1 引言

　　孔加工在航空制造中占有重要地位，有文獻(xiàn)報(bào)道在一條機(jī)翼的裝配線上每年約要鉆削加工4000萬(wàn)個(gè)孔。傳統(tǒng)的人工鉆孔，工作量大，過(guò)程枯燥，鉆孔的效率低，孔的質(zhì)量難以保證一致性，批量化生產(chǎn)人力和物力成本高。由于機(jī)器人制孔系統(tǒng)一般采取工件不動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的方式，其靈活性較好，且對(duì)工件的適應(yīng)性較好，同時(shí)能夠極大的提高制孔效率和精度，在國(guó)外已得到廣泛的研究和應(yīng)用。美國(guó)EOA公司與波音公司也聯(lián)合生產(chǎn)研制了一種機(jī)器人多功能鉆削系統(tǒng)(EOA)，該系統(tǒng)可以完成對(duì)鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料以及疊層等飛機(jī)蒙皮的鉆孔、锪孔和鉸孔圜。美國(guó)Electroimpact公司與英國(guó)空客公司聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)(O．N．C．E)，O．N．C．E系統(tǒng)主要用于波音’F／A一18E／F的機(jī)翼后緣襟翼的鉆孔和锪孔。

　　而國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)器人制孔系統(tǒng)的研發(fā)尚處于起步階段，機(jī)器人制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)高精度、高效率的多功能制孔執(zhí)行器，其中多功能制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的整體性能的實(shí)現(xiàn)具有重要的作用。主要就應(yīng)用于飛機(jī)鈦合金、鋁合金大型壁板制孔的多功能制孔執(zhí)行器，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于上位機(jī)和PIX：的多功能制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)。

2 制孔執(zhí)行器的基本組成

　　制孔執(zhí)行器由切削運(yùn)動(dòng)單元，壓緊單元，傳感單元、支承單元組成。切削運(yùn)動(dòng)單元提供制孔過(guò)程中必須的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；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；支承單元一方面為鉆孔末端執(zhí)行器上的組件提供必要的連接和支承，另一方面提供和工業(yè)機(jī)器人的連接。制孔執(zhí)行器實(shí)體圖，如圖1所示。

圖1制孔執(zhí)行器

　　2.1 切削運(yùn)動(dòng)單元

　　該單元的作用就是提供鉆孔需要的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主軸運(yùn)動(dòng)由—個(gè)交流伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)皮帶輪帶動(dòng)主軸頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，主軸運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)行速度控制；進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由另外—個(gè)交流伺服電機(jī)經(jīng)皮帶輪帶動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)需要進(jìn)行速度位置控制。系統(tǒng)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓來(lái)控制主軸速度，采用定位模塊輸出脈沖控制進(jìn)給位置和進(jìn)給速度。

　　2.2 壓緊單元

　　壓緊單元采用氣動(dòng)壓緊，由兩個(gè)汽缸驅(qū)動(dòng)壓腳去壓緊待加工工件，可起到增加系統(tǒng)剛度，減小疊層材料間隙，削弱系統(tǒng)振動(dòng)等作用，兩個(gè)汽缸由一個(gè)二位五通電磁閥實(shí)現(xiàn)壓緊松開(kāi)控制。在系統(tǒng)中，我們采用PLC的輸出點(diǎn)發(fā)出信號(hào)，控制電磁閥，完成壓腳的壓緊和松開(kāi)。同時(shí)還通過(guò)檢查汽缸的行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)拍保護(hù)，榆測(cè)壓腳是否壓緊與松開(kāi)，增加了系統(tǒng)的可靠性。

　　2.3 傳感單元

　　傳感單元包括力傳感器，氣缸行程開(kāi)關(guān)，進(jìn)給行程開(kāi)關(guān)。力傳感器的作用是實(shí)時(shí)反應(yīng)鉆削力變化，并通過(guò)分析力的變化來(lái)得到刀具磨鈍等信息。氣缸行程開(kāi)關(guān)來(lái)限制氣缸的行程，進(jìn)給的前行程開(kāi)關(guān)用來(lái)防止超程，后限位開(kāi)關(guān)作為原點(diǎn)開(kāi)關(guān)。我們利用PLC的輸入點(diǎn)來(lái)采集開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)具體的運(yùn)動(dòng)控制，采用一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)采集力傳感器信號(hào)用于系統(tǒng)控制。

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)

　　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，系統(tǒng)采用基于PC機(jī)和PLC的控制方案，這樣可以由PC強(qiáng)大的人機(jī)交互能力來(lái)彌補(bǔ)PLC這方面的不足，PC與PLC之間采用串口通信，通信協(xié)議選用三菱編程口協(xié)議。PC作為上位機(jī)，完成數(shù)據(jù)顯示儲(chǔ)存，切削參數(shù)修改下載、警報(bào)顯示等功能；PLC作為下位機(jī)，完成信號(hào)采集、運(yùn)動(dòng)控制、警報(bào)輸出等功能。

