專用機床控制裝置的研究與設計

范紅，陸建軍，仲秋，許興旺

1. 江蘇省鹽城技師學院 江蘇鹽城 224002

2. 江蘇恒力組合機床有限公司 江蘇鹽城 224055

1 序言

大型飛機零件加工精度直接影響到飛機的使用壽命及安全。目前，國內小型零件加工技術已有較大發(fā)展，但是大型零件加工還存在很多技術難題。大型零件尺寸大、結構復雜，給定位和加工帶來很大難度。針對上述大型零件存在的問題，設計了在線控制裝置。該控制裝置借助數(shù)字化測量技術，在構建飛機全局坐標系的基礎上，實現(xiàn)了對數(shù)控定位器和零件測量點的數(shù)字化測量，提高了零件的定位精度、加工精度和加工效率。

2 組合機床控制裝置架構

組合機床控制裝置主要由激光跟蹤儀、840Dsl數(shù)控系統(tǒng)、伺服電動機、工業(yè)PC機、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、調姿和加工系統(tǒng)等組成（見圖1）。

圖1 組合機床控制裝置架構

（1）激光跟蹤儀 激光跟蹤儀系統(tǒng)主要由跟蹤頭、控制箱、工業(yè)PC機、靶球、靶標和其他測量附件等組成。垂直安定面調姿和加工過程中需要測量的調姿基準點較多，通過人工引光的方式進行測量，工作量大、效率低，為此研究基于三維模型的激光跟蹤儀自動跟蹤測量。測量方法：首測時采用人工測量，初次調姿完成后基于垂尾的數(shù)字模型獲取調姿基準點在全機坐標系下的理論坐標；然后利用激光跟蹤儀提供的二次開發(fā)接口，驅動激光跟蹤儀在空間搜索區(qū)域內自動搜索靶球，實現(xiàn)基準點自動復測。由于制造和安裝的誤差，基準點的實際坐標和理論值會有偏差，因此需要設定以基準點為搜索中心的搜索區(qū)域。使用通信接口程序來實現(xiàn)工業(yè)PC機與跟蹤儀之間的通信問題，實現(xiàn)激光跟蹤儀自動測量功能。當通信連接建立后，設置測量的有關參數(shù)，主要包括測量方式、數(shù)據(jù)采集頻率和環(huán)境參數(shù)等。

（2）840Dsl數(shù)控系統(tǒng) 組合機床的調姿和加工系統(tǒng)共用一套西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，通過SPL安全邏輯程序來執(zhí)行安全功能邏輯，同時也可將第二編碼器（光柵尺等）或伺服電動機編碼器作為安全編碼器，完成組合機床的伺服裝置電路連接、在機測量等狀態(tài)監(jiān)控。840Dsl數(shù)控系統(tǒng)都有雙通道檢測功能，SPL程序同時在PLC和NC兩系統(tǒng)內執(zhí)行，實時同步監(jiān)控檢測，如果發(fā)現(xiàn)PLC和NC的信號狀態(tài)不一致，數(shù)控系統(tǒng)立即產(chǎn)生報警，伺服軸安全停止并切斷伺服轉矩輸出和伺服使能。另外，按照相關數(shù)控機床安全規(guī)定要求，每間隔8h，數(shù)控系統(tǒng)自動進行安全功能測試，確保組合機床的絕對安全性能。

（3）現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng) 現(xiàn)場總線主要是為現(xiàn)場一級設備作控制用，各個現(xiàn)場控制點（例如繼電器、變頻器、傳感器、控制閥和執(zhí)行機構等）之間是以網(wǎng)絡形式連接的，與控制設備的聯(lián)系卻是點對點的，即控制設備必須通過大量I/O接口與各個現(xiàn)場控制點聯(lián)系，可以在任意位置上與控制設備通信。現(xiàn)場總線主要應用于實時性、數(shù)據(jù)傳送可靠性要求高的場合。

隨著IT技術的飛速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)自動化控制中應運而生，由于一直存在數(shù)據(jù)通信實時性、可靠性以及網(wǎng)絡阻塞等問題，所以主要應用在車間級及工廠級上層網(wǎng)絡監(jiān)控。在現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)之間加一個網(wǎng)關（通常是一個串口服務器），則現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)就可以進入工業(yè)以太網(wǎng)，可以和電腦進行通信，對現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)進行分析或人工干預。工業(yè)以太網(wǎng)是采用共享現(xiàn)場總線型傳輸媒體方式的局域網(wǎng)，能接入控制器、智能現(xiàn)場傳感器和測控儀表等，在網(wǎng)絡運行過程中對系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)。

