基于工藝數據驅動的工藝裝備自動控制技術

李洲洋，谷文韜，郝 丁，李旭東，李時威

LI Zhou-yang1,GU Wen-tao1,HAO Ding2,LI Xu-dong2,LI Shi-wei3

（1. 西北工業大學 機電學院，西安 710072；2. 首都航天機械公司，北京 100076；3. 北方光電股份有限公司，西安 710043）

0 引言

工藝裝備（簡稱工裝）是火箭、飛機等大型復雜產品制造所必不可少的保障條件和重要組成部分，是保證產品制造過程中各零部件間的協調與互換，乃至最終產品質量的重要依據。工裝的運動精度和自動化程度對于產品質量和制造周期具有決定性的作用[1,2]。目前，工裝仍以手工作業或人工控制為主，以模擬量傳輸協調各工藝流程，對工裝的定位精度和運動精度缺乏精確的數字化控制，精度差，生產效率低。低效的工裝設備已經成為制約新產品快速研制和生產的巨大障礙。如何提高工藝裝備的運動精度和自動化程度，保證產品質量，縮短產品制造周期，已經成為制造企業迫切需要解決的問題。

為提高大型復雜產品的生產效率，保證產品質量，國內外的許多專家進行了大量的研究，研制了許多的自動化工裝。目前，國外大型飛機制造公司生產和裝配中普遍采用由計算機控制的數字化自動工裝系統，如波音717的飛機裝配移動生產線；F35飛機大部件自動化對接系統；空客的機翼壁板柔性裝配系統等[1～8]，大幅提高了產品質量和生產效率，縮短了生產周期。而國內飛機、火箭等大型復雜產品的工藝裝備仍采用手工或半自動控制方式，主要以模線、樣板及專用定位夾緊器[1]等模擬量作為產品制造和協調的依據。對于工裝自動化技術的研究主要集中在產品裝配過程的數字化仿真及柔性工裝等理論研究方面[8～12]，對于工裝自動控制技術的研究尚處于起步階段。

為提高工裝的自動化水平，本文通過對飛機、火箭等大型復雜產品制造過程及工藝數據的分析，建立面向復雜產品的工藝信息模型。采用數字化驅動及控制技術，研究基于數據驅動的工裝自動控制技術，構建基于工藝數據驅動的工裝自動控制體系，實現工藝裝備的自動化控制，有效提高工裝運動精度。

1 基于工藝數據驅動的工裝自動控制體系

在產品制造過程中，工人依據工藝文件對工裝進行控制、調節和定位，然后進行產品的生產和裝配。由此可知，工藝數據是工裝運動和控制的基礎和數據源頭。因此，通過對工藝數據的分析，建立面向工裝自動控制的工藝信息模型。以工藝數據為源頭，研究基于工藝數據的工裝自動控制技術，構建基于工藝數據驅動的工裝自動控制體系，實現工裝的自動化和數字化控制，有效提高運動精度和生產效率，保證產品質量。基于工藝數據驅動的工裝自動控制體系如圖1所示。

傳統的工藝信息模型僅包含了工藝及相關的產品信息，而缺少有關工裝信息的詳細描述。為了對工藝裝備進行控制和管理，對傳統的工藝信息模型進行擴展，加入所需的工裝信息，如工裝的類型、工裝的驅動方式、工裝的運動維度、工裝運動范圍等信息，以及工裝的各種驅動設備信息，如驅動的類型、驅動的方式、運動的形式、運動的速度、驅動力或力矩、運動精度等信息。基于該工藝信息模型，工藝人員在進行工藝文件的編制時，需要指定工裝的類型、運動模式、所需要的關鍵位置控制點或運動參數等信息，并將工藝文件統一存入數據庫中。

在產品生產加工時，基于工裝控制管理系統可從工藝數據庫中獲取工藝信息，并從工藝信息中提取工作流程、工裝類型、工裝的運動模式、關鍵位置及運動參數等數據。在此基礎上，運動控制模塊依據工裝的類型及運動參數發出運動控制命令，經運動控制器轉換后形成運動控制信號，驅動工裝運動，并對運動過程進行控制。運動檢測模塊通過檢測來自數據采集調理模塊采集的傳感器信號，可實時獲取工裝的運動狀態及運動參數信息，并將運動參數作為反饋信息提供給運動控制模塊。當工裝到達所設定的預定位置時，運動控制模塊可通過運動控制器鎖定工裝位置。工人可基于工裝的當前位置進行產品的生產或裝配。基于工藝數據驅動的工裝自動控制體系的關鍵在于建立面向工裝自動控制的工藝信息模型以及基于數據驅動的工裝自動控制技術。

