基于PMAC的航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)設(shè)計

吳 玲

(西安交通工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，西安 710300)

0 引言

由于航空飛機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件多、剛度低等特點，特別是對大型飛機(jī)零部件進(jìn)行組裝時，易產(chǎn)生變形。航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝一般需要在分布式控制系統(tǒng)的約束下完成工裝任務(wù)，分布式控制系統(tǒng)是對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的計算機(jī)控制系統(tǒng)，由計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的一種把風(fēng)險分散，控制集中優(yōu)化的新型控制系統(tǒng)[1-2]。目前航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)數(shù)字化水平較弱，自動化程度較低，難以保證飛機(jī)裝配的效率和精度。

相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[3]設(shè)計的控制系統(tǒng)以SDN控制器作為執(zhí)行裝置，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)對航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝信號進(jìn)行分析，并生成對應(yīng)的控制信號，為系統(tǒng)的控制程序提供可靠的硬件支持。然而在實際的應(yīng)用過程中，該控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)位置和姿態(tài)控制誤差較大的問題。文獻(xiàn)[4]設(shè)計基于自動鉆鉚機(jī)的飛機(jī)柔性工裝技術(shù)，通過機(jī)身壁板特點與鉆鉚工藝相結(jié)合，縮短了生產(chǎn)周期，但系統(tǒng)姿態(tài)控制誤差較大。文獻(xiàn)[5]結(jié)合柔性模具技術(shù)與柔性數(shù)字化裝配系統(tǒng)，提高了柔性工裝的控制精度，但航空結(jié)構(gòu)件的磨損面積較大。

航空結(jié)構(gòu)件是航空飛行器中的重要組成部分，航空結(jié)構(gòu)件的自動化柔性工裝質(zhì)量直接影響航空飛行器的飛行安全水平。為降低系統(tǒng)位置和姿態(tài)控制誤差，減小航空結(jié)構(gòu)件的磨損面積，設(shè)計了基于PMAC的航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)。硬件設(shè)計中以PMAC運(yùn)動控制器為核心，執(zhí)行聯(lián)機(jī)指令，利用AIMC-2100-00A1E型工控機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，通過航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控定位器調(diào)整姿態(tài)，選用帶絕對值型編碼器的伺服電機(jī)控制速度，最后通過分布式通信網(wǎng)絡(luò)提升控制系統(tǒng)的模塊化程度，提高控制系統(tǒng)的精度。軟件部分通過航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)建基本模型，利用硬件系統(tǒng)中的定位器設(shè)備，確定航空結(jié)構(gòu)件的理論定位點，從工裝裝配力和移動位置兩個方面計算PMAC的控制量，在PMAC減小控制器的作用下將各個航空結(jié)構(gòu)件安裝在指定位置上，減小航空結(jié)構(gòu)件的磨損面積，實現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制。

1 航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制硬件系統(tǒng)設(shè)計

基于PMAC的航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制硬件系統(tǒng)設(shè)計整體組合框圖如圖1所示。

圖1 基于PMAC柔性工裝硬件系統(tǒng)的整體組合框圖

由圖1可知，PMAC運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)接收信號，將信號反饋給工控機(jī)，進(jìn)行人機(jī)交互后，采用航空結(jié)構(gòu)件定位器控制大零件的6個自由度的姿態(tài)，利用伺服電機(jī)控制提高整體控制精度，通過分布式通信網(wǎng)絡(luò)分散集群式通信網(wǎng)路的所有功能，提升控制系統(tǒng)的模塊化程度。以此完成基于PMAC的航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制硬件系統(tǒng)設(shè)計。

1.1 PMAC運(yùn)動控制器

在航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)中，控制器起著核心作用，通過對PMAC裝置的優(yōu)化，使PMAC裝置能夠接收來自編碼器、光柵尺、旋轉(zhuǎn)變壓器等電子部件的反饋信號，從而實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和交流電機(jī)的控制。PMAC運(yùn)動控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PMAC運(yùn)動控制器結(jié)構(gòu)圖

