基于PAC的自動電磁鉚接系統(tǒng)設(shè)計

石賢明 曹增強 王鵬鵬

(西北工業(yè)大學，西安 710072)

現(xiàn)代飛機的制造過程中，裝配連接質(zhì)量直接影響飛機結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能與可靠性。自動鉚接技術(shù)是機械連接的先進技術(shù)之一，采用全自動電磁鉚接技術(shù)可提高飛機結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，減少操作人員的數(shù)量，延長飛機的壽命[1]。國外已開發(fā)了自動鉚接系統(tǒng)，大多數(shù)是基于PC或可編程邏輯控制器(PLC)的控制系統(tǒng)。而可編程自動化控制器(PAC)是將最佳的PLC、DCS和PC技術(shù)融合在一個統(tǒng)一的、多功能的單元上，用于滿足現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中愈來愈多的復雜要求[2]。先進的控制功能、網(wǎng)絡(luò)連通性、設(shè)備的互操作性和企業(yè)數(shù)據(jù)整合都是工業(yè)應(yīng)用中越來越被重視的，并且現(xiàn)代化的要求大大超出了傳統(tǒng)PLC對I/O信號的控制。PAC的矚目之處在于模塊化的設(shè)計和架構(gòu)，其控制系統(tǒng)的升級非常簡單，因此選擇基于PAC的自動電磁鉚接控制是一種趨勢。筆者開發(fā)了基于PAC的自動電磁鉚接系統(tǒng)，針對自動鉚接的工藝流程和特點，以PAC為控制核心，對系統(tǒng)進行模塊化分析設(shè)計，并進行系統(tǒng)軟硬件、伺服系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)框架及工作原理①

1.1 系統(tǒng)框架

自動電磁鉚接系統(tǒng)包括定位、夾緊、鉆孔/锪窩、涂膠、送釘、鉚接、復檢，以及它們之間的數(shù)據(jù)傳輸、仿真模擬和監(jiān)控系統(tǒng)。為保證自動電磁鉚接鉆鉚系統(tǒng)的高精度、可靠性和安全性，開發(fā)了一套自動控制系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)自動電磁鉚接鉆鉚系統(tǒng)的各個開關(guān)量、電磁閥、壓力傳感器、位移傳感器、編碼器和伺服電機的控制。通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)編輯控制程序?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場遠程監(jiān)控，通過觸摸屏達到簡易控制與模擬仿真。系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu)：上位機選用TPC-1261H觸摸式工業(yè)電腦，下位機選用可編程自動化控制器ADAM-5550KW。該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動電磁鉚接系統(tǒng)的自動開停、故障自動切換和自斷功能，并提供信號遠傳以方便遠程控制。

1.1.1自動電磁鉚接系統(tǒng)編程和仿真系統(tǒng)

自動電磁鉚接系統(tǒng)編程和仿真系統(tǒng)采用ADAM-5550KW的KW-Multiprog軟件和穩(wěn)定的ProConos，并且使用可選擇的HMI軟件和集成的VGA端口，無需在自己的應(yīng)用中配置額外的SCADAPC，它支持WinCE5.0下的5種主要的IEC-61131.3編程語言，包括LD、FBD、SFC、ST和IL。編程和仿真系統(tǒng)的主要功能有：準確提高產(chǎn)品的制孔部位以及鉚接位置、規(guī)劃數(shù)控托架的運動路徑并提供路徑仿真和碰撞檢測，最終通過數(shù)據(jù)傳輸用指令控制終端設(shè)備。

1.1.2自動電磁鉚接控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以ADAM-5550KW為控制核心，分為自動、手動兩種工作模式。通過系統(tǒng)編程生成控制指令控制終端設(shè)備運動?？刂葡到y(tǒng)的主要功能是運行編程系統(tǒng)生成的指令程序，通過數(shù)控托架的移動和旋轉(zhuǎn)執(zhí)行產(chǎn)品的定位，控制液壓設(shè)備夾緊產(chǎn)品，控制鉆孔電機使刀具進行鉆孔，鉚接電機控制鉚接頭伸出、夾緊及縮回等動作進行鉚接，同時接收控制中心發(fā)出的指令，控制冷卻液的開關(guān)等。裝有工業(yè)組態(tài)軟件的觸摸屏電腦通過Modbus/TCP網(wǎng)絡(luò)與ADAM-5550KW通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，觸摸屏電腦顯示系統(tǒng)流程圖畫面并監(jiān)控機組的工作狀態(tài)。系統(tǒng)可實現(xiàn)自動控制并具有手動操作的功能，提供報警顯示和系統(tǒng)故障分析，采用圖形化的人機界面，將工藝流程直觀地顯示在屏幕上，給操作人員提供了一個友好的界面[3,4]。ADAM-5550KW進行底層的控制，一個網(wǎng)口和TPC-1260H通信，一個端口COM3(RS232)與ACS SPiiPlus SAR(六軸高端集成運動控制器)相連接。