（4）伺服電動機 組合機床各軸和調姿系統(tǒng)各模塊都由伺服電動機驅動，均采用閉環(huán)伺服控制。閉環(huán)伺服是反饋控制，由于反饋測量裝置精度高，所以環(huán)內各元件的誤差和運動中造成的誤差都能給予補償。

（5）工業(yè)PC機（Industrial Personal Computer） 采用現(xiàn)場總線結構，完成對激光跟蹤儀自動測量、數(shù)據(jù)輸入、軟件核心算法、仿真、結果輸出、生產(chǎn)過程，以及機電設備和工藝裝備進行檢測與控制的計算機。

3 垂直安定面控制裝置工作流程

組合機床控制裝置主要具有位姿計算、軌跡規(guī)劃、調姿仿真和加工過程仿真、支撐夾緊機構控制、調姿機構運動控制、支撐夾緊機構和調姿機構的診斷/維護/報警/監(jiān)控、刀具和測頭運動控制以及刀具和測頭運動的診斷/維護/報警/監(jiān)控等功能。組合機床控制裝置工作按先后順序分為5部分：平臺初始化、自動調姿、人工調姿、夾緊和加工（見圖2）。

（1）平臺初始化 首先將調姿平臺初始化，垂直安定面（圖2中簡稱垂尾）上架；輸入理論數(shù)據(jù)和下架數(shù)據(jù)，若下架數(shù)據(jù)不滿足精度要求，查看是否輸入錯誤，是輸入錯誤則重新準確輸入數(shù)據(jù)；非輸入錯誤則返回上一工序；若下架數(shù)據(jù)滿足精度要求，將下架狀態(tài)的位姿設為目標位姿。其次將測量系統(tǒng)初始化，測量初始位置的工藝基準點，計算初始位姿和位姿變換參數(shù)。

圖2 垂直安定面控制裝置工作流程

（2）自動調姿、人工調姿和夾緊 規(guī)劃調姿軌跡，進行調姿過程仿真（離線仿真），查看仿真過程是否有碰撞干涉。若仿真過程有干涉，重新進入調姿軌跡規(guī)劃；若仿真過程無干涉，進入后置處理，生成調姿程序，執(zhí)行調姿程序。調姿程序執(zhí)行后，復測工藝基準點，查看是否滿足調姿精度要求；工藝基準點滿足要求則調姿結束，夾緊工件送進加工區(qū)域；如果工藝基準點不能滿足調姿精度要求，計算當前位姿和位姿變換參數(shù)，判斷是否滿足人工調姿要求。如果不滿足人工調姿要求則重新進入調姿軌跡規(guī)劃；若滿足人工調姿要求，生成定位器位移量指導人工調姿，人工調姿完成后，復測工藝基準點，判斷是否滿足調姿精度要求。若滿足則調姿結束，夾緊送進加工區(qū)域；若不滿足調姿精度要求，計算當前位姿和位姿變換參數(shù)，生成定位器位移量指導人工調姿。人工調姿完成后，復測工藝基準點，再判斷是否滿足調姿精度要求，若滿足則調姿結束，夾緊送進加工區(qū)域。

（3）加工 使用在機測頭找正垂直安定面的位置，編制在機測量程序并進行余量評估，執(zhí)行在機測量程序，測量數(shù)據(jù)分析和計算加工余量，編制加工程序，執(zhí)行加工程序，垂直安定面最終檢測，進行加工質量評價，滿足加工精度要求則結束下架；不能滿足加工精度要求時進行誤差分析。

4 結束語

本次針對在組合機床上精加工垂直安定面的控制裝置的設計，解決了過多依賴操作人員技能的問題，減少了機床停機時間。通過自動修正偏置值進行序中工件測量，提供過程反饋，減少不確定因素的影響，不僅提高了零件的定位精度和加工精度，省去定位、調整和安裝等生產(chǎn)輔助時間，而且減少了測量過程中產(chǎn)生誤差的可能性。該控制裝置的設計，既提高了機床的生產(chǎn)力和批量產(chǎn)品尺寸的靈活性，降低了廢品率，又滿足了用戶對零件的加工精度要求和生產(chǎn)使用要求。