2 面向工裝自動控制的工藝信息模型

作為工裝運動和控制的基礎和數據源頭，工藝信息必須包含各種工裝信息，以及工裝驅動設備的各種控制參數、運動參數等信息。為此，通過對產品制造過程及工藝數據與工裝關系的分析，建立面向工裝自動控制的工藝信息模型，以滿足工裝自動控制的需要。面向工裝自動控制的工藝信息模型如圖2所示。

圖2 面向工裝自動控制的工藝信息模型

該工藝信息模型包括面向工藝過程的工藝BOM（Process BOM,PBOM）信息以及工裝及驅動設備等資源信息。PBOM是信息模型的主體，它不僅包含了面向工藝設計階段的產品結構信息，還包含了產品中的每個零部件的工藝信息，如加工方法的設計、工序及工步的安排、工藝裝備的選取、機床設備的選擇和加工參數的設計等內容。資源信息包括了產品制造過程中需要的工藝裝備、機床設備、刀具、夾具、量具等輔具信息，以及用戶信息。

為了實現對工裝的自動控制，在傳統的工裝信息基礎上進行了擴展，不僅包含原有的工裝型號、名稱、狀態及所屬車間等基本信息，還對工裝的獨立運動維度、可選動作、運動范圍，以及每個獨立運動維度的驅動設備、設備類型、運動模式、控制策略、運動極限、驅動力矩以及運動精度等信息進行了詳細的描述。

在進行工藝編制時，工藝人員可基于資源信息選擇具體的工裝類型，并給出使用該工裝進行加工的具體步驟及詳細的運動參數信息，如每步加工時工裝的運動模式、運動速度、運動位置、運動精度等信息。在進行實際的生產加工時，工裝控制管理系統通過工藝信息可獲知工裝及其運動參數信息，并基于該信息實現對工裝運動的自動控制。

3 基于數據驅動的工裝自動控制技術

為實現基于工藝數據驅動的工裝自動控制，建立了基于數據驅動的工裝自動控制管理平臺，如圖3所示。該平臺包括數據層、功能層以及硬件層。

數據層包含面向工裝自動控制的工藝信息，該信息由工藝數據管理系統生成并存儲。管理平臺通過企業園區網絡讀取工藝信息，獲取工藝流程以及與流程相關的工裝信息及工裝運動參數，作為工裝自動控制的基礎數據。

功能層包括工裝運動控制、運動檢測、流程管理以及設備自檢等功能模塊。運動控制模塊可以實現工裝運動的位置控制、速度控制以及驅動力（矩）控制等多種運動控制方式。基于從工藝信息獲得的工裝運動參數，運動控制模塊可以按照參數要求對工裝運動的位置、速度以及驅動力等參數進行相應的調節和控制。此外，運動控制模塊還提供了自動控制和手動控制兩種模式，既可以實現工裝運動的自動控制，也可滿足工人隨時手工調整的需要。

圖3 基于數據驅動的工裝自動控制管理平臺

運動檢測模塊具有數據采集、數據校準及數據轉換等功能，可以通過系統總線實時接收來自數據采集調理模塊的各傳感器數據，對工裝的運動狀態進行實時檢測。數據采集模塊通過檢測來自數據采集調理模塊的各傳感器的數字量信號，然后由數據轉換和數據校準模塊按照各傳感器的參數特性對這些數據進行轉換和校準，以得到工裝的實際位移、速度等運動參數值，并將這些實際運動參數作為反饋數據提供給運動控制模塊。當工裝的運動參數達到工藝要求值時，運動控制模塊可對工裝的當前位置進行鎖定，以便工人進行生產加工。

硬件層包括安裝在工裝上的各種驅動設備、與各驅動設備相應的設備驅動器、運動控制模組，以及各種工裝運動狀態檢測傳感器、遠程變送器和數據采集調理模塊。

為驅動工裝進行運動，在工裝的各獨立運動維度處裝有驅動設備及傳動系統。驅動設備包括了電力驅動、汽壓驅動和液壓驅動等各種形式的動力源，以及設備運動所必須的離合器和制動器等裝置。傳動系統包括了齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動、摩擦傳動、連桿傳動、液壓傳動等各種運動機構，以實現對動力源輸出動力及運動的各種變換，如增力、增扭、增速、減速或換向等功能。為驅動各驅動設備工作，硬件層還配備了與各驅動設備相應的驅動器，如驅動電機工作的變頻調速器、伺服驅動器，以及驅動氣壓馬達或液壓馬達工作的比例伺服閥、分流集流閥等。運動控制模組包含各種能夠對工裝驅動設備進行控制的運動控制器。運動控制器接收來自功能層運動控制模塊的控制命令，如啟動、停車、快進等命令，并產生相應的控制信號發送到各驅動器；驅動器接收控制命令信號，并產生相應的驅動信號發送到驅動設備，如電壓信號、電流信號或是氣壓、液壓信號，驅動各驅動設備運動，從而實現對工裝運動的自動控制。

