝夾與數(shù)控機床協(xié)同控制，為加工過程中各種調(diào)整策略的實現(xiàn)提供基礎(chǔ)。每個裝夾單元由電氣及通信控制模塊、電機和傳動模塊、夾緊模塊、氣路控制模塊、傳感監(jiān)測模塊等組成，一個裝夾單元可以作為一個夾緊單元或者一個定位單元。每個裝夾單元具有各自的控制模塊，實現(xiàn)各個裝夾單元各自的控制功能,以及與其他裝夾單元、上位機的通信功能。

浮動裝夾自適應(yīng)控制方法關(guān)鍵技術(shù)

1 基于CAN總線的浮動裝夾通信方法

浮動裝夾具有可重構(gòu)性，對于框梁肋等不同類型、不同形狀的結(jié)構(gòu)件，根據(jù)加工零件的結(jié)構(gòu)特點和工藝要求，可以使用若干個裝夾單元，組成一套夾具，每個裝夾單元作為其中的一個輔助夾緊點或者定位點。每個裝夾單元具有各自的控制模塊，浮動裝夾系統(tǒng)上位機負責各個裝夾單元的協(xié)調(diào)控制和狀態(tài)監(jiān)測。浮動裝夾系統(tǒng)需要能夠同時控制單個或多個裝夾單元，并且要能夠?qū)崿F(xiàn)浮動裝夾控制系統(tǒng)中裝夾單元數(shù)量的擴展。為了實現(xiàn)對每個裝夾單元的無差別控制、實時數(shù)據(jù)傳輸以及裝夾單元數(shù)量擴展，浮動裝夾控制系統(tǒng)中采用總線通信。每個裝夾單元作為總線上的一個節(jié)點，每個裝夾單元在總線中分配唯一的地址，上位機與總線上的一個節(jié)點相連接，通過這個節(jié)點，根據(jù)節(jié)點地址發(fā)送控制指令到各個裝夾單元控制器，同時通過這個節(jié)點接收各個裝夾單元返回的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，裝夾單元和上位機計算機的通信架構(gòu)見圖2。浮動裝夾使用高性能Arduino單片機作為每個裝夾單元控制器，Arduino執(zhí)行控制程序操控夾裝單元的運動，讀取裝夾單元狀態(tài)信息。其中，裝夾單元控制器Arduino單片機通過基于MCP2515控制器的總線擴展模塊實現(xiàn)CAN總線通信，Arduino單片機與CAN總線擴展模塊之間通過支持SPI協(xié)議的接口進行數(shù)據(jù)交換，上位機通過RS232-C串行通訊接口實現(xiàn)和CAN總線上節(jié)點的通信。

圖1 浮動裝夾控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schema of floating fixture control system

圖2 基于CAN總線的浮動裝夾通信架構(gòu)Fig.2 Communication technology of floating fixture based on CAN bus

在基于CAN總線和串行口的浮動裝夾系統(tǒng)通信中，為了實現(xiàn)高效、可靠、規(guī)范的數(shù)據(jù)傳輸，進行了浮動裝夾控制系統(tǒng)指令格式、指令發(fā)送接收方式設(shè)計。浮動裝夾系統(tǒng)上位機計算機發(fā)送指令到各個裝夾單元進行控制或監(jiān)測，裝夾單元控制模塊發(fā)送指令到上位機計算機，返回裝夾單元當前狀態(tài)信息，或者監(jiān)測、檢測得到的數(shù)據(jù)給計算機。浮動裝夾系統(tǒng)的通信主要是計算機和各個裝夾單元的通信，裝夾單元之間數(shù)據(jù)量較少，與上位機計算機直接連接的CAN總線節(jié)點并不對指令或數(shù)據(jù)進行處理，只負責數(shù)據(jù)傳輸。因此，指令傳送可以看作是裝夾單元控制模塊到計算機之間的直接通信，如圖3所示。

