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基於華中數（shù）控係統的複合加工（gōng）機床控製係統

2018-7-17 來源：南京航空航天大學機電學院作者：王（wáng）夏望，沈建新，田威

摘要為了提高機身大部（bù）件在裝配過程中鑽孔鉚接的效率，並滿足高精度製孔要求，設計了由五軸機床（chuáng）和末端執行器組成（chéng）的自動化協同鑽（zuàn）鉚控製方案。機床本體（tǐ）及高精度轉台采用華中（zhōng）數控係統控製，末端執行器采用倍福 PLC程序控製。在明確鑽鉚需求後設計了基於工業網絡的硬件組態和基於多軟件平台的軟件（jiàn）組態，並利用 Microsoft Visual Studio 開發平台編寫了上位機集成控製軟件。控製係統分別采用 Ethernet 和 Ether CAT 工業以太網（wǎng）實現上位機控製係統和華中數控係統、倍（bèi）福 PLC 控製程序（xù）的通信連接（jiē）。在集成控製軟件中通過套接字進行以太（tài）網通信接口開發，並在複合加工（gōng）機床上進行試驗驗證。該控製係統具有穩定性好、集成（chéng）度高、響應快、效率高的特點，能夠滿（mǎn）足鑽鉚需（xū）求。

關鍵詞：五軸機床；末端（duān）執行器；華中數控係統；硬件組（zǔ）態；軟件組態；通（tōng）信

飛機機體（tǐ）構造複雜，零件（jiàn）和連接件數量眾多。機身大部件要求長壽命、高強度、密封、抗疲勞，對連接孔的（de）製備精度（dù）有非常高的要求。傳統飛機裝配中的製孔存在諸多（duō）缺點，例如孔位精度差、易形成（chéng）缺陷、需要二（èr）次裝配等。隨著計算機技術、自動化技術的發展，開發用於機身大部件裝配的複合（hé）加工（gōng）機床，實現高精度自動鑽鉚功能，成為飛機先進製造技術的研究熱點之一（yī），也是飛機裝配技術的發展方（fāng）向。

用於（yú）飛機數字化自動裝（zhuāng）配的（de）複合加工機床在國外已經得到廣泛研究（jiū）與應用。美國 GEMCOR 公司（sī）的G2000 型鑽鉚機（jī）可以鉚接弧度大於180°的超級壁板。Electroimpac 公司生產的 E7000 自動鑽鉚係統每分鍾鉚接數量（liàng）達到 15 個（圖（tú） 1）。

圖1 E7000自（zì）動（dòng）鑽鉚係統

我國的複合加工機床研究雖（suī）然起步較晚，但目前在實踐中得（dé）到諸（zhū）多應用。南京航空航天大學自（zì）主研發的基於工業機器人的自動製孔係統可以實（shí）現製孔節拍（pāi） 3~4 個 /min。基於（yú）華中數控係統的（de）複（fù）合加工機床能夠實現（xiàn） 6 個 /min 的鑽孔效率。

華中數控是國（guó）內最早開發數控係統、伺服電動機和驅動成套數控（kòng）裝置的企業。其自主研（yán）發的 HNC-8型全數字總線式高檔數控係統采用（yòng）模塊化、開（kāi）放式結（jié）構（gòu）體係。該係列數控係統基 NCUC 工業現場總線技術，具有多通道控製、五（wǔ）軸加工、高速高精度等功能。

針對機身大部件鑽（zuàn）鉚的具體加工（gōng）指標，複合加工機床采用上下位機控製體係（xì）。在上（shàng）位層采用 C++ 高級語言開發的（de）集成控製軟件，下位層為華中數控係統、倍福 PLC 控製程序。控製係統集成了（le）運動控製（zhì）、鑽鉚加工、數據測量等功能（néng），能很好地滿足自動（dòng）鑽鉚任務的需求。

控製係統硬件（jiàn）組態（tài）

用於機身大部件自動鑽鉚的複合加工（gōng）機床為五軸聯動數控機床，其整體結構如圖 2 所（suǒ）示。機床本（běn）體采用華中數控係統控製，用（yòng）於承載末端執行器，控製其沿 X、Y、Z 軸方向移動以及繞 X、Y 軸方向轉動。高精度轉台（tái）作為（wéi）機床的重要附（fù）件，用以（yǐ）裝夾工件並實現回轉和分度（dù）定位，同樣采用華中數（shù）控係統控製。末（mò）端執行器由倍福 PLC 係統控製，主要包括基準檢測、法向找正、自動送釘、鑽孔锪窩等模塊用以實現鑽鉚加工（gōng）的功能。機床本（běn）體硬件組態如圖 3 所示。

