基于運(yùn)動(dòng)控制卡的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體絕熱層打毛控制系統(tǒng)*

李芳昕 梁世盛 袁定新 趙維剛 郭立杰 程 歡

(①上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245；②上海航天工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，上海 200245；③上海航天動(dòng)力技術(shù)研究所，上海 201109)

固體發(fā)動(dòng)機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、絕熱層、推進(jìn)劑藥柱組成。絕熱層鋪設(shè)有絕熱非金屬材料，為了增強(qiáng)絕熱非金屬材料與推進(jìn)劑藥柱的吸附強(qiáng)度，需將絕熱層非金屬材料進(jìn)行打毛，以增大兩者間的接觸面積與摩擦力。目前主要的加工方式為人工打毛，不僅加工效率低、打毛不均勻，且工作環(huán)境惡劣，非金屬粉末對(duì)人體傷害大。

本文通過(guò)分析了打毛裝備的工作原理，設(shè)計(jì)了一種基于多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和LabVIEW的自動(dòng)打毛控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)打毛設(shè)備的手動(dòng)調(diào)試與自動(dòng)加工，對(duì)打毛工藝數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，并且可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工狀態(tài)和各軸的運(yùn)動(dòng)位置，對(duì)加工中意外出現(xiàn)的斷點(diǎn)具有保存功能，能從斷點(diǎn)處繼續(xù)加工。該打毛設(shè)備不僅可以提高打毛質(zhì)量與打毛效率，且可降低人工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 打毛裝備結(jié)構(gòu)及動(dòng)作流程

1.1 打毛裝備結(jié)構(gòu)

打毛裝備主要由打毛機(jī)主體機(jī)床、打毛末端執(zhí)行器、電氣控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

打毛機(jī)床主體主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝夾、支撐、回轉(zhuǎn)以及打毛末端執(zhí)行器的進(jìn)給。打毛末端執(zhí)行器主要實(shí)現(xiàn)打毛刀具的旋轉(zhuǎn)。電氣控制系統(tǒng)主要對(duì)系統(tǒng)的電、氣進(jìn)行混合控制，實(shí)現(xiàn)各軸及各開(kāi)關(guān)信號(hào)的協(xié)調(diào)動(dòng)作。

1.2 動(dòng)作流程

該設(shè)備主要由4個(gè)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元組成，分別為：①筒體旋轉(zhuǎn)；②大拖板進(jìn)給；③小拖板進(jìn)給；④打磨頭旋轉(zhuǎn)。

自動(dòng)打毛過(guò)程如圖2所示。

打毛過(guò)程中各執(zhí)行單元的速度與位置均可在打毛工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元的速度變化，一旦發(fā)生異常，則系統(tǒng)報(bào)警，氣缸縮回，所有運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元停止，打毛程序結(jié)束。之后再手動(dòng)操作各運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元回到零點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)硬件

自動(dòng)打毛控制系統(tǒng)是自動(dòng)打毛裝備的控制中樞，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體絕熱層打毛技術(shù)指標(biāo)要求，該控制系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

(1)打毛通用性，適應(yīng)多種不同直徑與長(zhǎng)度的殼體的打毛。

(2)能對(duì)加工過(guò)程中各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并當(dāng)發(fā)生故障時(shí)能立即報(bào)警停機(jī)。

(3)能對(duì)異常故障點(diǎn)進(jìn)行記錄，并能從故障處繼續(xù)加工。

(4)對(duì)打毛刀具壽命進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到壽命時(shí)有提示功能。

(5)人性化的人機(jī)交互界面，便于工人操作以及管理員調(diào)試。

通過(guò)對(duì)以上要求的分析，搭建控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，也是該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)最主要的部分[1-2]。運(yùn)動(dòng)控制卡采用“通用運(yùn)動(dòng)架構(gòu)”的軟件架構(gòu)，該軟件架構(gòu)包括三層：設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、整合層、應(yīng)用層。用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的所有 API 都可從整合層的ADVMOT.DLL (為用戶提供的一個(gè)通用接口)獲取，所有操作通過(guò)調(diào)用通用運(yùn)動(dòng)架構(gòu)API完成。本項(xiàng)目采用LabVIEW為軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在Windows操作系統(tǒng)上對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能[3]。軟件架構(gòu)如圖4所示。