安裝于工裝各獨立運動維度處的傳感器可感知工裝運動狀態及運動參數的變化，并產生相應的電信號，上傳到數據采集調理模塊。若數據采集調理模塊與傳感器距離較遠，則需要配備遠程變送器，將傳感器的輸出信號變送到數據采集調理模塊，以防止信號的衰減和失真。數據采集調理模塊接收到傳感器信號后，對信號進行濾波、隔離、放大以及模數轉換處理，輸出數字量信號，并通過系統總線提供給運動檢測模塊，為工裝運動控制提供依據。當工裝運動到所設定的預定位置時，運動控制模塊可通過運動控制器及驅動器發送鎖定信號，驅動離合器及制動器動作，鎖定工裝位置。

此外，基于數據驅動的工裝自動控制管理平臺還包括了用戶管理和日志記錄功能。通過用戶管理功能可只允許有特定權限的用戶才能進入工裝控制管理系統進行操作。日志記錄功能則把有關的操作事件、操作用戶、操作時間及結果等信息記錄下來，統一存入日志文件，為產品質量檢驗、檢查提供基礎數據，實現操作過程的可追溯管理。

4 應用驗證

為滿足大型運載火箭研制和生產的需要，與航天某研究院聯合設計制造了某型火箭大型臥式鉚接型架。該鉚接型架主要包括床身、床頭及床尾三部分，如圖4所示。床頭固定于床身的一端。床身上裝有導軌，床尾安裝于導軌上。床尾裝有伺服電機及傳動系統，可沿導軌做直線運動，以適應不同長度火箭的生產需求。床頭和床尾上設有轉盤，轉盤由伺服電機驅動，可作整周轉動。轉盤可與火箭整體或某一段相連，并帶動火箭沿軸線進行旋轉，以調整火箭的位置，便于生產時的協調和裝配。在床尾及轉盤上裝有離合器及制動器，可實現床尾及轉盤任意位置的鎖定，滿足生產需求。此外，在導軌及轉盤上安裝有光柵尺位移傳感器，可對床尾及轉盤的位置進行精確測量。

圖4 臥式鉚接型架結構示意圖

基于該鉚接型架，依據本文所提出的工裝自動控制技術，構建了臥式鉚接型架管理與控制系統。該系統包括了工藝數據管理模塊以及工裝控制管理模塊。工藝數據管理模塊包含了工藝編輯以及工藝管理功能。基于工藝數據管理模塊，工藝人員可編制火箭加工工藝，并實現對不同系列火箭產品工藝的管理。如圖5所示為臥式鉚接型架工藝數據編輯界面。圖6所示為臥式鉚接型架工裝控制管理界面。工裝控制管理模塊可按照工藝流程，依據工藝數據所給定的工裝運動參數，驅動鉚接型架的床尾及轉盤進行運動，并可實現運動過程的實時精確控制。床尾的直線移動重復定位精度可達0.05毫米，轉盤的轉動重復定位精度可達到0.1分。

基于該大型臥式鉚接型架以及臥式鉚接型架管理與控制系統，可實現火箭生產過程中鉚接型架的數字化自動控制，提高了定位精度和生產效率，保證了產品質量，為大型火箭的研制生產提供有力的支持。

圖5 臥式鉚接型架工藝數據編輯界面

圖6 臥式鉚接型架運動控制界面

5 結束語

工藝裝備的自動化和數字化是制造企業現代化研究的重點內容。本文通過對產品制造過程及工藝數據與工裝關系的分析和研究，構建了基于工藝數據驅動的工藝裝備自動控制體系，建立了面向工裝自動控制的工藝信息模型，并在此基礎上研究基于數據驅動的工藝裝備自動控制技術，構建了基于工藝數據驅動的工裝自動控制管理平臺，實現了工裝運動控制的自動化和數字化，提高了工裝的運動精度，有效保證了產品質量。

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