Elmo運(yùn)動控制系統(tǒng)在飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)上的應(yīng)用———Elmo Motion Control System-he Application of the Digital Assembling Syst
本文介紹了Elmo運(yùn)動控制系統(tǒng)在飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)上的應(yīng)用。該系統(tǒng)相比較之前傳統(tǒng)的裝配系統(tǒng)能夠獲得更高的裝配精度，大幅度提升裝配效率，完成復(fù)雜多樣的裝配要求。
關(guān)鍵詞
• Elmo運(yùn)動控制系統(tǒng)
• MAESTRO
• CAN Open現(xiàn)場總線
飛機(jī)的部件成千上萬，其中很多的結(jié)構(gòu)件為鈑金件或復(fù)合材料組成的薄型板狀結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是外形復(fù)雜，連接面多為不規(guī)則曲面，同時其材料和形狀決定了其具有的工藝剛性相對比較小，容易變形，給加工和裝配都帶來了比較大的困難。近年來，隨著自動化水平的不斷提高，通過引入了先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，使得零件的加工技術(shù)得到了大幅度的提升，零件的制造周期大大縮短，品質(zhì)也得到了很大的改善。但是，飛機(jī)的部件裝配與整體機(jī)身的裝配仍沿用傳統(tǒng)的方法，無法適應(yīng)先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)帶來的效率的提高。飛機(jī)裝配技術(shù)已經(jīng)制約著飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展。本文主要介紹了通過使用Elmo運(yùn)動控制系統(tǒng)，借助多點(diǎn)成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)柔性數(shù)字化裝配。
系統(tǒng)工藝流程
多點(diǎn)成形技術(shù)是柔性工裝設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)，其基本原理為采用多個均勻離散的點(diǎn)來擬合飛機(jī)裝配部件的三維型面，通過精確的數(shù)字建模，控制各點(diǎn)的點(diǎn)位來達(dá)到精準(zhǔn)的控制，使工裝表面完全貼合飛機(jī)零件表面。使用這種柔性裝配技術(shù)可以使飛機(jī)裝配型架的制造周期大大縮短，并可以取代大部分固定裝配型架。同時由于其采用了離散式的點(diǎn)位控制方式，使得該系統(tǒng)具有可重構(gòu)性，一套該系統(tǒng)可以完成多種表面形狀的零件工裝。
固定飛機(jī)薄壁板采用的是行列可移動式動態(tài)工裝，其基本元器件為可移動的導(dǎo)軌副以及高度可以調(diào)整的支撐夾持單元，以上元器件的控制均通過數(shù)控伺服完成，通過伺服的不同位置調(diào)整使整個工裝系統(tǒng)按照理論的點(diǎn)位分布，使蒙皮達(dá)到理論的工裝外形。
系統(tǒng)框架本系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：系統(tǒng)計算機(jī)主要計算并且給出數(shù)學(xué)模型；人機(jī)界面可以實(shí)時的顯示和設(shè)定一些現(xiàn)場的工作參數(shù)；三維激光測量可以反饋實(shí)際的位置值回當(dāng)前的系統(tǒng)計算機(jī)；以色列Elmo公司的MAESTRO多軸控制器為本運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心，配合CAN總線上掛接的多顆Elmo公司的伺服驅(qū)動器完成對多個點(diǎn)位的位置控制；同時，由于工藝方面需要的夾持等功能，故CAN總線上還掛接有一些現(xiàn)場總線I/O。
通訊部分，主要包括兩大層面：
第一層面為以太網(wǎng)層，滿足標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用該通訊方式主要有以下好處
• 通訊距離長，以太網(wǎng)的通訊極限一般可以控制到200米，基本上滿足了大型飛機(jī)等設(shè)備的裝配空間，同時避免了使用光纖通訊所耗費(fèi)的大量的成本
• 標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，普通的計算機(jī)、工控設(shè)備可以很好的接入
• 一般用戶都比較熟悉使用，應(yīng)用控制等技術(shù)相對比較穩(wěn)定、成熟
• 同時配合人機(jī)界面在設(shè)備現(xiàn)場通過RS-232方式操控和設(shè)定工作參數(shù)，彌補(bǔ)了以太網(wǎng)長通訊距離造成的操作不便
第二個層面為現(xiàn)場總線層面，采用了目前在歐美普遍使用的CAN總線形式，使用該總線會給該系統(tǒng)帶來如下的好處
• CAN總線為一種集分布式控制和實(shí)時控制于一體的串行通訊局域網(wǎng)絡(luò)，其高可靠性、高性能、高實(shí)時性等特點(diǎn)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用
• 本系統(tǒng)使用的CAN總線全面支持CANOpen 層面的DS301、DS305、DS401、DS402等協(xié)議，DS401、DS402這兩個協(xié)議為基于運(yùn)動控制所開發(fā)的通訊協(xié)議，可以直接應(yīng)用于運(yùn)動控制場合
• 由于以色列Elmo公司的產(chǎn)品全部采用的是CANOpen協(xié)議，其相關(guān)的通訊底層協(xié)議全部為開放式，方便客戶與自己的其他設(shè)備連接通訊
• CAN總線上可以掛接其他的設(shè)備，例如現(xiàn)場總線I/O，但是所掛接設(shè)備必須支持CANOpen協(xié)議