圖2 複合加工機床整體結構

圖3 自動鑽鉚係統硬（yìng）件組態

1、基於 NCUC 總線的華中（zhōng） 8 型數控係統

NCUC 現場總線適用於（yú）高速、高精的數控機床領域，是國（guó）內首個（gè）現場總線的國家標準。標準 OSI 通（tōng）信（xìn）參（cān）考模型（xíng）具有 7 層結構，能夠支持非常強大的通信需（xū）求。NCUC 總線參照該模型簡化為物理層、數據鏈路層和應用層（céng），具有全數字、串行、同（tóng）步、雙向、多站點的特點（diǎn）。HNC-8 數控係統是 NCUC 總線的典型應用，如圖 4 所示。HMI 提供人機交互界麵，其中的 IPC 單元用以運行數控裝置係統軟（ruǎn）件。伺服驅動器用於控製電機運動。I/O 設備用於數字量、模擬量信號的輸入輸出。NCUC 現場總線將伺（sì）服驅動器、I/O設備（bèi）等連接（jiē）到（dào） IPC 單元。X、Y、Z 軸為直線軸，分別控製機床本體的 x、y、z 向運動。由於 y向承載包括末（mò）端執（zhí）行器、x 軸滑台等機械部件，負載非常大。所以 Y 軸運動由兩個電（diàn）機同步控製，通過（guò）在HNC-8 係統中設置相應參數（shù）實現，如圖 5 所示。A 軸和 B 軸為旋轉軸，在刀具法向找正時調整末端執行器的姿態，使刀具軸線方向垂直於蒙皮表麵待鉚接點的切平麵。C 軸控製高（gāo）精度轉台運動。

圖4 華中數控係統總線

圖5 HNC-8係統參數（shù）

2、係統通（tōng）信鏈路架構

為保證整個鑽鉚加工（gōng）係統的協調性與一致性，采用在上位層係（xì）統中集成（chéng）控製華中（zhōng）數控係統和倍福 PLC控（kòng）製程序。由於華中數控係（xì）統和倍福（fú） PLC 控製（zhì）係統使用的通信方式和協議不兼容，構建係統控製網絡（luò）時采用雙通信主線的架構，具體通信（xìn）鏈路如圖 6 所示。華（huá）中數控（kòng）係統主要負責完成非實（shí）時的點位運動控製。HNC-8 數控係統 IPC 單元提供（gòng）以太網接（jiē）口，因而采用 Ethernet 網（wǎng）絡將上位機控製係統與華中（zhōng）數控係統連接通（tōng）信。Ethernet 遵循 TCP/IP 協議，具有傳輸速度（dù）快、穩定性好以（yǐ）及使用簡單的特（tè）點。Ethernet 通信接口采用 Socket組件開發（fā），實現華中數控（kòng）係統的運動指令自上而下傳輸以及華中（zhōng）係（xì）統自身狀態信息的自下而上反饋。末端執行器所有的輸入輸出設備都由倍福公司的 Twin CAT 軟件進行控製（zhì）。Twin CAT 自動化軟（ruǎn）件是倍福基於 PC 控製係統的核心（xīn）部分，與工業計算機結合（hé）在（zài）一起，可以將現有（yǒu）的 Windows 係統改造為（wéi）實時控製係統，構建功能強大的基於 PC 的全軟件控製係統。倍福 PLC 控製係（xì）統通過EtherCAT現場（chǎng）總線將I/0模塊及總線藕合模塊與TwinCAT控製軟件相藕合，形成完（wán）整的通信網絡EtherCAT現場總線是倍福公司自主研（yán）發的實時工業以太網。該總線以以太（tài）網為基礎，具有超快的數據（jù）傳輸速度，靈活的拓撲結構（gòu），出色的調試診斷性能，因而極大地提高了係統（tǒng）的實時性能。上位機PC通過網卡2,借助以太網線與倍福EK1100藕合器連接，實現上位機控製係統對末端執行器的實（shí）時控製。