PMAC運(yùn)動控制器能夠執(zhí)行在線指令、動作指令和PLC指令。PMAC接收到聯(lián)機(jī)指令后，立即執(zhí)行，無需儲存，動作指令是存儲在緩沖區(qū)中的一套緩沖區(qū)，以“R”指令調(diào)用，其功能主要是控制電機(jī)的運(yùn)動、程序邏輯控制以及變量分配，而PLC的程序指令也是一套可以反復(fù)執(zhí)行的緩存指令，包括操作、邏輯控制、信息傳遞等。PMAC主要體現(xiàn)為PMAC-PC、PMAC-VME、PMAC-STD和PMAC-Lite四種不同的硬件形式，由于航空結(jié)構(gòu)件的柔性工裝具有一定的精度要求，因此控制器必須對4個軸線進(jìn)行控制，并要達(dá)到四軸聯(lián)動的目的，同時，由于系統(tǒng)中存在大量的輸入/輸出開關(guān)信號，因此，控制核心采用了PMAC運(yùn)動控制器中的IMAC-FX，并將PMAC運(yùn)動控制器嵌入到B′C型開放式NC中。借助DSP56001和數(shù)字信號處理器，實現(xiàn)PMAC運(yùn)動控制器1～8個軸的控制。

1.2 工控機(jī)

工控機(jī)以人機(jī)交互為主，包括PC端的主操作界面和手持式的操作界面。PC端向GMAS傳輸位置信息后，向GMAS發(fā)送指令，從而準(zhǔn)確地定位定位儀。并對其運(yùn)行狀態(tài)、安全狀態(tài)、電氣系統(tǒng)狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控。手持式操作臺是PC機(jī)的輔助設(shè)備，它的主要功能是對定位儀進(jìn)行微調(diào)，便于工作人員在組裝時使用。工控機(jī)通常在工業(yè)環(huán)境中工作，對軟件的流暢程度也有很高的要求，因此，工控機(jī)通常都有加固、防塵、防潮、防腐蝕、防輻射、高散熱率等特殊設(shè)計。上位機(jī)和控制終端之間通過網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行通信，因此，選擇的工控機(jī)必須帶有兩個網(wǎng)絡(luò)接口，以適應(yīng)通信的要求。同時，由于工業(yè)計算機(jī)的安裝容量及造價的影響，設(shè)計系統(tǒng)采用AIMC-2100-00A1E型工控機(jī)。

1.3 航空結(jié)構(gòu)件定位器

航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控定位器可實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的姿態(tài)調(diào)整，并針對位置條件的要求，將對應(yīng)的NC定位機(jī)構(gòu)與模塊化的思路相結(jié)合，構(gòu)成了一種具有多種形式的姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。數(shù)控定位器主要由3個自由旋轉(zhuǎn)的負(fù)載支架和兩個垂直運(yùn)動機(jī)構(gòu)構(gòu)成。在3個運(yùn)動軸線上，通過位置傳感器對Z向運(yùn)動進(jìn)行閉環(huán)伺服控制，以確保在裝配過程中的姿態(tài)跟蹤和定位的準(zhǔn)確性。X、Y方向的運(yùn)動，按結(jié)構(gòu)可分為有源和無源兩種，其中，主動軸通過位置傳感器進(jìn)行閉環(huán)伺服控制，而隨動軸則通過位置傳感器進(jìn)行姿態(tài)反饋[6]。利用四臺數(shù)控定位器構(gòu)成并聯(lián)姿態(tài)機(jī)構(gòu)，通過對多個軸線的協(xié)同動作進(jìn)行控制，使大零件的6個自由度的姿態(tài)調(diào)整。裝有壓力傳感的載荷支架，通過固定球頭螺栓，將其置于數(shù)控定位器的運(yùn)動軸線上，以達(dá)到3個旋轉(zhuǎn)的自由度。球形結(jié)構(gòu)可以準(zhǔn)確地將球頭螺栓固定在負(fù)載托盤上，并利用傳感器對球頭的位置進(jìn)行檢測，如果球頭進(jìn)入位置，就對其進(jìn)行鎖定，從而限制球頭Z方向的運(yùn)動。采用安全感應(yīng)器對汽缸鎖止機(jī)構(gòu)進(jìn)行鎖定[7]。壓力傳感器對數(shù)控定位裝置進(jìn)行載荷測量，并將其輸出到位置控制系統(tǒng)中。為了確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全，定位器X,Y,Z方向分別安裝了機(jī)械控制和力敏元件。

