基于Elmo運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的飛機(jī)數(shù)字化裝配過(guò)程淺析

飛機(jī)的部件成千上萬(wàn)，其中很多的結(jié)構(gòu)件為鈑金件或復(fù)合材料組成的薄型板狀結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是外形復(fù)雜，連接面多為不規(guī)則曲面，同時(shí)其材料和形狀決定了其具有的工藝剛性相對(duì)比較小，容易變形，給加工和裝配都帶來(lái)了比較大的困難。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，通過(guò)引入了先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，使得零件的加工技術(shù)得到了大幅度的提升，零件的制造周期大大縮短，品質(zhì)也得到了很大的改善。但是，飛機(jī)的部件裝配與整體機(jī)身的裝配仍沿用傳統(tǒng)的方法，無(wú)法適應(yīng)先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)帶來(lái)的效率的提高。飛機(jī)裝配技術(shù)已經(jīng)制約著飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展。本文主要介紹了通過(guò)使用Elmo運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，借助多點(diǎn)成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)柔性數(shù)字化裝配。

系統(tǒng)工藝流程

圖1示出工藝流程。多點(diǎn)成形技術(shù)是柔性工裝設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)，其基本原理為采用多個(gè)均勻離散的點(diǎn)來(lái)擬合飛機(jī)裝配部件的三維型面，通過(guò)精確的數(shù)字建模，控制各點(diǎn)的點(diǎn)位來(lái)達(dá)到精準(zhǔn)的控制，使工裝表面完全貼合飛機(jī)零件表面。使用這種柔性裝配技術(shù)可以使飛機(jī)裝配型架的制造周期大大縮短，并可以取代大部分固定裝配型架。同時(shí)由于其采用了離散式的點(diǎn)位控制方式，使得該系統(tǒng)具有可重構(gòu)性，一套該系統(tǒng)可以完成多種表面形狀的零件工裝。

圖1 工藝流程圖

固定飛機(jī)薄壁板采用的是行列可移動(dòng)式動(dòng)態(tài)工裝，其基本元器件為可移動(dòng)的導(dǎo)軌副以及高度可以調(diào)整的支撐夾持單元，以上元器件的控制均通過(guò)數(shù)控伺服完成，通過(guò)伺服的不同位置調(diào)整使整個(gè)工裝系統(tǒng)按照理論的點(diǎn)位分布，使蒙皮達(dá)到理論的工裝外形。

系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：系統(tǒng)計(jì)算機(jī)主要計(jì)算并且給出數(shù)學(xué)模型;人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)的顯示和設(shè)定一些現(xiàn)場(chǎng)的工作參數(shù)；三維激光測(cè)量可以反饋實(shí)際的位置值回當(dāng)前的系統(tǒng)計(jì)算機(jī);以色列Elmo公司的MAESTRO多軸控制器為本運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，配合CAN總線(xiàn)上掛接的多顆Elmo公司的伺服驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)多個(gè)點(diǎn)位的位置控制;同時(shí)，由于工藝方面需要的夾持等功能，故CAN總線(xiàn)上還掛接有一些現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)I/O。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架

通訊部分

通訊部分，主要包括兩大層面：

第一層面為以太網(wǎng)層

滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用該通訊方式主要有以下好處：

通訊距離長(zhǎng)，以太網(wǎng)的通訊極限一般可以控制到200m，基本上滿(mǎn)足了大型飛機(jī)等設(shè)備的裝配空間，同時(shí)避免了使用光纖通訊所耗費(fèi)的大量的成本;

標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，普通的計(jì)算機(jī)、工控設(shè)備可以很好的接入;

一般用戶(hù)都比較熟悉使用，應(yīng)用控制等技術(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定、成熟;

同時(shí)配合人機(jī)界面在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RS-232方式操控和設(shè)定工作參數(shù)，彌補(bǔ)了以太網(wǎng)長(zhǎng)通訊距離造成的操作不便。

第二個(gè)層面為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)層面

采用了目前在歐美普遍使用的CAN總線(xiàn)形式，使用該總線(xiàn)會(huì)給該系統(tǒng)帶來(lái)如下的好處：

CAN總線(xiàn)為一種集分布式控制和實(shí)時(shí)控制于一體的串行通訊局域網(wǎng)絡(luò)，其高可靠性、高性能、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用;

本系統(tǒng)使用的CAN總線(xiàn)全面支持CANOpen 層面的DS301、DS305、DS401、DS402等協(xié)議，DS401、DS402這兩個(gè)協(xié)議為基于運(yùn)動(dòng)控制所開(kāi)發(fā)的通訊協(xié)議，可以直接應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合;

由于以色列Elmo公司的產(chǎn)品全部采用的是CANOpen協(xié)議，其相關(guān)的通訊底層協(xié)議全部為開(kāi)放式，方便客戶(hù)與自己的其他設(shè)備連接通訊;

CAN總線(xiàn)上可以?huà)旖悠渌脑O(shè)備， 例如現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)I/O，但是所掛接設(shè)備必須支持CANOpen協(xié)議;

每個(gè)CAN總線(xiàn)理論上可以支持最多108個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node），以色列Elmo公司目前的MAESTRO多軸控制器最多具有2路CAN總線(xiàn)，理論上最多支持216個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以?huà)旖?a target="_blank">伺服電機(jī)或者CAN總線(xiàn)設(shè)備，故對(duì)于未來(lái)設(shè)備的擴(kuò)展帶來(lái)了很多的方便之處。

MAESTRO的特點(diǎn)

