基于LabVIEW的錐罩裝配控制系統(tǒng)設(shè)計

高振銘 朱祥龍 康仁科 董志剛 方 軻

(大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連116024)

錐罩位于空空導(dǎo)彈的頭部，既有保護導(dǎo)引頭天線的作用，又是導(dǎo)彈整體不可或缺的一部分。在導(dǎo)彈飛行過程中,錐罩既要承受惡劣的高溫高壓環(huán)境，還要滿足信號傳輸、良好的電磁特性等電性能要求。錐罩由頭錐和連接環(huán)組成，頭錐材料通常選用石英陶瓷，連接環(huán)材料選用與石英陶瓷熱膨脹系數(shù)相近的殷鋼，由于陶瓷與金屬之間無法采用鉚接等連接方式，所以一般采用膠粘的方法進行頭錐與連接環(huán)的連接[1-2]。粘接的技術(shù)難點在于，要保證頭錐和連接環(huán)之間的同軸度以及裝配前后特定截面處的徑向跳動，且要保證膠能均勻地分布在連接環(huán)與頭錐之間，避免劇烈震動情況下金屬與陶瓷接觸造成頭錐碎裂。

目前工作現(xiàn)場多采用臥式粘接的方法，如圖 1所示，現(xiàn)有設(shè)備憑借工人經(jīng)驗進行手動粘接，所采用的測量方式為千分表接觸式測量，運用定位塊來確定粘接位置，整個粘接流程需要多次取下和裝夾，過程較為繁瑣，整個過程需要4 h左右，生產(chǎn)效率底下，而且精度較低。

為了保證頭錐和連接環(huán)的自動化裝配及測量要求，筆者所在團隊設(shè)計出一種定位精度高，能夠自動化完成裝配測量的設(shè)備。該設(shè)備主要用于頭錐和連接環(huán)的粘接裝配，具有頭錐和連接環(huán)的自動化裝配，裝配前后錐罩特定截面處徑向跳動的測量以及測量數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲功能。

1 控制需求及系統(tǒng)設(shè)計

1.1 控制需求

錐罩裝配設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖如圖 2所示，設(shè)備總體分為2個工位，共用1個測頭，可同時粘接兩發(fā)錐罩。連接環(huán)放置在定位座上，采用氣缸帶動定位座下壓將連接環(huán)定位夾緊，頭錐通過定位頭和定位盤進行定位，通過真空泵將頭錐內(nèi)部抽真空形成負(fù)壓，將頭錐壓緊在定位頭和定位盤上，每個工位具有升降和旋轉(zhuǎn)功能，以便于進行粘接和測量跳動。非接觸式同軸激光位移測頭固定在兩工位中間位置，由于需要測量2個工位的多個截面，所以測頭需要具有升降、旋轉(zhuǎn)、平移功能，同時將信號傳輸?shù)焦た貦C進行處理。由于產(chǎn)品較為貴重，除去主要功能外，錐罩裝配設(shè)備還需具有三色燈報警功能、氣壓監(jiān)控功能和急停功能等。

綜上所述，錐罩裝配設(shè)備為七軸聯(lián)動設(shè)備，且具有非接觸式測控功能，針對錐罩裝配設(shè)備的上述運動和測控需求，提出對電氣控制系統(tǒng)的要求。包括:

(1)系統(tǒng)擁有自動裝配模式和手動操作模式，各軸運動速度，加速度和減速度均可根據(jù)生產(chǎn)需求調(diào)整，運動速度波動范圍小于5%，重復(fù)定位誤差小于0.001 mm。

(2)裝配生產(chǎn)過程中測頭可以準(zhǔn)確、精確地輸出數(shù)據(jù)，并將測試數(shù)據(jù)上傳到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可自動計算出所測截面跳動度并和截面跳動的實際二維圖形一起顯示在軟件當(dāng)中，判斷數(shù)據(jù)是否合格，提供異常報警。測試完畢后，形成記錄表格自動存儲在計算機上。