1.4 工裝移動模塊伺服電機(jī)

在選擇伺服電動機(jī)時，需要考慮慣量和扭矩兩個載荷參數(shù)[8]，柔性工裝設(shè)備可以把它們的慣量和力矩轉(zhuǎn)換為載荷在伺服電動機(jī)的軸端上的慣性和扭矩，然后根據(jù)這些等價的慣性和扭矩來選擇驅(qū)動電機(jī)。當(dāng)軸具有一定的反應(yīng)速度時，其負(fù)載轉(zhuǎn)動的等效慣量應(yīng)為電動機(jī)慣量的5倍。由于負(fù)荷的慣性矩增大，對電動機(jī)的軸的角加速度有較大的影響，因此減慢了載荷的加速度，減小了整體的響應(yīng)[9]。在控制系統(tǒng)中，每一根主軸所選擇的伺服電機(jī)必須具備較強(qiáng)的反應(yīng)能力，當(dāng)PMAC發(fā)出新的速度指令時，使驅(qū)動電機(jī)能在最短的時間內(nèi)完成所需的轉(zhuǎn)速，而桁架操縱桿在作業(yè)過程中必須進(jìn)行四軸聯(lián)動，這就使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制更加困難。此外，在常規(guī)工況下，負(fù)載扭矩應(yīng)低于電動機(jī)額定扭矩的80%，并限制在伺服電動機(jī)的加速和減速范圍內(nèi)，進(jìn)而確保伺服電機(jī)的工作壽命和最大的效能[10]。為了記錄航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝操作設(shè)備各個軸的位置信息，所以必須選用帶絕對值型編碼器的伺服電機(jī)。

1.5 分布式通信網(wǎng)絡(luò)

分布式通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是為了使原有的集群式通信網(wǎng)路的所有功能都分散開來，并提升控制系統(tǒng)的模塊化程度。通信網(wǎng)絡(luò)向分布式通信網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變的第一步是引入串行數(shù)據(jù)總線，以點對點模擬信號傳輸[11]。設(shè)計控制系統(tǒng)中的分布式通信原理如圖3所示。

圖3 分布式通信原理圖

由于采用 Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議，工控機(jī)和 PMAC控制器之間采用 Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該傳輸協(xié)議具有較強(qiáng)的糾錯能力，可以有效地確保控制程序的傳輸精度[12-13]。

2 航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

利用定位儀對上下6組橫梁進(jìn)行數(shù)字控制，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及其坐標(biāo)系構(gòu)建航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝設(shè)備模型。在模型的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定的航空結(jié)構(gòu)件工裝目標(biāo)點坐標(biāo)確定曲面位置。從工裝裝配力和移動位置兩個方面計算PMAC的控制量，采用激光跟蹤法和并聯(lián)機(jī)床逆運(yùn)動學(xué)分析法確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)最終姿態(tài)，在PMAC控制器的作用下，將各個航空結(jié)構(gòu)件安裝在指定位置上，完成航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 構(gòu)建航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝設(shè)備模型

航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝采用橋架結(jié)構(gòu)，其上下6組橫梁，每一橫梁上安裝4個定位器設(shè)備，在實際加工時，利用上、下橫梁上的定位儀進(jìn)行數(shù)字控制，對各增強(qiáng)框架進(jìn)行定位，從而達(dá)到航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)字化定位。而在航空結(jié)構(gòu)件發(fā)生改變時，可以通過調(diào)整和重組來完成不同的產(chǎn)品，根據(jù)不同型號或零件的結(jié)構(gòu)特征，在特定的位置部位上使用特定的可移動機(jī)構(gòu)，以達(dá)到柔性工裝的靈活功能[14]。根據(jù)航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成和工作原理構(gòu)建相應(yīng)的模型，在柔性工裝設(shè)備的中心軸線上定義模型原點，Z軸沿軸線指向工裝操作設(shè)備，按右手法則確定模型中X和Y軸方向。航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝設(shè)備基本結(jié)構(gòu)與坐標(biāo)系構(gòu)建結(jié)果如圖4所示。

