數控柔性工裝是一種先進的飛機制造設備，它將數控機床中使用的可編程運動控制技術用于飛機裝配型架、對合型架和加工夾具等，控制定位器的精確定位。數控柔性工裝能夠替代傳統的固定工裝，一套工裝可以用于多種型號飛機生產并可以重復使用，減少工裝數量，縮短生產準備時間，減少工裝存儲占用場地。此外，數控柔性工裝也是飛機數字化設計和制造體系的末端執行設備，是構建該體系的重要組成部分。近年來，機械制造領域以數控技術為基礎的自動化技術發展迅速，形成了標準通用運動部件體系，利用這些通用部件，可以快速設計和制造出各種自動化設備和自動生產線。極大地縮短了設備的設計制造周期，降低了制造成本。

　　本文研究使用通用標準運動組件構建飛機制造柔性工裝的相關技術，使用通用運動組件構成數控柔性工裝的基礎部件，如立柱- 推桿、支臂等。研究開發出適用于數控柔性工裝控制的數控系統，系統通過現場總線可以控制多達128 個伺服電機。通過參數配置，可以構成適合各種類型的裝配型架、對合型架、加工夾具等柔性工裝控制系統。

1 柔性工裝伺服驅動組件

　　直線驅動組件是最典型的驅動組件，在常規機械制造領域已用于制造生產線、小型機床等。伺服驅動組件是以伺服電機為動力的直線驅動組件，可在數控系統控制下實現精確直線運動，適用于柔性工裝控制。當用于構建柔性工裝機械本體時，可以實現柔性工裝的直線運動和工裝調形的數字量驅動，有利于柔性工裝機械結構的簡化和統一，降低制造成本、縮短研制周期，符合模塊化設計、制造的思想。

2 柔性工裝機械結構

　　2.1 柔性工裝機械結構分析

　　通過總結國內外柔性工裝實例，可將柔性工裝機械結構分解為5 個組成部分：底座、滑臺、立柱- 推桿、支臂和定位器。

　　證。滑臺結構具有1~2 個相對于底座的直線自由度，可平行于底座平面運動。立柱- 推桿固定在滑臺上，具有1~2 個直線自由度。支臂安裝在立柱- 推桿上，具有1~2 個直線自由度，可沿立柱- 推桿移動或伸縮，作為對滑臺和立柱- 推桿自由度的補充；根據設計需要，立柱- 推桿、滑臺支臂可以實現空間1~3 個直線自由度。定位器類似于傳統裝配型架的接頭定位器，用于與飛機零部件對接或支撐，實現定位功能；自由度個數不確定，可根據零部件裝夾的需要靈活設計，常見的有萬向真空吸盤結構、夾持結構或推力支撐結構等。上述5 部分及其自由度可根據具體生產需求協調設置。

　　2.2 典型柔性工裝

3 柔性工裝數控系統

　　北京航空航天大學數控和伺服技術實驗室根據柔性工裝技術的需要，開發出了用于數控柔性工裝的數控系統。系統包括系統硬件與數控軟件。其中，硬件結構適合控制具有不同機械結構的多種柔性工裝，采用了現場總線技術和一體化伺服驅動單元技術；數控系統軟件提供了配置功能，針對某一特定柔性工裝控制對象，修改對應參數，快速生成滿足該柔性工裝設備需求的數控系統。該系統最多可控制128 個坐標軸，可以分組控制多臺設備或柔性工裝單元部件。

　　3.1 硬件結構

　　柔性工裝數控系統硬件由工業控制計算機IPC（Industrial PC）、現場總線和一體化伺服驅動單元組成。

　　IPC 集成了現場總線接口，通過現場總線連接伺服裝置。在工程中，可以采用EtherCAT 工業以太網現場總線或CAN 總線連接數控系統和一體化伺服驅動單元，便于系統的維護與擴展，并可滿足各種類型的柔性工裝控制要求。

　　當數控系統配置柔性工裝機械本體時，選用一體化伺服驅動單元作為伺服驅動組件與數控系統中伺服裝置的優選方案。一體化伺服驅動單元集成有伺服電機與伺服驅動器，適用于構建柔性工裝等大型自動化設備的控制系統。由于省略了伺服電機與伺服驅動器之間的動力電纜與電機編碼器反饋電纜，大大簡化了整個控制系統的電纜布線，便于系統的布局、安裝和維護。

　　在實際工程中，數控系統還包括數字IO 模塊，與IPC 和伺服裝置通過現場總線連接，用于控制傳感器或其他輸入輸出裝置。

　　3.2 軟件結構

　　典型的數控系統應該具備3 類基本控制功能，包括：運動和PLC 控制、數控系統狀態管理及控制、人機界面（Human Machine Interface，HMI）控制。數控系統軟件是運行在IPC 平臺上的軟件系統，用于實現全部數控功能。數控系統的軟件結構及各模塊功能。數控系統軟件由主控制、系統操作和運行控制2 個軟件處理任務組成，使用操作命令接口、系統信息接口、參數接口、顯示接口。

　　（1）系統操作和運行控制：提供人機操作界面、系統數據管理和運行管理功能。通過顯示信息接口獲得其他功能模塊的信息，用于系統狀態顯示；通過參數接口為其他功能模塊提供系統參數；通過操作命令接口向其他功能模塊發出運行控制命令；通過系統信息接口從其他功能模塊獲得系統運行狀態，同步系統的運行。