1.2 工作原理

自動電磁鉚接控制系統(tǒng)的工作原理如下：

a. 激光跟蹤儀測量參考點坐標，分別建立托架基坐標系、工具坐標系、工件坐標系和移動平臺坐標系，并建立其與裝配坐標系的關(guān)系；

b. 編程和仿真系統(tǒng)從ADAM-5550KW中提取加工信息，結(jié)合現(xiàn)場建立坐標系，按照加工工藝生成制孔和鉚接程序，并通過HMI軟件在顯示屏上直接顯示路徑仿真和干涉檢測，檢驗設(shè)備運動的可行性、準確性和安全性；

c. 控制系統(tǒng)運行加工程序，指令送達終端設(shè)備，通過與設(shè)備的通信，協(xié)調(diào)完成加工任務(wù)。

為了使托架移動到準確位置，設(shè)置了雙測量系統(tǒng)。托架的位置檢測裝置由檢測元件和信號處理裝置組成，用于檢測X、Y、Z軸的直線位移和轉(zhuǎn)動軸A軸的角位移，并將檢測到的信號轉(zhuǎn)換為電信號，再反饋到位置控制調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)閉環(huán)或者半閉環(huán)控制，使托架運動部件能夠隨數(shù)控裝置的運動指令信號精確移動。測量系統(tǒng)由托架第一測量系統(tǒng)和第二測量系統(tǒng)組成，第一測量系統(tǒng)的測量元件是電機自帶的增量式編碼器，它的反饋量需要根據(jù)傳動比等因素進行計算后得出，采用電機編碼器實現(xiàn)半閉環(huán)控制；第二測量系統(tǒng)是光柵尺位置檢測系統(tǒng)，采用全閉環(huán)控制。托架的位置測量系統(tǒng)是雙測量系統(tǒng)，不僅可以完成位置的反饋，更主要的是還能作為速度的反饋。

2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

自動電磁鉚接系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。一臺計算機通過控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實現(xiàn)上位機與下位機的連接，自動電磁鉚接系統(tǒng)是基于Modbus實現(xiàn)的現(xiàn)場總線架構(gòu)的運動控制和邏輯控制，實際上是一種基于PAC和各種控制模塊的開放式PAC系統(tǒng)。Modbus不僅支持多種接口(如RS-232及RS-485等)，而且?guī)袷胶唵?、緊湊、安全性和可靠性高。上位機實現(xiàn)初始化(查詢)，其他設(shè)備可根據(jù)上位機提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。

圖1 自動電磁鉚接系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

對自動電磁鉚接控制系統(tǒng)的硬件具體介紹如下。

上位機。研華TPC1260H，為帶有觸摸式12.1″液晶顯示屏的工業(yè)平板電腦，采用無風扇設(shè)計，配置Transmeta Crusoe 5800低功耗處理器，64MByte內(nèi)存，帶有兩個PCMCIA插槽，提供惡劣環(huán)境下的擴展能力。

下位機。ADAM-5550KW，為8槽可編程帶以太網(wǎng)通信端口的PAC控制器。作為主控器，既負責對采集過來的數(shù)據(jù)進行計算、存儲及查詢等功能，又對托架實現(xiàn)跟蹤定位。

模擬量輸入模塊。ADAM-5017，為8通道模擬量輸入模塊。變送器將壓力及位移等物理信號轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號。由于設(shè)備不能將380V交流電直接轉(zhuǎn)換成ADAM-5017模塊的±20mA輸入電流，所以首先用變壓器將380V電壓信號換成100V電壓信號，選用交流電壓變送器ESS4U將100V交流電壓轉(zhuǎn)換成4～20mA直流電流后輸入到ADAM-5017模塊中，故ADAM-5017模塊的輸入范圍設(shè)置為-20～+20mA。該模塊主要完成工藝過程的模擬量數(shù)據(jù)采集和回路控制，包括上壓頭與下壓頭頂緊零件的壓力，鉆孔與鉚接時刀具庫頂緊零件的壓力，控制壓力傳感器與渦流位移傳感器，保證采集數(shù)據(jù)的準確性和及時性。