圖4 航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝設(shè)備結(jié)構(gòu)及其坐標(biāo)系示意圖

考慮航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝設(shè)備的組成材料，構(gòu)成工裝設(shè)備的剛度系數(shù)如下：

(1)

式中,變量Qi和T分別表示彈性剪切柱剛度系數(shù)矩陣和廣義力變換系數(shù)[15]。對軸孔姿態(tài)誤差、柔性工裝機(jī)構(gòu)的補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，從而得出柔性工裝中心的位置為：

(2)

式中，β為柔性工裝設(shè)備的旋轉(zhuǎn)角度，δe、δss和δαs對應(yīng)的是柔性工裝設(shè)備的軸向剛度系數(shù)、側(cè)向剛度系數(shù)和彎曲側(cè)向耦合剛度系數(shù)[16]。在建立的坐標(biāo)系中將柔性工裝設(shè)備的剛度系數(shù)以及工作規(guī)律，得出航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝操作設(shè)備的模型構(gòu)建結(jié)果。

2.2 確定航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝曲面位置

在航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝過程中需要確定裝配曲面及曲面上孔徑的位置，利用硬件系統(tǒng)中的定位器設(shè)備，確定航空結(jié)構(gòu)件的理論定位點，工裝定位柱的實際定位點應(yīng)移至對應(yīng)的位置，而工件的理論定位點與定位柱的實際定位點不同，工件表面與球面在理論定位點處的接觸和切線是相交的[17]。利用這兩種方法，可以求出球心的真實位置，也就是球心的位置，從而達(dá)到準(zhǔn)確的位置。工業(yè)工件表面通常是用不一致的B形條形曲面來構(gòu)成的。基于表面理論，在給定的平面上，可以將單位法矢量量化表示為：

(3)

式中，q(i,j)表示航空結(jié)構(gòu)件的柔性工裝曲面坐標(biāo)值，(i,j)為曲面上任意位置的坐標(biāo)值，qi(i,j)和qj(i,j)分別為曲面對i和j的偏導(dǎo)值[18]。在航空結(jié)構(gòu)件的柔性工裝過程中，設(shè)定航空結(jié)構(gòu)件工裝的目標(biāo)點坐標(biāo)為(xasse,yasse,zasse)，那么工裝設(shè)備的實際移動坐標(biāo)可以表示為：

(xequ,yequ,zequ)=(xasse,yasse,zasse)·f(i,j)·R

(4)

式中,變量R表示柔性工裝設(shè)備的機(jī)械臂長度，將式(3)的計算結(jié)果代入到式(4)中，便可得出航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝曲面及目標(biāo)點的定位結(jié)果。

2.3 計算航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝PMAC控制量

從工裝裝配力和移動位置兩個方面計算PMAC的控制量，航空結(jié)構(gòu)件的軸孔裝配可以分為接近、倒角接觸、一點接觸和兩點接觸4個階段，接近階段也被稱作找孔或?qū)た纂A段，在這個時期，軸孔沒有接觸，以使軸進(jìn)入倒角接觸階段為目的[19]。在倒角接觸過程中，該柔性機(jī)構(gòu)可幫助軸沿倒角滑下，并穿過倒角。在一次接觸中，軸筒表面與鉆孔的內(nèi)壁相接觸；當(dāng)一個點接觸時，兩個點的接觸就會產(chǎn)生。在實際組裝中，兩點的接觸階段未必會出現(xiàn)，兩點接觸階段結(jié)束后又會恢復(fù)到一點接觸的狀態(tài)。以航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝中的倒角接觸階段為例，軸剛接觸到倒角時刻與軸沿著倒角向下移動時刻，工裝操作設(shè)備滿足如下關(guān)系：

(5)

