1 引言

　　孔加工在航空制造中占有重要地位，有文獻(xiàn)報道在一條機翼的裝配線上每年約要鉆削加工4000萬個孔。傳統(tǒng)的人工鉆孔，工作量大，過程枯燥，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。由于機器人制孔系統(tǒng)一般采取工件不動機器人移動的方式，其靈活性較好，且對工件的適應(yīng)性較好，同時能夠極大的提高制孔效率和精度，在國外已得到廣泛的研究和應(yīng)用。美國EOA公司與波音公司也聯(lián)合生產(chǎn)研制了一種機器人多功能鉆削系統(tǒng)(EOA)，該系統(tǒng)可以完成對鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料以及疊層等飛機蒙皮的鉆孔、锪孔和鉸孔圜。美國Electroimpact公司與英國空客公司聯(lián)合設(shè)計了一套機器人自動鉆削系統(tǒng)(O．N．C．E)，O．N．C．E系統(tǒng)主要用于波音’F／A一18E／F的機翼后緣襟翼的鉆孔和锪孔。

　　而國內(nèi)對于機器人制孔系統(tǒng)的研發(fā)尚處于起步階段，機器人制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵是開發(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)計對于系統(tǒng)的整體性能的實現(xiàn)具有重要的作用。主要就應(yīng)用于飛機鈦合金、鋁合金大型壁板制孔的多功能制孔執(zhí)行器，設(shè)計并開發(fā)了基于上位機和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)行器由切削運動單元，壓緊單元，傳感單元、支承單元組成。切削運動單元提供制孔過程中必須的主軸轉(zhuǎn)動和進(jìn)給運動；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)機器人的連接。制孔執(zhí)行器實體圖，如圖1所示。

圖1制孔執(zhí)行器

　　2.1 切削運動單元

　　該單元的作用就是提供鉆孔需要的主軸轉(zhuǎn)動和進(jìn)給運動，主軸運動由—個交流伺服電機經(jīng)過皮帶輪帶動主軸頭來實現(xiàn)，主軸運動需要進(jìn)行速度控制；進(jìn)給運動由另外—個交流伺服電機經(jīng)皮帶輪帶動滾珠絲杠來實現(xiàn)，進(jìn)給運動需要進(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

　　壓緊單元采用氣動壓緊，由兩個汽缸驅(qū)動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)振動等作用，兩個汽缸由一個二位五通電磁閥實現(xiàn)壓緊松開控制。在系統(tǒng)中，我們采用PLC的輸出點發(fā)出信號，控制電磁閥，完成壓腳的壓緊和松開。同時還通過檢查汽缸的行程開關(guān)實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)拍保護(hù)，榆測壓腳是否壓緊與松開，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，氣缸行程開關(guān)，進(jìn)給行程開關(guān)。力傳感器的作用是實時反應(yīng)鉆削力變化，并通過分析力的變化來得到刀具磨鈍等信息。氣缸行程開關(guān)來限制氣缸的行程，進(jìn)給的前行程開關(guān)用來防止超程，后限位開關(guān)作為原點開關(guān)。我們利用PLC的輸入點來采集開關(guān)信號，通過PLC編程實現(xiàn)具體的運動控制，采用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實時采集力傳感器信號用于系統(tǒng)控制。

3 制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　為了實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、報警顯示等人機交互功能，系統(tǒng)采用基于PC機和PLC的控制方案，這樣可以由PC強大的人機交互能力來彌補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，完成數(shù)據(jù)顯示儲存，切削參數(shù)修改下載、警報顯示等功能；PLC作為下位機，完成信號采集、運動控制、警報輸出等功能。

　　3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.2.1 系統(tǒng)組成

　　該系統(tǒng)由輸入、控制運算、輸出、通信四部分組成。

　　(1)輸入部分：包括按鈕輸入和信號檢測。操作按鈕由人工輸入，完成切換工作模式，系統(tǒng)啟動停止，急停輸入等操作。信號檢測則是通過系統(tǒng)的傳感器來檢測系統(tǒng)的運行情況，出現(xiàn)異常，報警輸出并停機。

　　(2)控制運算部分：由PLC實現(xiàn)，由控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件來完成信號的輸入、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)警報輸出，電機伺服、警報復(fù)位等。

　　(4)上位機和下位機通信部分：完成．上位機和下位機的數(shù)據(jù)交互，完成數(shù)據(jù)顯爾儲存，切削參數(shù)修改下載、警報顯示等。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個開關(guān)輸入量，18個開關(guān)輸出量。根據(jù)輸入輸出信號的數(shù)量、類型和控制要求，同時按照I／O點數(shù)20％～30％的備用量原則舊，系統(tǒng)選用了三菱FX2N-64MT型號的PLC作為控制核心，有32個輸入點和32個輸出點。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—個電氣控制柜。PLC，變壓器，各種繼電器，主軸和進(jìn)給電機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 下位機程序設(shè)計

　　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)機械流程來進(jìn)行順控設(shè)計的輸入方法，這種方法的優(yōu)點是按照機械動作來進(jìn)行程序流程設(shè)計。在運動控制中優(yōu)點突出，利用步的概念來設(shè)計程序使我們把注意力集中在活動步中，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)計思想，編寫了三種工作模式：自動模式、手動模式、回零模式，三種模式的切換由—個轉(zhuǎn)換開關(guān)來完成。