• 每個CAN總線理論上可以支持最多108個節(jié)點(diǎn)(Node)，以色列Elmo公司目前的MAESTRO多軸控制器最多具有2路CAN總線，理論上最多支持216個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)均可以掛接伺服電機(jī)或者CAN總線設(shè)備，故對于未來設(shè)備的擴(kuò)展帶來了很多的方便之處
MAESTRO的特點(diǎn)以色列Elmo公司設(shè)計生產(chǎn)的MAESTRO為一種基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運(yùn)動控制器，可以完成2D、2.5D的差補(bǔ)，多個軸的同步以及開始、停止等類似PLC的運(yùn)動控制功能，同時其在整個系統(tǒng)的通訊層面可以完成的工作很豐富，諸如：網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)；各個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的監(jiān)控；運(yùn)動的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問和控制；CAN現(xiàn)場總線的主站等。
一種基于MAESTRO的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)可以簡單的用如下的框圖來表示：
其中，我們需要明確幾個定義：
• 軸：每一臺驅(qū)動器與每一臺電機(jī)組成對，完成單個運(yùn)動的控制，我們稱其為軸。
• 組：由多個軸組成，可以由MAESTRO發(fā)相同的同步指令到組里面的各個軸，其中每個獨(dú)立的軸均可以完成獨(dú)立的運(yùn)動，同時我們要求構(gòu)成組的每個軸的運(yùn)動形式必須要一致。組可以定義多個。
• 矢量組：一般為由兩個獨(dú)立的軸組成的組，通過嚴(yán)格的控制時鐘同步來獲得精確的單軸運(yùn)動定位，借此獲得期望的系統(tǒng)性能，同時矢量組可以完成兩個軸的直線差補(bǔ)、圓弧差補(bǔ)以及螺旋差補(bǔ)等功能。同樣，矢量組也可以定義多個。
以下，我們列出了MAESTRO的基本構(gòu)成，如圖4。
其中，我們按照功能不同，將其內(nèi)部分為了五層，分別用不同的顏色表示，具體功能如下：
作為CAN現(xiàn)場總線主站的MAESTRO可以提供很多的網(wǎng)絡(luò)功能，其中包括了完成網(wǎng)絡(luò)配置；偵測并描述出CAN網(wǎng)絡(luò)中存在的CAN設(shè)備；通過使用標(biāo)準(zhǔn)的CANOpen協(xié)議完成CAN網(wǎng)絡(luò)信息的接收和發(fā)送；CAN網(wǎng)絡(luò)報警信息處理；根據(jù)其內(nèi)部自帶的同步機(jī)制完成時鐘同步；通過使用CANOpen的DS301、DS305、DS401、DS402協(xié)議完成各個CAN設(shè)備之間的通訊等。同時，其作為同步運(yùn)動控制器還可以實(shí)現(xiàn)以下一系列的同步功能：發(fā)送同步運(yùn)動指令到指定的運(yùn)動單元軸；同步運(yùn)動單元軸之間的啟動和停止等動作；通過其內(nèi)部的callback功能實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動完成以及Elmo驅(qū)動器內(nèi)部定義的觸發(fā)條件等的監(jiān)控；以及發(fā)送通知到上位機(jī)等。
在與上位機(jī)通訊的過程中，MAESTRO可以使用的通訊方式有TCP/IP以及RS-232。通過該通訊可以完成的功能包括：程序的上傳和下載；系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)反饋；用戶程序運(yùn)行情況的反饋；傳輸和解釋對MAESTRO的指令以及對任意一臺終端CAN設(shè)備的操作指令。用戶還可以通過使用Elmo公司提供的Composer軟件通過這條通路完成對終端Elmo驅(qū)動器的直接操作和監(jiān)控。
在運(yùn)行用戶程序方面，MAESTRO也有其獨(dú)有的一些特點(diǎn)：其作為一個全面可編程的運(yùn)動控制器可以實(shí)現(xiàn)并完成多軸運(yùn)動的編程工作；可以運(yùn)行一個或者多個用戶程序；用戶可以通過使用MAESTRO的編程語言來實(shí)現(xiàn)對其的編程操作，其編程語言與Elmo公司的驅(qū)動器的編程語言類似，都屬于類C的計算機(jī)語言，非常容易掌握；同時，其編程環(huán)境可以使用Elmo公司提供的Elmo Studio軟件來輕松實(shí)現(xiàn)。
基于以上的諸多特點(diǎn)，通過MAESTRO與Elmo智能型驅(qū)動器的配合使用，我們便構(gòu)成了一套分布式控制系統(tǒng)的基本框架，用戶可以根據(jù)自己的使用工藝要求和具體的工況來選擇合適的搭配和擴(kuò)展，可靠穩(wěn)定的完成預(yù)期功能。
結(jié)語：目前，應(yīng)用該套分布式控制系統(tǒng)的飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)已經(jīng)通過了國家的驗(yàn)收，準(zhǔn)備投入批量生產(chǎn)。由于國內(nèi)對于CAN總線的研究起步比較晚，在具體應(yīng)用方面相對于國外也有很大的差距，故我們對這方面的了解也并不是很全面，還處于摸索階段。但是通過該項(xiàng)目的成功應(yīng)用，更加堅(jiān)定了我們對這種分布式控制系統(tǒng)的推廣信心。我們將會加倍努力，將該套控制系統(tǒng)應(yīng)用于諸如醫(yī)療、紡織、印刷等更多的行業(yè)和領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)：
[1].飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展, 航空制造技術(shù), 2006.9
作者簡介：
李建輝(1982-)男 畢業(yè)于北京郵電大學(xué)自動化系 現(xiàn)任天津羅升企業(yè)有限公司北京辦事處應(yīng)用工程師 對Elmo運(yùn)動控制系統(tǒng)以及伺服控制類應(yīng)用有比較深入的研究，熟悉自動化系統(tǒng)的構(gòu)成與具體應(yīng)用。