式中，ΔD、D0和Dε0分別表示柔性曲面中心相對于工裝孔軸線的偏移量、初始偏移量以及軸下端面中心相對于孔軸線的偏移量，dg為柔性中心與軸下端面的距離，d為初始接觸到當(dāng)前狀態(tài)接觸點在孔軸線方向的移動距離，φ0和Δφ分別為軸相對于孔的初始角度以及偏差量，而變量θ為倒角與端面的夾角[20]。式(5)中變量d的取值范圍為[0,η0]，當(dāng)d達(dá)到最大限值時，航空結(jié)構(gòu)件的柔性裝配進(jìn)入一點接觸階段，此時工裝操作設(shè)備的裝配力可以表示為：

(6)

式中，變量δtran和δreve分別為橫向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，Mθ為工裝操作設(shè)備轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)X和FZ分別表示工裝作用力在X和Z方向上的裝配力分量。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入到式(6)中，得出工裝合力的計算結(jié)果，由此便可得出柔性工裝過程中軸孔入位時軸孔的相對位置變化以及裝配時軸向進(jìn)給時需要克服的力[21]。同理可以得出航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝操作過程中，兩點接觸操作對應(yīng)的工裝力計算結(jié)果。另外航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝操作設(shè)備實時移動位置的控制量可以利用式(7)計算得出。

(7)

其中：(xcurrent,ycurrent,zcurrent)為當(dāng)前柔性工裝操作設(shè)備的位置坐標(biāo)，(xtarget,ytarget,ztarget)為操作設(shè)備定位目標(biāo)結(jié)果的位置坐標(biāo)。最終將式(6)與式(7)的計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成控制程序輸入到PMAC控制器設(shè)備中。

2.4 實現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制

為實現(xiàn)航空結(jié)構(gòu)件各個自由度的調(diào)姿，通過初始姿態(tài)檢測、柔性工裝位姿解算、軌跡規(guī)劃等步驟，實現(xiàn)對位姿的調(diào)整，具體的調(diào)整過程如圖5所示。

圖5 航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝位姿調(diào)整流程圖

采用激光跟蹤法對航空結(jié)構(gòu)體上的參考點進(jìn)行了測量，并根據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系，確定了其初始姿態(tài)。針對要求達(dá)到的目標(biāo)位置，采用并聯(lián)機(jī)床逆運(yùn)動學(xué)分析法，求出了各數(shù)控定位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)。基于初始姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)的相互關(guān)系，并結(jié)合機(jī)構(gòu)的反運(yùn)動學(xué)計算結(jié)果，確定了每一臺定位器的驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)動軌跡[22]。根據(jù)軌跡規(guī)劃的結(jié)果，驅(qū)動定位裝置的各個傳動副進(jìn)行運(yùn)動。在完成姿態(tài)校正后，必須再次對基準(zhǔn)位置進(jìn)行測量，以確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)的最終姿態(tài)，以評價其校正精度。根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動學(xué)分析法，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)在確定了各個傳動副的運(yùn)動后所能達(dá)到的位姿進(jìn)行了計算，并將其與重新測量參考點所得到的實際到達(dá)位置進(jìn)行了對比，以確保姿態(tài)的質(zhì)量[23]。按照上述方法在PMAC控制器的作用下，將各個航空結(jié)構(gòu)件安裝在指定位置上，完成航空結(jié)構(gòu)件的柔性工裝操作。

3 系統(tǒng)測試

以測試設(shè)計的基于PMAC的航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)的控制功能為目的，采用對比實驗的方式設(shè)計系統(tǒng)測試實驗。因SDN控制器為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(OS)，以軟件的形式運(yùn)行，利于系統(tǒng)的自動管理，故實驗設(shè)置基于SDN控制器的控制系統(tǒng)作為實驗的對比系統(tǒng)，通過與該系統(tǒng)的對比，體現(xiàn)出設(shè)計系統(tǒng)在控制功能方面的優(yōu)勢。

3.1 搭建系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境

系統(tǒng)采用集線器進(jìn)行分布式通信網(wǎng)絡(luò)連接，通過FPGA將經(jīng)過處理的光柵片、編碼片等數(shù)字信號以及部分AD變換后的模擬值，通過DSP進(jìn)行讀出，從而完成系統(tǒng)的軟件開發(fā)和運(yùn)行。由于設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)用了PMAC控制器，因此需要將該設(shè)備連接到集線器中。