為了簡化指令處理程序，裝夾單元控制模塊到計算機、計算機到裝夾單元控制模塊使用統(tǒng)一的指令格式。每條指令包含4部分（起始代碼、地址信息、指令文本、終止代碼），其中指令文本包含指令類別和執(zhí)行指令需要的數(shù)據(jù)兩部分內(nèi)容。每條指令具有統(tǒng)一的起始代碼和終止代碼，主要用于校驗每條指令的完整性以及簡單快捷地區(qū)分多條指令。地址信息標識接收或者發(fā)送指令的裝夾單元在CAN總線中的節(jié)點地址，裝夾單元控制模塊自動接收帶有相應(yīng)地址的指令，上位機接收所有裝夾單元控制模塊發(fā)送的指令，每個指令發(fā)送源不接收自己發(fā)送的指令。CAN總線有許多面向單片機控制器的開源庫，本文基于高性能Arduino單片機，在開源CAN總線函數(shù)庫基礎(chǔ)上開發(fā)了CAN總線通信指令，使用Arduino IDE實現(xiàn)了指令發(fā)送接收控制方式。在上位機中，基于MFC中串行口通信控件MSCOMM以及Arduino串行口通訊函數(shù)庫開發(fā)串行口通信程序，實現(xiàn)了系統(tǒng)通信指令。

2 裝夾狀態(tài)及工件信息監(jiān)測方法

浮動裝夾單元控制模塊解讀接收到的指令，進行運動控制、傳感器數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)返回指令發(fā)送等操作，實現(xiàn)裝夾調(diào)整、零件位姿調(diào)整、監(jiān)測與檢測等功能。上位機計算機接收裝夾單元控制模塊返回的指令，獲得前一條指令的執(zhí)行結(jié)果以及零件和裝夾單元狀態(tài)信息，根據(jù)執(zhí)行結(jié)果決策是否發(fā)送下一條指令。

浮動裝夾單元夾持工件方式如圖4所示，裝夾單元支撐和壓緊模塊與工件接觸部位都有信號反饋傳感器，能夠可靠地判斷對工件的夾持狀態(tài)。支撐模塊驅(qū)動電機的運動狀態(tài)，經(jīng)過編碼器和位移傳感器的反饋數(shù)據(jù)判斷，支撐模塊與工件的相互作用力，由壓力傳感器實時反饋。壓緊模塊通過壓力傳感器以及接觸信號反饋部件獲得當前壓緊狀態(tài)，判斷壓緊動作執(zhí)行結(jié)果。浮動裝夾控制系統(tǒng)只有在前一條指令執(zhí)行完成后才發(fā)送下一條指令，在一定時間內(nèi)，前一條指令沒有返回值，系統(tǒng)主動發(fā)送指令讀取當前狀態(tài)，然后根據(jù)當前系統(tǒng)狀態(tài)決定重新發(fā)送上一條指令或是發(fā)送報警信息。

圖3 浮動裝夾通信指令Fig.3 Communication command of floating fixture

圖4 工件裝夾示意圖Fig.4 Set-up diagram with floating fixture

在裝夾調(diào)整及加工過程中，通過壓力傳感器和位移傳感器可以實時監(jiān)測工件受力和變形情況，如圖5所示。夾具控制模塊把采集到的信息（壓力傳感器、位移傳感器、電流傳感器等實時監(jiān)測與工件狀態(tài)相關(guān)的力、位移值、電流值和接觸信號等）發(fā)送到上位機，上位機計算機對數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息分析處理，根據(jù)裝夾策略、工件結(jié)構(gòu)形狀、材料應(yīng)力分布、加工余量要求等信息，生成裝夾調(diào)整信息，在機床運行到適當位置時觸發(fā)調(diào)整，在各種傳感器的監(jiān)測下進行工件變形釋放、預(yù)應(yīng)力裝夾等裝夾調(diào)整操作，或者進行加工工藝調(diào)整，調(diào)整完成后繼續(xù)切削加工。

3 基于OPC的機床狀態(tài)監(jiān)測方法

本文所講的機床狀態(tài)的監(jiān)測主要是指加工過程狀態(tài)的監(jiān)測，加工過程狀態(tài)數(shù)據(jù)（如數(shù)控程序、進給速度等）的獲取和分析處理，是浮動裝夾自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。機床狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵是機床數(shù)據(jù)采集，機床數(shù)據(jù)采集方法主要可以分為四類：基于DNC接口的數(shù)據(jù)采集；基于串行接口和宏命令的數(shù)據(jù)采集；基于機床電氣電路及PLC的數(shù)據(jù)采集；基于OPC接口的數(shù)據(jù)采集。