(3)擁有可擴展IO口進行輸出與輸入。

(4)充分考慮操作人員及產(chǎn)品的安全性，避免設(shè)備故障或操作人員誤操作等導(dǎo)致人身和產(chǎn)品受到傷害。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

錐罩裝配控制系統(tǒng)采用“IPC-運動控制卡”作為核心控制部件，IPC作為上位機通過觸摸顯示屏與用戶進行人機交互，運動控制卡作為下位機通過端子板連接驅(qū)動器對7個電機進行控制。每個端子板帶有24個IO接口，能夠滿足控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入輸出的需求，同時IPC帶有RS232串口，可以直接接收同軸激光位移傳感器信號，不用增加數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，避免A/D轉(zhuǎn)換誤差。

控制系統(tǒng)組成如圖 3所示，其中，轉(zhuǎn)臺1、升降模組1控制左工位頭錐與連接環(huán)的旋轉(zhuǎn)和升降。轉(zhuǎn)臺2、升降模組2控制右工位頭錐與連接環(huán)的旋轉(zhuǎn)和升降。旋轉(zhuǎn)電機、平移模組和升降模組3控制測頭旋轉(zhuǎn)、平移和升降。真空氣路和壓縮空氣氣路的通斷通過4個兩位三通電磁閥連接繼電模組進行控制。控制系統(tǒng)通過端子板上8個OUT口決定繼電模塊對應(yīng)電路的通斷從而間接控制真空電磁閥1、壓縮空氣電磁閥1、真空電磁閥2、壓縮空氣電磁閥2、三色燈紅色、綠色、黃色和蜂鳴的工作狀態(tài)。氣壓傳感器將氣壓值顯示在真空度顯示屏上，當(dāng)氣壓低于設(shè)定值時，將通過運動控制卡IN端口向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，軟件進行相應(yīng)的報警。每根運動軸配有兩個NPN型限位開關(guān)和一個NPN型零點開關(guān)，當(dāng)?shù)竭_限定位置時，限位開關(guān)通過端子板LIM端口向控制系統(tǒng)發(fā)送高電平，系統(tǒng)停止對應(yīng)軸運動。當(dāng)需要復(fù)位時，對應(yīng)軸運動到零點開關(guān)位置，零點開關(guān)通過端子板ORG端口向控制系統(tǒng)發(fā)送高電平，系統(tǒng)停止對應(yīng)軸運動，同時運動脈沖記錄清零。急停開關(guān)連接端子板EMG端口，當(dāng)急停開關(guān)被按下時EMG口導(dǎo)通，系統(tǒng)停止一切工作，同一設(shè)備僅需連接一個ENG端口即可急停7根軸。所采用的升降模組電機為57步進兩相電機，最小步距角為1.9°，驅(qū)動器帶細(xì)分功能，采用2細(xì)分驅(qū)動，即最小步距角為0.9°，絲杠為單頭，導(dǎo)程為6，所以理論最小微動位移為0.015 mm，滿足生產(chǎn)中最小微動位移為0.05 mm的要求。

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件架構(gòu)

錐罩裝配控制系統(tǒng)軟件以LabVIEW為開發(fā)語言，調(diào)用研華通用運動API架構(gòu)進行控制[3]。軟件層次組成如圖 4所示，根據(jù)實際生產(chǎn)需要，控制系統(tǒng)軟件在登錄界面具有身份驗證的功能，用戶輸入正確的用戶名和密碼后，可以獲得相應(yīng)的身份和操作權(quán)限，執(zhí)行進一步操作。軟件使用ACCESS數(shù)據(jù)庫儲存用戶登錄信息，采用LabSQL工具包實現(xiàn)對ACCESS數(shù)據(jù)庫的增刪改查。用戶經(jīng)過身份驗證可分為管理員與操作員，操作員可以進行頭錐和連接環(huán)的粘接工作，訪問自動界面，手動校準(zhǔn)界面，檢測界面，管理員可以訪問設(shè)置界面，對人員以及各項參數(shù)進行設(shè)置。自動界面為主要工作界面，在工作的過程中產(chǎn)生的測量結(jié)果均會自動顯示在軟件界面上，并自動將測量數(shù)據(jù)保存為EXCEL表格存儲在IPC特定位置中。操作員也可以在手動界面調(diào)整測頭的升降、旋轉(zhuǎn)和平移位置，調(diào)整兩個工位的升降高度和旋轉(zhuǎn)角度，并控制真空的通斷。在檢測界面，用戶可以將粘接好的錐罩放到任意工位進行檢測特定截面的徑向跳動[4-6]。