模擬量輸出模塊。ADAM-5024，為4通道模擬量輸出模塊，控制相應(yīng)輸出的壓力、位移的變化，輸出范圍設(shè)置為4～20mA。

離散量擴展模塊。ADAM-5051，為16通道數(shù)字量輸入模塊。主要采集現(xiàn)場設(shè)備開關(guān)量數(shù)據(jù)，包括設(shè)備準備好、運行及系統(tǒng)啟/停等，控制各個啟/停量按鈕。

四軸步進/脈沖型伺服電機控制模塊。ADAM-5240，主要控制鉚接軸伺服電機和鉆孔軸伺服電機。

高端集成運動控制器。ACS SPiiPlus SAR，可實現(xiàn)多軸同步，帶有sin-cos編碼器接口，主要控制X、Y、Z、A、B伺服電機。

數(shù)字量輸出模塊。ADAM-5056，為16通道數(shù)字量DO模塊，主要控制提供液壓油的液壓泵組與電磁閥。

自動電磁鉚接控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

a. 控制托架精確移動，并通過壓力傳感器確定工件夾緊，實現(xiàn)閉環(huán)控制；

b. 控制兩軸電機準確旋轉(zhuǎn)，精確制孔，并通過壓力傳感器與氣動設(shè)備，準確送釘并進行鉚接；

c. 終端設(shè)備實現(xiàn)閉環(huán)控制；

d. 主軸啟/停、冷卻液開關(guān)、電磁閥、急停開關(guān)、位移傳感器及壓力傳感器等I/O信號處理；

e. 設(shè)備與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

2.2 PAC系統(tǒng)模板的信號連接

由于電壓和電流是交流信號，所以先將電壓和電流轉(zhuǎn)換成直流信號，進而送至輸入模塊進行測量。利用信號轉(zhuǎn)換接口電路，完成傳感器到ADAM-5550KW系統(tǒng)模板的信號連接(圖2)。

圖2 傳感器到ADAM-5550KW系統(tǒng)模板的信號連接

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

自動電磁鉚接系統(tǒng)軟件包括上位機軟件與下位機軟件。

3.1 上位機軟件

上位機軟件采用三維力控的組態(tài)軟件為開發(fā)平臺。首先創(chuàng)建流程圖畫面、實時數(shù)據(jù)庫并定義I/O設(shè)備，再制作動畫連接，運用SIMULATOR仿真程序設(shè)計腳本動作，最后系統(tǒng)運行安裝包進而仿真模擬。在組態(tài)軟件中，要實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的動態(tài)控制，首先進行通道的建設(shè)、編輯、工程量轉(zhuǎn)換、圖形組態(tài)和對象通道的設(shè)置，其次把輸入輸出量與通道聯(lián)系起來，進而完成對整個系統(tǒng)的仿真，最后達到系統(tǒng)控制的目的。同時利用編程里的程序設(shè)計、設(shè)置各個參數(shù)，生成高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)可實時顯示監(jiān)控畫面，包括系統(tǒng)的啟/停、壓力設(shè)定及報警記錄等，并通過顏色的變化來表明設(shè)備運行的狀態(tài)，狀態(tài)分為無準備、準備、運行和報警4種，同時設(shè)置對應(yīng)顏色按鈕進行閃爍，用鼠標點擊畫面上的相應(yīng)設(shè)備，便彈出啟/停對話框，點擊電機啟動按鈕啟動現(xiàn)場設(shè)備。傳感器的瞬時值依據(jù)實際安裝位置被分別標注到不同的分布工藝流程圖中，其歷史數(shù)據(jù)被保存到相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)庫中，在趨勢圖中可檢索查詢。

3.2 下位機軟件

下位機軟件采用ADAM-5550KW自帶的KW-Multiprog軟件，軟件的自動化接口可以保持數(shù)據(jù)的一致性，還為其他工具提供開放的數(shù)據(jù)接口，并且外部創(chuàng)建或修改其工程數(shù)據(jù)，增加特殊屬性。由于所有的基本數(shù)據(jù)可以在軟件中顯示，因而也不需要在編程和調(diào)試之間進行頻繁的切換，可提高工作效率。采用Multiprog軟件來開發(fā)控制程序。在裝有WindowsXP系統(tǒng)的機器上進行編程，控制器開發(fā)完成后，將控制程序的引導文件下載到PAC中，再次運行，可以達到脫離開發(fā)機獨立運行的目的。通過軟件建立工程、編寫控制程序、編譯下載程序及調(diào)試程序等，從而實現(xiàn)監(jiān)控和對伺服電機的控制[5]。用戶接口如圖3所示。