OPC是基于COM（Component Object Model）/DCOM（Distributed Component Object Model）的數(shù)據(jù)交換標準，采用標準的Client/Server結(jié)構(gòu)，允許應(yīng)用程序無縫訪問現(xiàn)場數(shù)據(jù)。基于COM可實現(xiàn)分布式的控制，且安全性高，可實現(xiàn)柔性和高可靠性的系統(tǒng)，浮動裝夾自適應(yīng)控制系統(tǒng)采用OPC接口實時采集機床數(shù)據(jù)，監(jiān)測機床加工過程中的狀態(tài)。OPC客戶端通過數(shù)據(jù)存取接口能夠訪問現(xiàn)場數(shù)據(jù)源，服務(wù)器通常支持兩種類型的訪問接口：自定義接口（Custom Interface）和自動化接口（Automation Interface）。自定義接口可提供更多的功能、效率高，浮動裝夾自適應(yīng)控制系統(tǒng)采用自定義接口讀取數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

OPC數(shù)據(jù)存?。―ata Access）標準定義了數(shù)據(jù)存取的類模型，該模型包含具有相應(yīng)接口及其函數(shù)的類，包含OPCServer類、OPCGroup類、OPCItem類等。無論采用哪種接口采集數(shù)據(jù)，必須創(chuàng)建OPC服務(wù)器支持的OPC數(shù)據(jù)存取對象，使用OPC對象支持的方法，對數(shù)據(jù)進行讀寫操作。本文基于C/C++語言建立自定義接口數(shù)據(jù)存取對象，采用異步數(shù)據(jù)訪問方式，數(shù)據(jù)存取對象的創(chuàng)建以及釋放見圖6，其中的（1）、（2）、（3）分別是執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫操作前，連接服務(wù)器、添加數(shù)據(jù)組、添加數(shù)據(jù)項的函數(shù)操作，浮動裝夾控制系統(tǒng)主要以西門子840D數(shù)控系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集對象，西門子數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部變量的OPC服務(wù)器為OPC.SINUMERIK.Machineswitch，完成數(shù)據(jù)讀寫操作后，（5）、（6）、（7）分別執(zhí)行數(shù)據(jù)項對象、數(shù)據(jù)組對象的刪除以及服務(wù)器連接的刪除。

4 浮動裝夾和數(shù)控機床協(xié)同控制方法

圖5 工件狀態(tài)監(jiān)測及裝夾調(diào)整Fig.5 State monitoring of workpiece and fixture adjustment diagram

圖6 數(shù)據(jù)存取對象的創(chuàng)建和釋放Fig. 6 Create and delete sequence of data access objects

浮動裝夾和數(shù)控機床的協(xié)同控制功能是指浮動裝夾控制系統(tǒng)根據(jù)加工要求停止數(shù)控系統(tǒng)NC程序執(zhí)行，或者在數(shù)控機床處于MDI或者AUTO狀態(tài)，并且沒有報警時能夠啟動NC程序執(zhí)行，或者數(shù)控機床發(fā)送裝夾調(diào)整信號到觸發(fā)浮動裝夾控制系統(tǒng)調(diào)整裝夾。按照預(yù)先定義調(diào)整策略，在加工過程中，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷，當需要進行裝夾調(diào)整，機床處于抬刀等未切削狀態(tài)時，浮動裝夾控制系統(tǒng)發(fā)送控制信號，暫停數(shù)控程序執(zhí)行，進行裝夾調(diào)整；在加工過程中，當浮動裝夾產(chǎn)生報警信號，需要暫停切削加工操作時，暫停機床數(shù)控程序執(zhí)行。

PLC在數(shù)控機床中主要進行機床輔助設(shè)備的控制，包括操作面板的控制、機床外部開關(guān)信號輸入/輸出信號控制、M指令功能和T指令功能實現(xiàn)。數(shù)控機床NC啟動和NC停止的實現(xiàn)，由浮動裝夾控制系統(tǒng)外部電路產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過數(shù)控機床PLC的I/O點位觸發(fā)對應(yīng)PLC程序來實現(xiàn)。在數(shù)控機床PLC程序中添加FC模塊程序，實現(xiàn)外部電路信號通過PLC的I/O點信號位啟動NC功能，在數(shù)控機床開機狀態(tài)下，當外部電路發(fā)送信號到PLC對應(yīng)輸入點位，觸發(fā)對應(yīng)PLC程序產(chǎn)生NCK通道信號實現(xiàn)NC啟動，執(zhí)行NC程序進行加工操作，NC停止同理，這種方法適用于加工過程中工藝和裝夾的自適應(yīng)調(diào)整。如果加工工藝預(yù)先規(guī)劃加工暫停點在NC程序中位置，在NC程序中需要暫停加工操作，進行調(diào)整裝夾的位置，添加自定義NC停止功能動態(tài)M指令，數(shù)控程序加工到動態(tài)M指令，執(zhí)行動態(tài)M指令實現(xiàn)NC停止，并且發(fā)送信號到浮動裝夾控制系統(tǒng)觸發(fā)裝夾調(diào)整，下次NC啟動時從當前位置開始執(zhí)行NC程序。

