1 引言

　　孔加工在航空制造中占有重要地位，有文獻報道在一條機翼的裝配線上每年約要鉆削加工4000萬個孔。傳統的人工鉆孔，工作量大，過程枯燥，鉆孔的效率低，孔的質量難以保證一致性，批量化生產人力和物力成本高。由于機器人制孔系統一般采取工件不動機器人移動的方式，其靈活性較好，且對工件的適應性較好，同時能夠極大的提高制孔效率和精度，在國外已得到廣泛的研究和應用。美國EOA公司與波音公司也聯合生產研制了一種機器人多功能鉆削系統(EOA)，該系統可以完成對鈦合金、鋁合金、復合材料以及疊層等飛機蒙皮的鉆孔、锪孔和鉸孔圜。美國Electroimpact公司與英國空客公司聯合設計了一套機器人自動鉆削系統(O．N．C．E)，O．N．C．E系統主要用于波音’F／A一18E／F的機翼后緣襟翼的鉆孔和锪孔。

　　而國內對于機器人制孔系統的研發尚處于起步階段，機器人制孔系統的關鍵是開發高精度、高效率的多功能制孔執行器，其中多功能制孔執行器控制系統的設計對于系統的整體性能的實現具有重要的作用。主要就應用于飛機鈦合金、鋁合金大型壁板制孔的多功能制孔執行器，設計并開發了基于上位機和PIX：的多功能制孔執行器控制系統。

2 制孔執行器的基本組成

　　制孔執行器由切削運動單元，壓緊單元，傳感單元、支承單元組成。切削運動單元提供制孔過程中必須的主軸轉動和進給運動；壓緊單元提供壓緊力，用于保持制孔執行器與工件之間的位置關系；支承單元一方面為鉆孔末端執行器上的組件提供必要的連接和支承，另一方面提供和工業機器人的連接。制孔執行器實體圖，如圖1所示。

圖1制孔執行器

　　2.1 切削運動單元

　　該單元的作用就是提供鉆孔需要的主軸轉動和進給運動，主軸運動由—個交流伺服電機經過皮帶輪帶動主軸頭來實現，主軸運動需要進行速度控制；進給運動由另外—個交流伺服電機經皮帶輪帶動滾珠絲杠來實現，進給運動需要進行速度位置控制。系統采用數模轉換模塊輸出電壓來控制主軸速度，采用定位模塊輸出脈沖控制進給位置和進給速度。

　　2.2 壓緊單元

　　壓緊單元采用氣動壓緊，由兩個汽缸驅動壓腳去壓緊待加工工件，可起到增加系統剛度，減小疊層材料間隙，削弱系統振動等作用，兩個汽缸由一個二位五通電磁閥實現壓緊松開控制。在系統中，我們采用PLC的輸出點發出信號，控制電磁閥，完成壓腳的壓緊和松開。同時還通過檢查汽缸的行程開關實現系統的節拍保護，榆測壓腳是否壓緊與松開，增加了系統的可靠性。

　　2.3 傳感單元

　　傳感單元包括力傳感器，氣缸行程開關，進給行程開關。力傳感器的作用是實時反應鉆削力變化，并通過分析力的變化來得到刀具磨鈍等信息。氣缸行程開關來限制氣缸的行程，進給的前行程開關用來防止超程，后限位開關作為原點開關。我們利用PLC的輸入點來采集開關信號，通過PLC編程實現具體的運動控制，采用一個模數轉換模塊實時采集力傳感器信號用于系統控制。

3 制孔執行器控制系統設計

　　3.1 系統總體設計

　　為了實現參數設置、報警顯示等人機交互功能，系統采用基于PC機和PLC的控制方案，這樣可以由PC強大的人機交互能力來彌補PLC這方面的不足，PC與PLC之間采用串口通信，通信協議選用三菱編程口協議。PC作為上位機，完成數據顯示儲存，切削參數修改下載、警報顯示等功能；PLC作為下位機，完成信號采集、運動控制、警報輸出等功能。

　　3.2 系統硬件設計

　　3.2.1 系統組成

　　該系統由輸入、控制運算、輸出、通信四部分組成。

　　(1)輸入部分：包括按鈕輸入和信號檢測。操作按鈕由人工輸入，完成切換工作模式，系統啟動停止，急停輸入等操作。信號檢測則是通過系統的傳感器來檢測系統的運行情況，出現異常，報警輸出并停機。

　　(2)控制運算部分：由PLC實現，由控制系統應用軟件來完成信號的輸入、處理、控制輸出等主要功能。

　　(3)輸出部分：輸出部分包括電磁閥，用于汽缸控制；中間繼電器，用于系統警報輸出，電機伺服、警報復位等。

　　(4)上位機和下位機通信部分：完成．上位機和下位機的數據交互，完成數據顯爾儲存，切削參數修改下載、警報顯示等。制孔執行器控制系統結構示意圖，如圖2所示。

圖2制孔執行器控制系統結構圖

3.2.2 PLC選型和輸入輸出口分派

　　經分析共有17個開關輸入量，18個開關輸出量。根據輸入輸出信號的數量、類型和控制要求，同時按照I／O點數20％～30％的備用量原則舊，系統選用了三菱FX2N-64MT型號的PLC作為控制核心，有32個輸入點和32個輸出點。脈沖輸出模塊選用三菱FX2N-10PC,，該模塊的脈沖序列最大可以達到lMHz。D／A轉換模塊A／D轉換模塊選用三菱FX2N-4DA，其數字輸入位12位。A／D轉換模塊選用三菱FX2N-4AD，其數字輸出也為12位。制孔執行器控制系統配備—個電氣控制柜。PLC，變壓器，各種繼電器，主軸和進給電機伺服放大器等均安裝在控制柜中。該制孔執行器控制系統的I／O分配表，如表1所示。