以色列Elmo公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MAESTRO為一種基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，可以完成2D、2.5D的差補(bǔ)，多個(gè)軸的同步以及開(kāi)始、停止等類(lèi)似 PLC的運(yùn)動(dòng)控制功能，同時(shí)其在整個(gè)系統(tǒng)的通訊層面可以完成的工作很豐富，諸如：網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān);各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的監(jiān)控;運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)和控制;CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的主站等。

一種基于MAESTRO的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單的用如圖3所示的框圖來(lái)表示：

圖3 多軸運(yùn)動(dòng)控制器框圖

其中，需要明確幾個(gè)定義：

軸：每一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器與每一臺(tái)電機(jī)組成對(duì)，完成單個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制，稱(chēng)其為軸。

組：由多個(gè)軸組成，可以由MAESTRO發(fā)相同的同步指令到組里面的各個(gè)軸，其中每個(gè)獨(dú)立的軸均可以完成獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)要求構(gòu)成組的每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)形式必須要一致。組可以定義多個(gè)。

矢量組：一般為由兩個(gè)獨(dú)立的軸組成的組，通過(guò)嚴(yán)格的控制時(shí)鐘同步來(lái)獲得精確的單軸運(yùn)動(dòng)定位，借此獲得期望的系統(tǒng)性能，同時(shí)矢量組可以完成2個(gè)軸的直線(xiàn)差補(bǔ)、圓弧差補(bǔ)以及螺旋差補(bǔ)等功能。同樣，矢量組也可以定義多個(gè)。

圖4 MAESTRO的基本構(gòu)成

其中，按照功能不同，將其內(nèi)部分為了五層，分別用不同的顏色表示，具體功能如下：

作為CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)主站的MAESTRO可以提供很多的網(wǎng)絡(luò)功能，其中包括了完成網(wǎng)絡(luò)配置;偵測(cè)并描述出CAN網(wǎng)絡(luò)中存在的CAN設(shè)備;通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的CANOpen協(xié)議完成CAN網(wǎng)絡(luò)信息的接收和發(fā)送;CAN網(wǎng)絡(luò)報(bào)警信息處理；根據(jù)其內(nèi)部自帶的同步機(jī)制完成時(shí)鐘同步;通過(guò)使用CANOpen 的 DS301、DS305、DS401、DS402協(xié)議完成各個(gè)CAN設(shè)備之間的通訊等。同時(shí)，其作為同步運(yùn)動(dòng)控制器還可以實(shí)現(xiàn)以下一系列的同步功能： 發(fā)送同步運(yùn)動(dòng)指令到指定的運(yùn)動(dòng)單元軸;同步運(yùn)動(dòng)單元軸之間的啟動(dòng)和停止等動(dòng)作；通過(guò)其內(nèi)部的callback功能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)完成以及Elmo驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部定義的觸發(fā)條件等的監(jiān)控;以及發(fā)送通知到上位機(jī)等。

在與上位機(jī)通訊的過(guò)程中，MAE-STRO可以使用的通訊方式有TCP/IP以及RS-232。通過(guò)該通訊可以完成的功能包括：程序的上傳和下載;系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)反饋;用戶(hù)程序運(yùn)行情況的反饋;傳輸和解釋對(duì)MAESTRO的指令以及對(duì)任意一臺(tái)終端CAN設(shè)備的操作指令。用戶(hù)還可以通過(guò)使用 Elmo公司提供的Composer軟件通過(guò)這條通路完成對(duì)終端Elmo驅(qū)動(dòng)器的直接操作和監(jiān)控。

在運(yùn)行用戶(hù)程序方面，MAESTRO也有其獨(dú)有的一些特點(diǎn)：其作為一個(gè)全面可編程的運(yùn)動(dòng)控制器可以實(shí)現(xiàn)并完成多軸運(yùn)動(dòng)的編程工作;可以運(yùn)行一個(gè)或者多個(gè)用戶(hù)程序;用戶(hù)可以通過(guò)使用MAESTRO的編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的編程操作，其編程語(yǔ)言與Elmo公司的驅(qū)動(dòng)器的編程語(yǔ)言類(lèi)似，都屬于類(lèi)C的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，非常容易掌握;同時(shí)，其編程環(huán)境可以使用Elmo公司提供的Elmo Studio軟件來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)。

基于以上的諸多特點(diǎn)，通過(guò)MAESTRO與Elmo智能型驅(qū)動(dòng)器的配合使用，筆者便構(gòu)成了一套分布式控制系統(tǒng)的基本框架，用戶(hù)可以根據(jù)自己的使用工藝要求和具體的工況來(lái)選擇合適的搭配和擴(kuò)展，可靠穩(wěn)定的完成預(yù)期功能。

圖5 內(nèi)部功能示意圖

結(jié)語(yǔ)

目前，應(yīng)用該套分布式控制系統(tǒng)的飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)了國(guó)家的驗(yàn)收，準(zhǔn)備投入批量生產(chǎn)。由于國(guó)內(nèi)對(duì)于CAN總線(xiàn)的研究起步比較晚，在具體應(yīng)用方面相對(duì)于國(guó)外也有很大的差距，對(duì)這方面的了解也并不是很全面，還處于摸索階段。但是通過(guò)該項(xiàng)目的成功應(yīng)用，更加堅(jiān)定了公司對(duì)這種分布式控制系統(tǒng)的推廣信心。我們將會(huì)加倍努力，將該套控制系統(tǒng)應(yīng)用于諸如醫(yī)療、紡織、印刷等更多的行業(yè)和領(lǐng)域。