圖3 用戶接口界面

3.3 監(jiān)控設(shè)計

3.3.1通信設(shè)計

自動電磁鉚接系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)程序采用VB.net編寫，在PAC自帶的WinCE系統(tǒng)環(huán)境下運行，PAC內(nèi)嵌VGA接口和USB接口，外接鼠標鍵盤。在開發(fā)機進行控制程序編寫后，通過下載引導文件實現(xiàn)PAC的脫機運行，同時在PAC中監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)。上位機組態(tài)軟件支持標準Modbus/TCP設(shè)備，ADAM-5550KW通過Modbus/TCP與上位機組態(tài)軟件進行通信，實現(xiàn)ADAM-5550KW中I/O點的狀態(tài)讀取，并控制AO/DO點狀態(tài)和中間變量的狀態(tài)。首先設(shè)置設(shè)備的IP和設(shè)備號，再通過程序的編寫使監(jiān)控系統(tǒng)讀取寄存器中的數(shù)據(jù)并顯示在界面上。

3.3.2I/O模塊監(jiān)控

Web服務(wù)器的設(shè)置可實現(xiàn)對I/O模塊的通道狀態(tài)進行遠程監(jiān)控。首先在ADAM-5550KW上進行配置，運行WinCE系統(tǒng)下的Configuration Utility軟件，在Misc中修改相關(guān)設(shè)置。修改完成后，打開IE瀏覽器，在地址欄內(nèi)輸入ADAM-5550KW的IP地址，進入登錄界面，點擊ADAM-5550KW即可顯示I/O模塊的信息，點擊模塊名即可顯示該模塊各通道的狀態(tài)，并可以對模塊狀態(tài)進行設(shè)置。

3.4 伺服電機控制

自動電磁鉚接系統(tǒng)主要通過軟件編程、運載程序，進而控制伺服電機。電機控制部分主要由伺服電機、驅(qū)動器、控制器和傳感器構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 電機控制原理

控制器通過接口接收ADAM-5550KW發(fā)出的數(shù)據(jù)和指令，并通過驅(qū)動器控制伺服電機按照參數(shù)設(shè)置運行，控制器除接收數(shù)據(jù)和命令外，還具有智能控制功能，實現(xiàn)對運行位置的精確控制。在運行過程中，控制器檢測位置傳感器的信號，作為確認起始位置及位置定位等的控制依據(jù)，實現(xiàn)反饋功能。自動電磁鉚接系統(tǒng)的總體功能主要通過自動鉚接和數(shù)控托架實現(xiàn)，數(shù)控托架的控制主要由ACS SPiiPlus SAR來實現(xiàn)五軸聯(lián)動控制，首先計算伺服電機的轉(zhuǎn)速，得到數(shù)控托架的移動速度及B軸旋轉(zhuǎn)速度，因而在控制的設(shè)備設(shè)定速度及方向等參數(shù)；在ADAM-5550KW中運行組態(tài)軟件進行參數(shù)的設(shè)定和狀態(tài)的觀察，通過數(shù)字輸入和模擬輸入，采用KW-Multiprog軟件進行編程控制五軸電機的工作，再通過協(xié)議傳輸給SPiiPlus SAR，整個直接在顯示器可以顯出，在有本身自帶sin-cos編碼器實現(xiàn)反饋，進而安全控制X、Y、Z、A和B軸的旋轉(zhuǎn)。ADAM-5240是四軸伺服電機控制模塊，滿足系統(tǒng)中的鉆刀軸和鉚接軸的需要，一軸旋轉(zhuǎn)進給，一軸垂直下降進給，設(shè)備設(shè)定下降速度及旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)，ADAM-5240模塊直接插在ADAM-5550KW相應(yīng)位置上，在運行軟件進行參數(shù)的設(shè)定和狀態(tài)的觀察，在KW-Multiprog軟件進行編程，從而控制兩軸的運動。

4 結(jié)束語

通過對自動電磁鉚接系統(tǒng)的軟/硬件的設(shè)計，系統(tǒng)采用模塊原則，結(jié)合觸摸屏人機界面(HMI),實現(xiàn)實時分析、網(wǎng)絡(luò)通信及控制等功能,對控制系統(tǒng)的集成化控制和監(jiān)測，達到系統(tǒng)的自動化。