圖6 係統通信鏈路

控製係統軟件組態

在軟件層麵，主（zhǔ）要有上位機集成控製軟件、倍福 PLC 控製程序、HNC-8 係統軟件等。當同時運行這幾種軟件時，需要進行主從結構設定，時序控製規劃，通信（xìn）接口（kǒu）開發等，從（cóng）而（ér）使軟件係統能夠穩定、有序地協同執行各部分指令，完成既定任務。

1、軟件組（zǔ）態整體方（fāng）案設（shè）計

上位機集成（chéng）控製軟件在係統（tǒng）軟件組態中處於主導地位（wèi），負責規劃整個鑽（zuàn）鉚係統的加工任務，監測現（xiàn）場加工任務的執行情況，如圖 7 所示。上位機集成控製軟件向 HNC-8 數控係統發送點位指令，控製（zhì）各坐標軸運動到指定位置；向倍福 PLC 控製（zhì）程序發送加（jiā）工指令，獲（huò）取現場（chǎng）數字量模擬量數（shù）據並調用相應算法程序處理，進而控製完成調姿、鑽鉚等加工任務。HNC-8 數控係統獲得上位機控製係（xì）統發（fā）送的點位信息後執行完成指定運動，並向上位機反饋此（cǐ）時的位姿信息（xī）。

圖7 控製係（xì）統軟件組態

倍（bèi）福 PLC 控製程（chéng）序接收上（shàng）位（wèi）機控製係統加工（gōng）參數設置、被控設備動作等加（jiā）工指令，從而實現加（jiā）工（gōng）任務。同時（shí）完成對各（gè）數字量與（yǔ）模擬量的數據采集與控製並向上傳輸給上位機控製係（xì）統。

2、上位機集成控製軟件架構

上位機集成控製軟（ruǎn）件采（cǎi）用界麵層與邏輯（jí）層相分離的設計思想。用戶界麵層獨立於核心功能層設計，以XML文件為載體（tǐ）與（yǔ）核心功能層（céng）相關聯。用戶界麵層選用 Duilib 界麵庫進行開發設計（jì），按照自動鑽（zuàn）鉚控製係統功能劃分為 5 個模塊，以分層頁麵的形式加以設計和管理。核心（xīn）功能層選用 UML 可視化語（yǔ）言構建軟（ruǎn）件的整體框架，將整個底層分為通信控製、數據庫管理、報警管理、日誌管（guǎn）理等（děng）模塊，並設置統一函數接口調用上述功能（néng）模塊，方便用（yòng）戶在界（jiè）麵上的操作能得到快（kuài）速、準確的傳達和執行，如圖 8 所示。

圖8 集成控製軟件架構

數據庫管理模塊作為數據庫應用（yòng）的接口，主要用（yòng）於（yú）存儲管理用戶信息、刀具庫（kù）信息、現場測量數據以及係統關鍵信息等。采用（yòng）微軟公司推出的（de）關係型數據庫管理係統 SQL Server 作為數據庫軟件，同時在控製軟件中要包含其靜（jìng）態庫文件。

報警管理和日誌（zhì）管理模塊作為日誌和報警管理（lǐ）接口，主要用於軟件（jiàn）、設備操作日誌管（guǎn）理和係統故障報警信息管理。選用（yòng） C++ 開源日（rì）誌庫log4cplus 進（jìn）行（háng）日誌管（guǎn）理。log4cplus將日誌信息和報警信息分（fèn）別生成兩份 Text 文件（jiàn），並對這些信息進行編（biān）號和等級劃分。同時重點開發通信控製（zhì）模塊（kuài），選用（yòng）高效（xiào）、穩定的通（tōng）信方式和（hé）協議完成上位機集成控製係統與下位層HNC-8 數控係統、倍福 PLC 控製程序之間的（de）數據交互，切實發揮上位機集成控製軟（ruǎn）件在加工控製係統中的主導作用。

係（xì）統通（tōng）信接口開發

上位機控製係（xì）統與（yǔ）華中數控係統的通（tōng）信采用 Socket 套接（jiē）字方式，根據鑽鉚加工需求開發出多種工作模（mó）式。上位機控（kòng）製係統既可以作為服務端，也可以作為客戶端，從而獲得更強的兼容性。