　　3.3 下位機程序設計

　　三菱PLC一般有三種編程方式：指令表編程、梯形圖編程、步進功能圖編程(SFC)，SFC是根據機械流程來進行順控設計的輸入方法，這種方法的優點是按照機械動作來進行程序流程設計。在運動控制中優點突出，利用步的概念來設計程序使我們把注意力集中在活動步中，使編程更容易。根據系統控制需要，程序采用模塊化的設計思想，編寫了三種工作模式：自動模式、手動模式、回零模式，三種模式的切換由—個轉換開關來完成。

　　整個系統的軟件主要包括以下部分：初始化模塊、壓腳控制模塊、壓緊力采集模塊、主軸速度控制模塊、進給運動控制模塊、警報處理顯示模塊。

　　(1)初始化模塊：該模塊對各軟元件進行復位，然后再進入系統啟動階段。

　　(2)壓腳控制：根據時間順序和開關信號來控制電磁閥，從而控制氣缸來實現壓腳的壓緊和松開。

　　(3)壓緊力采集：由FX2N-4AD來采集力傳感器的電眶值，并利用FROM／tO指令傳送到主單元的數據寄存器中，待上位機去實時讀取。

　　(4)主軸變速控制：主軸電機采用速度控制方式，通過改，巫輸入電壓的大小來凋整電機的轉速。電壓由FX2N-4DA模塊輸出。電壓值可以隨進給位置來改變，從而實現不同加T段的變速。

　　(5)進給運動控制：進給電機驅動絲杠來實現進給運動，使用FX2N-10PG脈沖輸H；單元來實現該電機的位置速度控制，通過輸出不同頻率和數每的脈沖完成電機的位置控制和速度控制。

　　(6)警報處理模塊：該模塊通過控制計算、信號采集等檢測系統出現的意外情況，給出相應的報警并停機。該系統的順序控制功能圖，如圖3所示。

圖3系繃順序控制功能圖

4 上位機界面設計

　　在自動制孔執行器的生產過程中，一些切削參數等需要現場調試，另外在，圭產過程中還需要實時監控系統的運行狀態。因此在整個程序設計中用事件驅動來向PLC發送數據，而采用定時讀取的方式來自動接收PLC傳過來的數據。在程序設計中，使用了多線程技術，一個線程負責PLC和計算機的數據通信，一個線程負責處理用戶界面信息和操作。選用VB．NET來編寫上位機的通信和控制軟件實現上位機和PLC之間的串行通信。下面具體介紹PLC和計算機之間的串行通信程序設計。

　　4.1 上位機和下位機通信協議

　　上位機與下位機采用編程口通信協議。利用VB．NET的serialPort控件實現|：位機與三菱FX2N系列PLC的通訊，FX2N系列PLC和工控機的通信是以主機發出初始命令，PIE對其做出響應的方式進行通信的。通信共有4種命令：讀命令、寫命令、強制置位和強制復位。通過這4種命令，上位機町實現對PLC的監控和數據讀寫。上位機和PLC之間的數據傳輸格式為RS232，波特率為9600，傳輸的數據采用和校驗。其通信協議的幀格式，如表2所示。其中STX代表報文開始，CMD為命令類型，數據段包括命令對象和字節數，ETX代表報文結束，SUMH和SUML為校驗和的高位及低位。利用該協議編寫PLC通信程序，可以實現PLC的系統開關量置位和復位，數據寄存器數據的讀取與寫入。

　　4.2 界面功能簡介

　　上位機監控界面采用VB．NET編寫，在該控制界面完成制孔執行器系統的參數設置、手動單步操作、力傳感器曲線圖繪制、系統狀態監控、警報內容輸出等功能。

　　(1)參數設置模塊：參數設置模塊作用是設置功能模塊的參數，以及與系統運行相關的一些可變量，比如主軸電機的轉速，進給電機的進給率，壓力閾值等。

　　(2)狀態顯示模塊：狀態顯示模塊的功能就是實時檢測一些系統狀態，比如力傳感器的值，主軸當前轉速、進給軸當前速度、運行位置等。

　　(3)手動控制模塊：該模塊又可以分為三個部分，主軸電機控制、壓緊裝置部分控制、進給運動控制。主軸電機控制可以手動調節電機的轉速，啟動停止；壓緊裝置控制叮以手動單獨控制電磁閥來驅動氣缸壓緊和松開；進給電機控制部分則可以手動的選擇定位模式，調節進給率、進行點動操作、回零操作等。

　　(4)自動控制模塊：自動控制模塊則是在系統自動運行模式下可以控制系統開始鉆孔、停止等操作。

(5)輸入監視模塊：這部分是自動定時監視系統的各個開關量輸入，以便操作人員實時了解系統的運行狀態，是否正常，以及當系統發牛警報時及時發現故障原因。

　　(6)輸ff{監視模塊：該模塊有兩個功能，一是監視系統的輸出狀態，以r解整個系統的運行情況，二是町以通過點擊來強制打開或斷開對應端口，方便系統的調試，因此設定只有在手動模式下町以使用該功能。

5 結束語

　　設計并分析了用于飛機鋁合金、鈦合金以及疊層部件自動制孔的制孔執行器控制系統。該系統設計完成后，經過與機器人和制孔執行器的聯合調試，整套系統運行良好，各項功能達到了預先設計目標，系統連續無故障時問超過24小時。孔定位精度為±0.3mm，重復定位精度為±0.2mm，制孔效率可達4個/min。極大的提高了飛機部件自動制孔的效率和裝配質量。