實驗選擇桁架機(jī)械手作為航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝任務(wù)的操作工具，也就是系統(tǒng)的控制對象，在機(jī)械、電氣設(shè)備組裝完畢后，要進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試，方可投入使用。首先，要對控制系統(tǒng)的輸入和輸出進(jìn)行檢測，并建立程序的運(yùn)行坐標(biāo)系，進(jìn)行各種軌跡示教和動作編程，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行人工操作，使工裝操作設(shè)備的運(yùn)行速度和加速度得到合理的優(yōu)化。在上述工作結(jié)束后，要進(jìn)行桁架機(jī)器人的演示，得到路線圖，在參與調(diào)度下進(jìn)行試車，并進(jìn)行移動作業(yè)，由此驗證控制程序是否能夠在實驗環(huán)境中正常運(yùn)行。

3.2 準(zhǔn)備航空結(jié)構(gòu)件樣本

此次實驗選擇波音737-300型號的飛機(jī)作為工裝目標(biāo)，該飛機(jī)機(jī)身短而細(xì)，尺寸方面與A320系列飛機(jī)屬于同一級別，它的主翼是一排輪子，包含3個艙門，在垂直的尾部有一個很明顯的彎道，可以安裝CFM56-3C發(fā)動機(jī)。此次實驗選擇該型號飛機(jī)中的翼梁、桁條、翼肋、蒙皮、水平尾翼和垂直尾翼作為待柔性工裝的航空結(jié)構(gòu)件樣本，根據(jù)航空結(jié)構(gòu)件的組裝順序?qū)Ω鱾€樣本進(jìn)行編號。

3.3 設(shè)置PMAC工作參數(shù)

設(shè)計的航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用了PMAC控制器，因此需要對該設(shè)備的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。PMAC的工作設(shè)定參數(shù)包括：啟動電機(jī)、有效標(biāo)志位地址、調(diào)整參數(shù)、寄存器地址等。為了便于使用，在初始化時，使用了變量化的方式，并通過設(shè)定相應(yīng)的變量來實現(xiàn)初始化。此外，還設(shè)計了一個調(diào)試軟件，可以方便地設(shè)定所需要的變量。PMAC的變量分為I、M、P、Q四種類型，其中I是初始化的變量，它的主要功能是初始化系統(tǒng)，軸，坐標(biāo)系統(tǒng)和編碼通道，它們在存儲器中有一個固定的空間，并且具有一定的含義。M變量是指PMAC和I/O的指針，它主要用于讀寫PMAC的存儲器和I/O接口，從0到1 023 M的變量可以是1比特，也可以是24比特，48比特的雙浮點字。P和Q變量是普通的使用者變量，每一個都有1 024個，都是48位的浮點數(shù)，無需預(yù)先設(shè)置。由于P和Q變量都是程序變量，所以對PMAC的初始化沒有任何意義，只對I和M變量進(jìn)行了初始化設(shè)置即可。部分PMAC工作參數(shù)的設(shè)置情況，如表1所示。

表1 部分PMAC工作參數(shù)設(shè)置表

將表1中的參數(shù)設(shè)置結(jié)果輸入到PMAC控制器中，完成PMAC控制器的初始化工作。

3.4 描述系統(tǒng)測試過程

根據(jù)航空樣本的準(zhǔn)備情況，生成各個結(jié)構(gòu)件樣本的柔性工裝控制任務(wù)，并將生成結(jié)果代入到工裝分布式控制系統(tǒng)中。將控制硬件系統(tǒng)中的所有設(shè)備調(diào)整至工作狀態(tài)，啟動柔性工裝機(jī)械手和工裝控制程序，通過航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)的運(yùn)行完成控制任務(wù)。控制系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖6所示。