裝載LabVIEW的工控機(jī)作為上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多軸運(yùn)動(dòng)的位置、速度等參數(shù)的設(shè)定，完成對(duì)人機(jī)交互界面的管理、信息顯示和預(yù)處理等非實(shí)時(shí)處理任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制卡作為下位機(jī)，接收來(lái)自上位機(jī)的控制信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制算法，并根據(jù)作業(yè)的要求和傳感器的信號(hào)進(jìn)行必要的邏輯/數(shù)學(xué)運(yùn)算，為各執(zhí)行單元提供正確的控制信號(hào)以完成所要求的多軸運(yùn)動(dòng)，且可向上位機(jī)實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的位置、速度等參數(shù)，以便在上位機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)控[4]。

3.2 功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三大主要功能：打毛通用性；斷點(diǎn)繼續(xù)；刀具壽命檢測(cè)與設(shè)定。

3.2.1 打毛通用性

建立LabVIEW工藝數(shù)據(jù)庫(kù)[5]，將不同型號(hào)殼體的打毛工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，在自動(dòng)加工開(kāi)始前，將工藝參數(shù)調(diào)出。工人可通過(guò)操作界面對(duì)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加和刪除。如圖5所示。

3.2.2 斷點(diǎn)繼續(xù)

建立斷點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，在自動(dòng)打毛過(guò)程中每隔0.1 s記錄一次小拖板的位置，再次自動(dòng)加工前，訪問(wèn)斷點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中小拖板的位置信息，若存在非零的位置信息，則修改打毛工藝中小拖板的快進(jìn)位置，使小拖板直接快進(jìn)到斷點(diǎn)處。流程如圖6所示。

3.2.3 刀具壽命設(shè)定

不同材質(zhì)刀具具有不同的使用壽命，建立刀具壽命與打毛時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)，將連續(xù)打毛時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)記錄。在自動(dòng)加工開(kāi)始前，將打毛時(shí)間與刀具壽命數(shù)據(jù)庫(kù)中的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，若超出了設(shè)定好的壽命時(shí)間，則進(jìn)行提醒更換刀具。流程如圖7所示。

3.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面包括兩部分：操作區(qū)和監(jiān)視區(qū)。操作區(qū)包括3個(gè)功能模塊：參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)模式、自動(dòng)模式。操作區(qū)各功能模塊的作用如下：

參數(shù)設(shè)置：用于設(shè)備開(kāi)機(jī)的一些操作，以及對(duì)手動(dòng)模式與自動(dòng)模式一些參數(shù)的設(shè)置。

手動(dòng)模式：操作設(shè)備單軸點(diǎn)動(dòng)以及回零。

自動(dòng)模式：自動(dòng)打毛。

監(jiān)視區(qū)作用：監(jiān)視設(shè)備以及各軸狀態(tài)。

主界面、參數(shù)設(shè)置界面、手動(dòng)界面、自動(dòng)界面如圖8～11所示。

4 結(jié)語(yǔ)

自該控制系統(tǒng)投產(chǎn)以來(lái)，一直處于高效、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，操作工人反響良好，充分驗(yàn)證了基于多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體絕熱層打毛控制系統(tǒng)是性能可靠的控制系統(tǒng)，其控制效果已達(dá)到了發(fā)動(dòng)機(jī)殼體絕熱層打毛技術(shù)指標(biāo)要求。系統(tǒng)不僅自動(dòng)化程度較高，而且操作簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)，具有較高的推廣價(jià)值和發(fā)展前景。

[1]史媛. 基于LabVIEW的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué), 2012.

[2]熊先鋒, 邢繼峰, 左洪波,等. 普通運(yùn)動(dòng)控制卡在LabVIEW平臺(tái)上的應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006, 22(31):139-141.

[3]趙敏. 基于LabVIEW的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[D].太原：中北大學(xué), 2014.

[4]高瑞, 苗長(zhǎng)云, 王中偉. 基于LabVIEW的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 27(6):58-61.

[5] 楊樂(lè)平，李海濤，等.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.