運動控制系統在飛機數字化裝配系統上的應用

關鍵詞
• Elmo運動控制系統
• MAESTRO
• CAN Open現場總線

　　飛機的部件成千上萬，其中很多的結構件為鈑金件或復合材料組成的薄型板狀結構，其特點是外形復雜，連接面多為不規則曲面，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，通過引入了先進的數控技術，使得零件的加工技術得到了大幅度的提升，零件的制造周期大大縮短，品質也得到了很大的改善。但是，飛機的部件裝配與整體機身的裝配仍沿用傳統的方法，無法適應先進的數控加工技術帶來的效率的提高。飛機裝配技術已經制約著飛機制造業的發展。本文主要介紹了通過使用Elmo運動控制系統，借助多點成形技術實現飛機柔性數字化裝配。

系統工藝流程

圖1

　　多點成形技術是柔性工裝設計的技術基礎，其基本原理為采用多個均勻離散的點來擬合飛機裝配部件的三維型面，通過精確的數字建模，控制各點的點位來達到精準的控制，使工裝表面完全貼合飛機零件表面。使用這種柔性裝配技術可以使飛機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位控制方式，使得該系統具有可重構性，一套該系統可以完成多種表面形狀的零件工裝。
　　固定飛機薄壁板采用的是行列可移動式動態工裝，其基本元器件為可移動的導軌副以及高度可以調整的支撐夾持單元，以上元器件的控制均通過數控伺服完成，通過伺服的不同位置調整使整個工裝系統按照理論的點位分布，使蒙皮達到理論的工裝外形。

系統框架
　　本系統主要包括以下幾個部分：系統計算機主要計算并且給出數學模型；人機界面可以實時的顯示和設定一些現場的工作參數；三維激光測量可以反饋實際的位置值回當前的系統計算機；以色列Elmo公司的MAESTRO多軸控制器為本運動控制系統的核心，配合CAN總線上掛接的多顆Elmo公司的伺服驅動器完成對多個點位的位置控制；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場總線I/O。

圖2

　　通訊部分，主要包括兩大層面：
　　第一層面為以太網層，滿足標準的TCP/IP協議，應用該通訊方式主要有以下好處
• 通訊距離長，以太網的通訊極限一般可以控制到200米，基本上滿足了大型飛機等設備的裝配空間，同時避免了使用光纖通訊所耗費的大量的成本
• 標準的TCP/IP協議，普通的計算機、工控設備可以很好的接入
• 一般用戶都比較熟悉使用，應用控制等技術相對比較穩定、成熟
• 同時配合人機界面在設備現場通過RS-232方式操控和設定工作參數，彌補了以太網長通訊距離造成的操作不便
　　第二個層面為現場總線層面，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帶來如下的好處
• CAN總線為一種集分布式控制和實時控制于一體的串行通訊局域網絡，其高可靠性、高性能、高實時性等特點已經得到了廣泛的認可和應用
• 本系統使用的CAN總線全面支持CANOpen 層面的DS301、DS305、DS401、DS402等協議，DS401、DS402這兩個協議為基于運動控制所開發的通訊協議，可以直接應用于運動控制場合
• 由于以色列Elmo公司的產品全部采用的是CANOpen協議，其相關的通訊底層協議全部為開放式，方便客戶與自己的其他設備連接通訊
• CAN總線上可以掛接其他的設備，例如現場總線I/O，但是所掛接設備必須支持CANOpen協議
• 每個CAN總線理論上可以支持最多108個節點(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個節點，每個節點均可以掛接伺服電機或者CAN總線設備，故對于未來設備的擴展帶來了很多的方便之處

MAESTRO的特點
　　以色列Elmo公司設計生產的MAESTRO為一種基于網絡的多軸運動控制器，可以完成2D、2.5D的差補，多個軸的同步以及開始、停止等類似PLC的運動控制功能，同時其在整個系統的通訊層面可以完成的工作很豐富，諸如：網絡的網關；各個節點的狀態的監控；運動的網絡遠程訪問和控制；CAN現場總線的主站等。
一種基于MAESTRO的多軸運動控制系統可以簡單的用如下的框圖來表示：

圖３

　　其中，我們需要明確幾個定義：
• 軸：每一臺驅動器與每一臺電機組成對，完成單個運動的控制，我們稱其為軸。
• 組：由多個軸組成，可以由MAESTRO發相同的同步指令到組里面的各個軸，其中每個獨立的軸均可以完成獨立的運動，同時我們要求構成組的每個軸的運動形式必須要一致。組可以定義多個。
• 矢量組：一般為由兩個獨立的軸組成的組，通過嚴格的控制時鐘同步來獲得精確的單軸運動定位，借此獲得期望的系統性能，同時矢量組可以完成兩個軸的直線差補、圓弧差補以及螺旋差補等功能。同樣，矢量組也可以定義多個。
以下，我們列出了MAESTRO的基本構成，如圖4。

圖4

　　其中，我們按照功能不同，將其內部分為了五層，分別用不同的顏色表示，具體功能如下：

圖5

　　作為CAN現場總線主站的MAESTRO可以提供很多的網絡功能，其中包括了完成網絡配置；偵測并描述出CAN網絡中存在的CAN設備；通過使用標準的CANOpen協議完成CAN網絡信息的接收和發送；CAN網絡報警信息處理；根據其內部自帶的同步機制完成時鐘同步；通過使用CANOpen的DS301、DS305、DS401、DS402協議完成各個CAN設備之間的通訊等。同時，其作為同步運動控制器還可以實現以下一系列的同步功能：發送同步運動指令到指定的運動單元軸；同步運動單元軸之間的啟動和停止等動作；通過其內部的callback功能實現對運動完成以及Elmo驅動器內部定義的觸發條件等的監控；以及發送通知到上位機等。
　　在與上位機通訊的過程中，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；系統當前的狀態反饋；用戶程序運行情況的反饋；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驅動器的直接操作和監控。
　　在運行用戶程序方面，MAESTRO也有其獨有的一些特點：其作為一個全面可編程的運動控制器可以實現并完成多軸運動的編程工作；可以運行一個或者多個用戶程序；用戶可以通過使用MAESTRO的編程語言來實現對其的編程操作，其編程語言與Elmo公司的驅動器的編程語言類似，都屬于類C的計算機語言，非常容易掌握；同時，其編程環境可以使用Elmo公司提供的Elmo Studio軟件來輕松實現。
　　基于以上的諸多特點，通過MAESTRO與Elmo智能型驅動器的配合使用，我們便構成了一套分布式控制系統的基本框架，用戶可以根據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展，可靠穩定的完成預期功能。

結語：
　　目前，應用該套分布式控制系統的飛機柔性裝配系統已經通過了國家的驗收，準備投入批量生產。由于國內對于CAN總線的研究起步比較晚，在具體應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。但是通過該項目的成功應用，更加堅定了我們對這種分布式控制系統的推廣信心。我們將會加倍努力，將該套控制系統應用于諸如醫療、紡織、印刷等更多的行業和領域。

參考文獻：
[1].飛機數字化柔性裝配關鍵技術及其發展, 航空制造技術, 2006.9

作者簡介：
　　李建輝(1982-)男 畢業于北京郵電大學自動化系 現任天津羅升企業有限公司北京辦事處應用工程師 對Elmo運動控制系統以及伺服控制類應用有比較深入的研究，熟悉自動化系統的構成與具體應用。