　　（2）主控制：該任務在系統操作和運行控制任務的控制下運行。當數控系統處于自動運行工作模式時，NC 調形程序經譯碼器譯碼，轉換為2 種類型的數據并分別處理。其中，一種為運動控制數據，經過插補、誤差補償、傳動匹配模塊，產生坐標軸的運動指令，控制工裝的調形運動；另一種為輔助功能數據，控制工裝的輔助功能，例如真空吸盤動作、夾持動作等。當控系統處于手動運行工作模式時，手動調形模塊產生手動進給控制數據，用于柔性工裝的手動操作。現場總線驅動模塊實現數控系統硬件與伺服驅動、工裝輔助設備的數據通信。

　　3.3 數控系統軟件實現

　　柔性工裝數控系統采用IEC 61131-3 工業控制編程語言編寫，與傳統數控系統相比具有方便多平臺移植、軟件結構清晰、功能易擴展等優勢。

　　IEC 61131-3 是國際電工委員會（InternationalElectro-Technical Commision，IEC）制定的工業控制編程語言國際標準，也是當前國際上最先進的工業控制編程語言，主要用于編寫可編程邏輯控制器（ProgrammableLogic Controller，PLC）的控制程序。世界主流工業控制產品制造商已采用IEC 61131-3 規定的編程語言作為其產品開發的標準編程語言。因此，柔性工裝數控系統可以快速實現多平臺移植，即經過較少的工作量，使軟件系統工作在符合IEC 61131-3 標準的不同品牌的PLC 硬件平臺。

　　IEC 61131-3 標準規定的編程語言支持先進軟件開發方法，如支持模塊化編程和圖形化編程，增強了編程語言的功能，提高了軟件開發的效率，并強化了程序封裝的概念。柔性工裝數控系統軟件采用IEC 61131-3規定的功能塊圖語言（Function Block Diagram，FBD）與結構化文本語言（Structure Text，ST）聯合編程的開發方法：由FBD 直觀地實現如圖4 所示的軟件架構，將控制功能劃分、封閉在功能塊內；在功能模塊內部，采用ST語言實現復雜的控制功能。

　　功能模塊之間采用清晰的數據連接和傳遞，構成系統。可以方便地集成由IEC61131-3 語言編寫的、符合數據連接和傳遞規則的程序功能模塊，規范了功能模塊的更換、增加和去除。在IEC61131-3 標準的規定下，使數控系統軟件成為具有開放式特征的數控系統，用戶可以在系統軟件中集成新功能模塊或替換原有的模塊。有利于不同技術分工的工程師在數控系統軟件全生命周期中共同完成系統開發、實施應用、調試維護及用戶自定義開發等工作，有利于針對特定柔性工裝設備開發具有特征功能和個性化功能的數控系統。

　　基于軟PLC 技術，由IEC 61131-3 語言開發的數控系統可以在IPC 平臺運行。軟PLC 技術是將PLC 系統作為一個軟件模塊運行在計算機平臺，其實時性和資源由計算機的性能保證，是當今PLC 技術的重要發展方向。

　　3.4 數控系統軸配置和分組

　　柔性工裝數控系統提供了軸配置功能，用于控制軸的分組，適用于多種柔性工裝機械結構的控制。軸配置功能確定了坐標軸名、邏輯軸號和物理軸號之間的映射關系和分組，軸邏輯軸號包含了坐標軸在數控系統軟件中計算、控制的分組信息，應用在數控系統軟件內部。物理軸號為現場總線硬件地址，應用數控系統軟件中的傳動匹配和現場總線驅動模塊中。

　　數控系統的傳動匹配模塊確定了軸配置的映射關系，最終由現場總線驅動模塊將運動控制指令發送給對應的伺服設備，完成對柔性工裝的調形運動控制。

　　3.5 表格式數控編程代碼

　　柔性工裝數控系統采用表格式數控編程代碼。與常用的G 代碼數控編程相比結構清晰，更適于編寫具有較多坐標軸的柔性工裝定位程序。表格式編程代碼中包含如下元素：程序段號、坐標軸名、調形定位位置值、調形運動速度值、位置補償值。

4 應用

　　飛機裝配數控柔性多點工裝由數控系統控制工裝定位支點的運動，能夠完成某型號系列飛機多種壁板類零件的裝配，并已經應用于某航空制造企業。該工裝的數控系統軟件采用IEC 61131-3 工業控制編程語言實現，具備軸配置和分組功能，并采用表格式數控編程代碼；但是，數控系統軟件采用了常規設計方法，未采用功能塊圖語言對數控功能進行模塊化封裝。該工裝的少部分機械結構應用了標準伺服驅動組件（齒輪齒條式），其余大部分結構的設計和制造為常規方法完成。基于已有的工程經驗和理論基礎，本文論述的機械結構和數控系統設計方法優勢明顯，并將用于新一輪的柔性工裝設計和工程中。

5 結論

　　本文提出采用4 類標準伺服驅動組件作為柔性工裝的驅動部件構建柔性工裝的方法，簡化了柔性工裝的開發和制造，實現了柔性工裝設計和制造的模塊化。開發了適用于柔性工裝控制的數控系統，數控系統軟件由IEC 61131-3 標準規定編程語言編寫，使系統軟件具有開放性；其提供的軸配置、表格式數控代碼等功能便于柔性工裝的應用；伺服裝置采用一體化伺服驅動單元技術，使柔性工裝控制系統結構簡單、便于維護。相關控制技術已在實際柔性工裝的研發中獲得應用。