控制系統(tǒng)軟件采用GUI Design Studio設(shè)計多個友好的人機交互界面，如圖 5所示，每個組成界面相對統(tǒng)一，美觀大方。界面分工清楚，操作簡單，充分考慮操作的便利性和安全性問題。

2.2 信號采集與處理

c=xmax-xmin

(1)

(2)

同理，Y坐標(biāo)為：

(3)

此時，(Xn,Yn)即為對應(yīng)點xn的X、Y坐標(biāo)，將坐標(biāo)標(biāo)記在XY圖控件當(dāng)中即可生成跳動的實際二維圖像。

3 誤差分析

對同軸激光位移傳感器的工作狀態(tài)下的誤差進行分析，由于傳感器本身的輸出信號為數(shù)字量信號，工控機通過RS232串口直接進行采集，所以不存在A/D轉(zhuǎn)換誤差。考慮到各零件加工裝配過程中不可避免的存在加工和裝配誤差，所以最大的誤差來源在于激光與錐罩回轉(zhuǎn)軸線不在同一平面內(nèi)所造成的偏離，在此分析此種偏離對整體測量的誤差影響[7]。

以O(shè)為圓心的兩個同心圓代表頭錐自身的跳動公差帶，如圖 8所示，此時考慮激光與錐罩回轉(zhuǎn)軸線不在同一平面的情況，最關(guān)鍵的在于找到激光偏離的表征量，此時過圓心O做激光的垂線OC，以O(shè)C為激光偏離的表征量，記為L。OA代表公差帶的內(nèi)徑，OB代表公差帶的外徑，用r與R來表示。

此時理論公差值：

c=R-r

(4)

實測公差值：

AB=CB-CA

(5)

此時偏差率為：

(6)

(7)

(8)

將式(7)、(8)代入到式(5)中可得：

(9)

將式(9)代入到式(6)中可得：

(10)

由工藝要求可知，c最大要求為0.15，根據(jù)產(chǎn)品情況R取50，r取49.85，將其代入式(10)，可得偏差率E與激光偏離表征量L之間的函數(shù)關(guān)系，做函數(shù)圖像如圖 9所示。

由圖9可知，當(dāng)偏移量L達到15 mm時，所測結(jié)果與理論值的偏差率僅為5%，而實際安裝中，激光偏移量不超過5 mm，所以測量方法和結(jié)果可靠，有效保證了測量精度。

4 結(jié)語

在錐罩裝配控制系統(tǒng)中，上位機IPC通過對下位機運動控制卡的控制，實現(xiàn)了7根軸之間的聯(lián)動和測量數(shù)據(jù)的采集處理。各電機之間協(xié)同工作，互不干涉，測量功能、運算功能、存儲功能之間相互聯(lián)系，互不干擾。在軟件上，基于LabVIEW和研華通用運動API架構(gòu)編寫控制系統(tǒng)，并運用GUI Design Studio設(shè)計友好的人機交互界面。通過控制系統(tǒng)軟硬件的結(jié)合實現(xiàn)錐罩的自動測量裝配功能，裝配時間縮短到0.5 h，與原有手動裝配方式相比，效率提升了8倍，極大地提高了生產(chǎn)能力。