專用機床控制裝置的研究與設計

范紅，陸建軍，仲秋，許興旺

1. 江蘇省鹽城技師學院 江蘇鹽城 224002

2. 江蘇恒力組合機床有限公司 江蘇鹽城 224055

1 序言

大型飛機零件加工精度直接影響到飛機的使用壽命及安全。目前，國內小型零件加工技術已有較大發展，但是大型零件加工還存在很多技術難題。大型零件尺寸大、結構復雜，給定位和加工帶來很大難度。針對上述大型零件存在的問題，設計了在線控制裝置。該控制裝置借助數字化測量技術，在構建飛機全局坐標系的基礎上，實現了對數控定位器和零件測量點的數字化測量，提高了零件的定位精度、加工精度和加工效率。

2 組合機床控制裝置架構

組合機床控制裝置主要由激光跟蹤儀、840Dsl數控系統、伺服電動機、工業PC機、以太網、現場總線、調姿和加工系統等組成（見圖1）。

圖1 組合機床控制裝置架構

（1）激光跟蹤儀 激光跟蹤儀系統主要由跟蹤頭、控制箱、工業PC機、靶球、靶標和其他測量附件等組成。垂直安定面調姿和加工過程中需要測量的調姿基準點較多，通過人工引光的方式進行測量，工作量大、效率低，為此研究基于三維模型的激光跟蹤儀自動跟蹤測量。測量方法：首測時采用人工測量，初次調姿完成后基于垂尾的數字模型獲取調姿基準點在全機坐標系下的理論坐標；然后利用激光跟蹤儀提供的二次開發接口，驅動激光跟蹤儀在空間搜索區域內自動搜索靶球，實現基準點自動復測。由于制造和安裝的誤差，基準點的實際坐標和理論值會有偏差，因此需要設定以基準點為搜索中心的搜索區域。使用通信接口程序來實現工業PC機與跟蹤儀之間的通信問題，實現激光跟蹤儀自動測量功能。當通信連接建立后，設置測量的有關參數，主要包括測量方式、數據采集頻率和環境參數等。

（2）840Dsl數控系統 組合機床的調姿和加工系統共用一套西門子840Dsl數控系統，通過SPL安全邏輯程序來執行安全功能邏輯，同時也可將第二編碼器（光柵尺等）或伺服電動機編碼器作為安全編碼器，完成組合機床的伺服裝置電路連接、在機測量等狀態監控。840Dsl數控系統都有雙通道檢測功能，SPL程序同時在PLC和NC兩系統內執行，實時同步監控檢測，如果發現PLC和NC的信號狀態不一致，數控系統立即產生報警，伺服軸安全停止并切斷伺服轉矩輸出和伺服使能。另外，按照相關數控機床安全規定要求，每間隔8h，數控系統自動進行安全功能測試，確保組合機床的絕對安全性能。

（3）現場總線和工業以太網 現場總線主要是為現場一級設備作控制用，各個現場控制點（例如繼電器、變頻器、傳感器、控制閥和執行機構等）之間是以網絡形式連接的，與控制設備的聯系卻是點對點的，即控制設備必須通過大量I/O接口與各個現場控制點聯系，可以在任意位置上與控制設備通信。現場總線主要應用于實時性、數據傳送可靠性要求高的場合。

隨著IT技術的飛速發展，工業以太網在工業自動化控制中應運而生，由于一直存在數據通信實時性、可靠性以及網絡阻塞等問題，所以主要應用在車間級及工廠級上層網絡監控。在現場總線與工業以太網之間加一個網關（通常是一個串口服務器），則現場總線的數據就可以進入工業以太網，可以和電腦進行通信，對現場總線的數據進行分析或人工干預。工業以太網是采用共享現場總線型傳輸媒體方式的局域網，能接入控制器、智能現場傳感器和測控儀表等，在網絡運行過程中對系統實時采集數據。

（4）伺服電動機 組合機床各軸和調姿系統各模塊都由伺服電動機驅動，均采用閉環伺服控制。閉環伺服是反饋控制，由于反饋測量裝置精度高，所以環內各元件的誤差和運動中造成的誤差都能給予補償。

（5）工業PC機（Industrial Personal Computer） 采用現場總線結構，完成對激光跟蹤儀自動測量、數據輸入、軟件核心算法、仿真、結果輸出、生產過程，以及機電設備和工藝裝備進行檢測與控制的計算機。

3 垂直安定面控制裝置工作流程

組合機床控制裝置主要具有位姿計算、軌跡規劃、調姿仿真和加工過程仿真、支撐夾緊機構控制、調姿機構運動控制、支撐夾緊機構和調姿機構的診斷/維護/報警/監控、刀具和測頭運動控制以及刀具和測頭運動的診斷/維護/報警/監控等功能。組合機床控制裝置工作按先后順序分為5部分：平臺初始化、自動調姿、人工調姿、夾緊和加工（見圖2）。

（1）平臺初始化 首先將調姿平臺初始化，垂直安定面（圖2中簡稱垂尾）上架；輸入理論數據和下架數據，若下架數據不滿足精度要求，查看是否輸入錯誤，是輸入錯誤則重新準確輸入數據；非輸入錯誤則返回上一工序；若下架數據滿足精度要求，將下架狀態的位姿設為目標位姿。其次將測量系統初始化，測量初始位置的工藝基準點，計算初始位姿和位姿變換參數。

圖2 垂直安定面控制裝置工作流程

（2）自動調姿、人工調姿和夾緊 規劃調姿軌跡，進行調姿過程仿真（離線仿真），查看仿真過程是否有碰撞干涉。若仿真過程有干涉，重新進入調姿軌跡規劃；若仿真過程無干涉，進入后置處理，生成調姿程序，執行調姿程序。調姿程序執行后，復測工藝基準點，查看是否滿足調姿精度要求；工藝基準點滿足要求則調姿結束，夾緊工件送進加工區域；如果工藝基準點不能滿足調姿精度要求，計算當前位姿和位姿變換參數，判斷是否滿足人工調姿要求。如果不滿足人工調姿要求則重新進入調姿軌跡規劃；若滿足人工調姿要求，生成定位器位移量指導人工調姿，人工調姿完成后，復測工藝基準點，判斷是否滿足調姿精度要求。若滿足則調姿結束，夾緊送進加工區域；若不滿足調姿精度要求，計算當前位姿和位姿變換參數，生成定位器位移量指導人工調姿。人工調姿完成后，復測工藝基準點，再判斷是否滿足調姿精度要求，若滿足則調姿結束，夾緊送進加工區域。

（3）加工 使用在機測頭找正垂直安定面的位置，編制在機測量程序并進行余量評估，執行在機測量程序，測量數據分析和計算加工余量，編制加工程序，執行加工程序，垂直安定面最終檢測，進行加工質量評價，滿足加工精度要求則結束下架；不能滿足加工精度要求時進行誤差分析。

4 結束語

本次針對在組合機床上精加工垂直安定面的控制裝置的設計，解決了過多依賴操作人員技能的問題，減少了機床停機時間。通過自動修正偏置值進行序中工件測量，提供過程反饋，減少不確定因素的影響，不僅提高了零件的定位精度和加工精度，省去定位、調整和安裝等生產輔助時間，而且減少了測量過程中產生誤差的可能性。該控制裝置的設計，既提高了機床的生產力和批量產品尺寸的靈活性，降低了廢品率，又滿足了用戶對零件的加工精度要求和生產使用要求。