　　3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.2.1 系統(tǒng)組成

　　該系統(tǒng)由輸入、控制運(yùn)算、輸出、通信四部分組成。

　　(1)輸入部分：包括按鈕輸入和信號(hào)檢測(cè)。操作按鈕由人工輸入，完成切換工作模式，系統(tǒng)啟動(dòng)停止，急停輸入等操作。信號(hào)檢測(cè)則是通過(guò)系統(tǒng)的傳感器來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)異常，報(bào)警輸出并停機(jī)。

　　(2)控制運(yùn)算部分：由PLC實(shí)現(xiàn)，由控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件來(lái)完成信號(hào)的輸入、處理、控制輸出等主要功能。

　　(3)輸出部分：輸出部分包括電磁閥，用于汽缸控制；中間繼電器，用于系統(tǒng)警報(bào)輸出，電機(jī)伺服、警報(bào)復(fù)位等。

　　(4)上位機(jī)和下位機(jī)通信部分：完成．上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，完成數(shù)據(jù)顯爾儲(chǔ)存，切削參數(shù)修改下載、警報(bào)顯示等。制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 PLC選型和輸入輸出口分派

　　經(jīng)分析共有17個(gè)開(kāi)關(guān)輸入量，18個(gè)開(kāi)關(guān)輸出量。根據(jù)輸入輸出信號(hào)的數(shù)量、類型和控制要求，同時(shí)按照I／O點(diǎn)數(shù)20％～30％的備用量原則舊，系統(tǒng)選用了三菱FX2N-64MT型號(hào)的PLC作為控制核心，有32個(gè)輸入點(diǎn)和32個(gè)輸出點(diǎn)。脈沖輸出模塊選用三菱FX2N-10PC,，該模塊的脈沖序列最大可以達(dá)到lMHz。D／A轉(zhuǎn)換模塊A／D轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX2N-4DA，其數(shù)字輸入位12位。A／D轉(zhuǎn)換模塊選用三菱FX2N-4AD，其數(shù)字輸出也為12位。制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)配備—個(gè)電氣控制柜。PLC，變壓器，各種繼電器，主軸和進(jìn)給電機(jī)伺服放大器等均安裝在控制柜中。該制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)的I／O分配表，如表1所示。

　　3.3 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　三菱PLC一般有三種編程方式：指令表編程、梯形圖編程、步進(jìn)功能圖編程(SFC)，SFC是根據(jù)機(jī)械流程來(lái)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(dòng)作來(lái)進(jìn)行程序流程設(shè)計(jì)。在運(yùn)動(dòng)控制中優(yōu)點(diǎn)突出，利用步的概念來(lái)設(shè)計(jì)程序使我們把注意力集中在活動(dòng)步中，使編程更容易。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(xiě)了三種工作模式：自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、回零模式，三種模式的切換由—個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)完成。

　　整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要包括以下部分：初始化模塊、壓腳控制模塊、壓緊力采集模塊、主軸速度控制模塊、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制模塊、警報(bào)處理顯示模塊。

　　(1)初始化模塊：該模塊對(duì)各軟元件進(jìn)行復(fù)位，然后再進(jìn)入系統(tǒng)啟動(dòng)階段。

　　(2)壓腳控制：根據(jù)時(shí)間順序和開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制電磁閥，從而控制氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)壓腳的壓緊和松開(kāi)。

　　(3)壓緊力采集：由FX2N-4AD來(lái)采集力傳感器的電眶值，并利用FROM／tO指令傳送到主單元的數(shù)據(jù)寄存器中，待上位機(jī)去實(shí)時(shí)讀取。

　　(4)主軸變速控制：主軸電機(jī)采用速度控制方式，通過(guò)改，巫輸入電壓的大小來(lái)凋整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電壓由FX2N-4DA模塊輸出。電壓值可以隨進(jìn)給位置來(lái)改變，從而實(shí)現(xiàn)不同加T段的變速。

　　(5)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制：進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使用FX2N-10PG脈沖輸H；單元來(lái)實(shí)現(xiàn)該電機(jī)的位置速度控制，通過(guò)輸出不同頻率和數(shù)每的脈沖完成電機(jī)的位置控制和速度控制。

　　(6)警報(bào)處理模塊：該模塊通過(guò)控制計(jì)算、信號(hào)采集等檢測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)的意外情況，給出相應(yīng)的報(bào)警并停機(jī)。該系統(tǒng)的順序控制功能圖，如圖3所示。