圖6 航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)運(yùn)行界面

按照上述流程可以得出實驗對比控制系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果。在實驗運(yùn)行過程中，由于定位器的橫向梁是彼此獨立的，為了防止碰撞，需要通過數(shù)據(jù)服務(wù)器對各個橫梁的位置坐標(biāo)進(jìn)行合理地規(guī)劃和計算。人工定位時，系統(tǒng)會根據(jù)各構(gòu)件間的位置關(guān)系，作出碰撞判定。模具和打孔的橫梁都設(shè)有一個安全的位置聯(lián)鎖開關(guān)，在模具的橫梁“安全位”下，它的工作是有效的，反之制孔橫梁只有工裝在“安全位”時才可以運(yùn)動。

為了體現(xiàn)出航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)的功能優(yōu)勢，分別從控制精度和控制效果兩個方面進(jìn)行測試，設(shè)置控制精度的量化測試指標(biāo)為位置控制誤差和姿態(tài)控制誤差，其中位置控制誤差的數(shù)值結(jié)果為：

(8)

其中：hcontrol,l和hexpect,l分別為系統(tǒng)控制下第l個工裝點的中心坐標(biāo)值和預(yù)期位置中心坐標(biāo)值，nw為待工裝點數(shù)量。另外姿態(tài)控制誤差的數(shù)值結(jié)果如下：

λattitude=|?control-?expect|

(9)

式中，?control和?expect對應(yīng)的是系統(tǒng)控制下的工裝角度和預(yù)期工裝角度，位置坐標(biāo)和工裝角度均可使用測角或測距設(shè)備直接得出。最終計算得出位置與姿態(tài)控制誤差越小，說明對應(yīng)系統(tǒng)的控制精度越高。控制效果的測試指標(biāo)為航空結(jié)構(gòu)件工裝結(jié)果中的磨損面積，其數(shù)值結(jié)果為：

(10)

式中，aj和bj為航空結(jié)構(gòu)件上磨損區(qū)域的長度和寬度，nabrasion為航空結(jié)構(gòu)件上的磨損數(shù)量。最終計算得出結(jié)構(gòu)件上磨損面積越大，證明系統(tǒng)的控制效果越差。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

為了驗證設(shè)計系統(tǒng)的整體有效性，首先準(zhǔn)備兩份相同柔性工裝工作面，然后利用SDN控制器的控制系統(tǒng)和設(shè)計分布式控制系統(tǒng)，分別在工作面上進(jìn)行系統(tǒng)位置控制誤差測試，通過控制系統(tǒng)運(yùn)行下，航空結(jié)構(gòu)件實際柔性工裝位置與預(yù)期位置之間的比對，最后得出反映系統(tǒng)位置控制誤差的測試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)位置控制誤差測試結(jié)果

從圖7中可以看出，基于SDN控制器的控制系統(tǒng)有5個測試點偏離實際工裝位置，而設(shè)計分布式控制系統(tǒng)有2個測試點偏離實際工裝位置，與基于SDN控制器的控制系統(tǒng)相比，設(shè)計控制系統(tǒng)下，航空結(jié)構(gòu)件的實際工裝位置與預(yù)期位置的重合度更高。通過式(8)的計算，得出兩個控制系統(tǒng)下航空結(jié)構(gòu)件的位置誤差分別為16.24 cm和3.24 cm。姿態(tài)控制誤差的測量結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)姿態(tài)控制誤差測試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到式(9)中，得出兩個系統(tǒng)姿態(tài)控制誤差的平均值分別為0.40°和0.08°。另外，通過式(10)的計算，得出兩種控制系統(tǒng)下，柔性工裝航空結(jié)構(gòu)件上磨損面積的測試結(jié)果，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)控制效果測試對比結(jié)果

從圖8中可以直觀地看出，與基于SDN控制器的控制系統(tǒng)相比，設(shè)計控制系統(tǒng)運(yùn)行下得出航空結(jié)構(gòu)件上的磨損面積更小，由此證明，設(shè)計的基于PMAC的航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)的控制效果更優(yōu)。

5 結(jié)束語

航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝作為航空飛機(jī)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其工裝質(zhì)量直接影響飛機(jī)的生產(chǎn)效率甚至是航空飛行的安全性。通過航空結(jié)構(gòu)件柔性工裝分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，提高了航空結(jié)構(gòu)件的裝配質(zhì)量，為航空事業(yè)提供技術(shù)支持。