　　整個系統(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)給運動控制模塊、警報處理顯示模塊。

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

　　(2)壓腳控制：根據(jù)時間順序和開關(guān)信號來控制電磁閥，從而控制氣缸來實現(xiàn)壓腳的壓緊和松開。

　　(3)壓緊力采集：由FX2N-4AD來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，待上位機去實時讀取。

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

　　(5)進(jìn)給運動控制：進(jìn)給電機驅(qū)動絲杠來實現(xiàn)進(jìn)給運動，使用FX2N-10PG脈沖輸H；單元來實現(xiàn)該電機的位置速度控制，通過輸出不同頻率和數(shù)每的脈沖完成電機的位置控制和速度控制。

　　(6)警報處理模塊：該模塊通過控制計算、信號采集等檢測系統(tǒng)出現(xiàn)的意外情況，給出相應(yīng)的報警并停機。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 上位機界面設(shè)計

　　在自動制孔執(zhí)行器的生產(chǎn)過程中，一些切削參數(shù)等需要現(xiàn)場調(diào)試，另外在，圭產(chǎn)過程中還需要實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。因此在整個程序設(shè)計中用事件驅(qū)動來向PLC發(fā)送數(shù)據(jù)，而采用定時讀取的方式來自動接收PLC傳過來的數(shù)據(jù)。在程序設(shè)計中，使用了多線程技術(shù)，一個線程負(fù)責(zé)PLC和計算機的數(shù)據(jù)通信，一個線程負(fù)責(zé)處理用戶界面信息和操作。選用VB．NET來編寫上位機的通信和控制軟件實現(xiàn)上位機和PLC之間的串行通信。下面具體介紹PLC和計算機之間的串行通信程序設(shè)計。

　　4.1 上位機和下位機通信協(xié)議

　　上位機與下位機采用編程口通信協(xié)議。利用VB．NET的serialPort控件實現(xiàn)|：位機與三菱FX2N系列PLC的通訊，F(xiàn)X2N系列PLC和工控機的通信是以主機發(fā)出初始命令，PIE對其做出響應(yīng)的方式進(jìn)行通信的。通信共有4種命令：讀命令、寫命令、強制置位和強制復(fù)位。通過這4種命令，上位機町實現(xiàn)對PLC的監(jiān)控和數(shù)據(jù)讀寫。上位機和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。其通信協(xié)議的幀格式，如表2所示。其中STX代表報文開始，CMD為命令類型，數(shù)據(jù)段包括命令對象和字節(jié)數(shù)，ETX代表報文結(jié)束，SUMH和SUML為校驗和的高位及低位。利用該協(xié)議編寫PLC通信程序，可以實現(xiàn)PLC的系統(tǒng)開關(guān)量置位和復(fù)位，數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)的讀取與寫入。

　　4.2 界面功能簡介

　　上位機監(jiān)控界面采用VB．NET編寫，在該控制界面完成制孔執(zhí)行器系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、手動單步操作、力傳感器曲線圖繪制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、警報內(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)運行相關(guān)的一些可變量，比如主軸電機的轉(zhuǎn)速，進(jìn)給電機的進(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時檢測一些系統(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、運行位置等。

　　(3)手動控制模塊：該模塊又可以分為三個部分，主軸電機控制、壓緊裝置部分控制、進(jìn)給運動控制。主軸電機控制可以手動調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，啟動停止；壓緊裝置控制叮以手動單獨控制電磁閥來驅(qū)動氣缸壓緊和松開；進(jìn)給電機控制部分則可以手動的選擇定位模式，調(diào)節(jié)進(jìn)給率、進(jìn)行點動操作、回零操作等。

　　(4)自動控制模塊：自動控制模塊則是在系統(tǒng)自動運行模式下可以控制系統(tǒng)開始鉆孔、停止等操作。

(5)輸入監(jiān)視模塊：這部分是自動定時監(jiān)視系統(tǒng)的各個開關(guān)量輸入，以便操作人員實時了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)，是否正常，以及當(dāng)系統(tǒng)發(fā)牛警報時及時發(fā)現(xiàn)故障原因。

　　(6)輸ff{監(jiān)視模塊：該模塊有兩個功能，一是監(jiān)視系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，以r解整個系統(tǒng)的運行情況，二是町以通過點擊來強制打開或斷開對應(yīng)端口，方便系統(tǒng)的調(diào)試，因此設(shè)定只有在手動模式下町以使用該功能。

5 結(jié)束語

　　設(shè)計并分析了用于飛機鋁合金、鈦合金以及疊層部件自動制孔的制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)過與機器人和制孔執(zhí)行器的聯(lián)合調(diào)試，整套系統(tǒng)運行良好，各項功能達(dá)到了預(yù)先設(shè)計目標(biāo)，系統(tǒng)連續(xù)無故障時問超過24小時?？锥ㄎ痪葹椤?.3mm，重復(fù)定位精度為±0.2mm，制孔效率可達(dá)4個/min。極大的提高了飛機部件自動制孔的效率和裝配質(zhì)量。