浮動裝夾的自我監(jiān)測和故障診斷，是裝夾自適應(yīng)控制的必備功能。加工過程中，當浮動裝夾出現(xiàn)故障，需要暫停機床運行并且提示故障類型等信息時，通過上面提到的機床加工暫停功能暫停加工，根據(jù)故障類型顯示對應(yīng)報警信息。浮動裝夾控制系統(tǒng)報警信號通過機床PLC的I/O接口，觸發(fā)數(shù)控系統(tǒng)預(yù)定義報警信息，在數(shù)控系統(tǒng)界面顯示，并且報警信號將改變機床當前運行狀態(tài)。

浮動裝夾自適應(yīng)控制系統(tǒng)

浮動裝夾狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置、機床狀態(tài)的監(jiān)測、工件狀態(tài)監(jiān)測信息顯示和分析、浮動裝夾的監(jiān)控等功能都通過控制軟件實現(xiàn)，浮動裝夾控制系統(tǒng)軟件運行在上位機計算機上?？刂栖浖饕蠥UTO、EDIT、JOG、設(shè)置、交互操作、OPC、顯示等功能模塊，控制軟件界面如圖7所示。通過EDIT編寫裝夾單元控制程序，AUTO模塊可以在觸發(fā)后自動執(zhí)行控制程序?qū)崿F(xiàn)裝夾調(diào)整，JOG模塊下可以手動控制單個或多個裝夾單元，交互操作模塊主要實現(xiàn)浮動裝夾和數(shù)控系統(tǒng)的協(xié)同控制，實施各種裝夾調(diào)整策略，OPC和顯示模塊實現(xiàn)機床、浮動裝夾、工件監(jiān)測信息的顯示和分析功能。OPC機床數(shù)據(jù)監(jiān)測主要面向西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，西門子840D HMI中用于數(shù)據(jù)讀寫的SINUMERIK OPC服務(wù)器遵循OPC標準的基本規(guī)范，遠程客戶端數(shù)據(jù)存取經(jīng)由DCOM通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)。

加工前，設(shè)置裝夾單元數(shù)量，通過定位模塊確定工件位置，定位模塊及輔助夾緊模塊夾持工件。加工過程中監(jiān)測夾緊力，根據(jù)夾緊力監(jiān)測值，結(jié)合工件中間狀態(tài)模型，通過計算工件變形量，根據(jù)零件類型、變形規(guī)律和加工余量要求確定調(diào)整裝夾、釋放變形策略，暫停數(shù)控程序執(zhí)行，觸發(fā)裝夾調(diào)整，釋放工件變形，然后夾緊工件繼續(xù)加工。多次釋放工件變形，直到加工結(jié)束。

通過控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)裝夾調(diào)整控制、狀態(tài)監(jiān)測等多種功能，并且為后續(xù)加工順序調(diào)整、夾緊力調(diào)整、加工余量調(diào)整等加工工藝和裝夾策略的實現(xiàn)提供了接口。浮動裝夾控制系統(tǒng)在國內(nèi)某航空制造企業(yè)飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中進行了應(yīng)用驗證，圖8為浮動裝夾加工應(yīng)用現(xiàn)場。

結(jié)論

（1）在浮動裝夾加工原理的基礎(chǔ)上，提出了浮動裝夾自適應(yīng)控制方法；（2）對浮動裝夾自適應(yīng)控制方法關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，包括基于CAN總線的浮動裝夾系統(tǒng)通信技術(shù)，零件受力和變形的監(jiān)測與檢測，基于OPC的機床狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，數(shù)控機床和裝夾協(xié)同控制技術(shù)，裝夾系統(tǒng)報警功能等；（3）開發(fā)了浮動裝機自適應(yīng)控制系統(tǒng)，并且在航空制造企業(yè)加工驗證了系統(tǒng)功能、穩(wěn)定性和可操作性，系統(tǒng)具備工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用要求。

圖7 浮動裝夾控制軟件界面Fig.7 Floating fixture system control software interface

圖8 浮動裝夾自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)用驗證現(xiàn)場Fig.8 Application of floating fixture adaptive control system

參 考 文 獻

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