1、Socket 通信基礎

網絡中進程之間進行（háng）相互通（tōng）信的基本前（qián）提是（shì）能夠對進程實現（xiàn）唯一的標識。IP 層的“IP 地址”可以唯一（yī）標識網絡中的主機，而 TCP 層的“協議 + 端口”可以唯一標識主機中的（de）一個進程（chéng）。因而 TCP/IP 協議族可以通過（guò） 3 個以上參數在網絡中對進程進行唯一（yī）標識。Socket 把 TCP/IP 層（céng）複雜的操作化簡為幾個簡單的接口，直接調用這些（xiē）接口就可以實現（xiàn）進程在網絡中的通信。它（tā）將（jiāng）一個 Socket 與TCP/IP協議的 3 個參數綁定，在不同（tóng）主機間建立雙向通信的端點，協議的（de）應用層就可以通過套接字接口區分來自不同網絡連接（jiē）或不同應用程序進程（chéng）的通信，從而使數（shù）據並發傳輸。

2、上位機軟件通信接口開發

在（zài） windows 平台下進行 HNC-8 的通信接口開發，需要將 HNC-8 的相關（guān）軟件包文件加載到（dào）軟件（jiàn）的工程文件夾中。然後在上位機軟件中調用華中數控（kòng）提供的（de）接口函數完成通信。上位機與華中數控通信采用Socket 通信具體實（shí）現過程：

（1）設置（zhì） HNC-8 數控係統參數。將係統 NC 參數中“是否啟動網絡”值設置為 1，即（jí）允許進行網絡通信。

（2）配（pèi）置 Microsoft Visual Studio開發（fā）環境。在附加包含目錄中加入接（jiē）口函數頭文件的路徑；在（zài）附加依賴項中加入 lib 庫文件路徑；在生成的目標文件所在文件（jiàn）夾中加入 dll 文件。

（3）綁定（dìng）本地 IP 地址和端口。調用 HNC_Net Init Net Init（const Bit8 *ip, u Bit16 port）函數，將兩（liǎng）個參（cān）數分別設置為（wéi）上位（wèi）機的（de） IP 地址和端（duān）口號，完成與套接字的綁定。

（4）向華中數控係統發送連接請求。調（diào）用 HNC_Net Connect（constBit8 *ip, u Bit16 port）函數，將兩個參數分別設置為向華中係統 IP 地址和端口號。華中係統接受請求後完成連接。

在（zài）完成接口開發後，便可以利（lì）用HNC-8 數控係統預留的函數（shù）接（jiē）口完成上位機與華中係統的數據（jù）交互，實現上位機對華（huá）中係統的控製。常（cháng）用（yòng）函數（shù）接口如表 1 所示（shì）。華中數控以太網通信試驗針對複合加工機床控製係統，以上述（shù）軟件架構進行（háng）上位機集成控製軟件（jiàn）編寫。同時完成華中數控通信接口的（de）開發，並在複合加工機床上進行通信試驗驗證。

表1 華中數控係統接口函數

圖9 通信（xìn）試驗結果

結果如圖 9 所示，華中數控係統成功與上位機軟件完成通信連接，能夠執行上位機軟件（jiàn）下發的運動指令。同時上位機軟件（jiàn）能夠讀（dú）取華中數控係統當前的狀態信息，並以 100ms 為

函數功能HNC_System Get Value 獲（huò）取係統（tǒng）數據值（zhí）HNC_Channel Get Value 獲取通道數據值HNC_Axis Get Value 獲取軸數據值HNC_Fprog Get Full Name 獲取（qǔ）當前程（chéng）序名刷新周期在軟件界麵上顯示。

結論

（1）對機身大部件複合加工機床（chuáng）控製係統進行總體架構設計，采用Ethernet 和 Ether CAT 兩種（zhǒng）通（tōng）信方式實（shí）現係統由上而下的控製。

（2）華中 HNC-8 數控係統能夠滿足鑽（zuàn）鉚係統的運動控製要求，完（wán）成加工任（rèn）務（wù）。

（3）集（jí）成控製軟件運行穩定，通信響應迅速，充（chōng）分發揮了其主導（dǎo）作用（yòng）。

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