圖3系繃順序控制功能圖

4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

　　在自動(dòng)制孔執(zhí)行器的生產(chǎn)過(guò)程中，一些切削參數(shù)等需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，另外在，圭產(chǎn)過(guò)程中還需要實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。因此在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中用事件驅(qū)動(dòng)來(lái)向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，而采用定時(shí)讀取的方式來(lái)自動(dòng)接收PLC傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。在程序設(shè)計(jì)中，使用了多線程技術(shù)，一個(gè)線程負(fù)責(zé)PLC和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，一個(gè)線程負(fù)責(zé)處理用戶界面信息和操作。選用VB．NET來(lái)編寫(xiě)上位機(jī)的通信和控制軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC之間的串行通信。下面具體介紹PLC和計(jì)算機(jī)之間的串行通信程序設(shè)計(jì)。

　　4.1 上位機(jī)和下位機(jī)通信協(xié)議

　　上位機(jī)與下位機(jī)采用編程口通信協(xié)議。利用VB．NET的serialPort控件實(shí)現(xiàn)|：位機(jī)與三菱FX2N系列PLC的通訊，F(xiàn)X2N系列PLC和工控機(jī)的通信是以主機(jī)發(fā)出初始命令，PIE對(duì)其做出響應(yīng)的方式進(jìn)行通信的。通信共有4種命令：讀命令、寫(xiě)命令、強(qiáng)制置位和強(qiáng)制復(fù)位。通過(guò)這4種命令，上位機(jī)町實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的監(jiān)控和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。上位機(jī)和PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸格式為RS232，波特率為9600，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用和校驗(yàn)。其通信協(xié)議的幀格式，如表2所示。其中STX代表報(bào)文開(kāi)始，CMD為命令類型，數(shù)據(jù)段包括命令對(duì)象和字節(jié)數(shù)，ETX代表報(bào)文結(jié)束，SUMH和SUML為校驗(yàn)和的高位及低位。利用該協(xié)議編寫(xiě)PLC通信程序，可以實(shí)現(xiàn)PLC的系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量置位和復(fù)位，數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)的讀取與寫(xiě)入。

　　4.2 界面功能簡(jiǎn)介

　　上位機(jī)監(jiān)控界面采用VB．NET編寫(xiě)，在該控制界面完成制孔執(zhí)行器系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)單步操作、力傳感器曲線圖繪制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、警報(bào)內(nèi)容輸出等功能。

　　(1)參數(shù)設(shè)置模塊：參數(shù)設(shè)置模塊作用是設(shè)置功能模塊的參數(shù)，以及與系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)的一些可變量，比如主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)給電機(jī)的進(jìn)給率，壓力閾值等。

　　(2)狀態(tài)顯示模塊：狀態(tài)顯示模塊的功能就是實(shí)時(shí)檢測(cè)一些系統(tǒng)狀態(tài)，比如力傳感器的值，主軸當(dāng)前轉(zhuǎn)速、進(jìn)給軸當(dāng)前速度、運(yùn)行位置等。

　　(3)手動(dòng)控制模塊：該模塊又可以分為三個(gè)部分，主軸電機(jī)控制、壓緊裝置部分控制、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制。主軸電機(jī)控制可以手動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)停止；壓緊裝置控制叮以手動(dòng)單獨(dú)控制電磁閥來(lái)驅(qū)動(dòng)氣缸壓緊和松開(kāi)；進(jìn)給電機(jī)控制部分則可以手動(dòng)的選擇定位模式，調(diào)節(jié)進(jìn)給率、進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作、回零操作等。

　　(4)自動(dòng)控制模塊：自動(dòng)控制模塊則是在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行模式下可以控制系統(tǒng)開(kāi)始鉆孔、停止等操作。

(5)輸入監(jiān)視模塊：這部分是自動(dòng)定時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的各個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，以便操作人員實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，是否正常，以及當(dāng)系統(tǒng)發(fā)牛警報(bào)時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障原因。

　　(6)輸ff{監(jiān)視模塊：該模塊有兩個(gè)功能，一是監(jiān)視系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，以r解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，二是町以通過(guò)點(diǎn)擊來(lái)強(qiáng)制打開(kāi)或斷開(kāi)對(duì)應(yīng)端口，方便系統(tǒng)的調(diào)試，因此設(shè)定只有在手動(dòng)模式下町以使用該功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)并分析了用于飛機(jī)鋁合金、鈦合金以及疊層部件自動(dòng)制孔的制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過(guò)與機(jī)器人和制孔執(zhí)行器的聯(lián)合調(diào)試，整套系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)功能達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)連續(xù)無(wú)故障時(shí)問(wèn)超過(guò)24小時(shí)。孔定位精度為±0.3mm，重復(fù)定位精度為±0.2mm，制孔效率可達(dá)4個(gè)/min。極大的提高了飛機(jī)部件自動(dòng)制孔的效率和裝配質(zhì)量。