飛機(jī)的部件成千上萬，其中很多的結(jié)構(gòu)件為鈑金件或復(fù)合材料組成的薄型板狀結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是外形復(fù)雜，連接面多為不規(guī)則曲面，同時(shí)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(jìn)的數(shù)控技術(shù)，使得零件的加工技術(shù)得到了大幅度的提升，零件的制造周期大大縮短，品質(zhì)也得到了很大的改善。但是，飛機(jī)的部件裝配與整體機(jī)身的裝配仍沿用傳統(tǒng)的方法，無法適應(yīng)先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)帶來的效率的提高。飛機(jī)裝配技術(shù)已經(jīng)制約著飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展。本文主要介紹了通過使用Elmo運(yùn)動控制系統(tǒng)，借助多點(diǎn)成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)柔性數(shù)字化裝配。

系統(tǒng)工藝流程

圖1示出工藝流程。多點(diǎn)成形技術(shù)是柔性工裝設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)，其基本原理為采用多個(gè)均勻離散的點(diǎn)來擬合飛機(jī)裝配部件的三維型面，通過精確的數(shù)字建模，控制各點(diǎn)的點(diǎn)位來達(dá)到精準(zhǔn)的控制，使工裝表面完全貼合飛機(jī)零件表面。使用這種柔性裝配技術(shù)可以使飛機(jī)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(shí)由于其采用了離散式的點(diǎn)位控制方式，使得該系統(tǒng)具有可重構(gòu)性，一套該系統(tǒng)可以完成多種表面形狀的零件工裝。

圖1 工藝流程圖
固定飛機(jī)薄壁板采用的是行列可移動式動態(tài)工裝，其基本元器件為可移動的導(dǎo)軌副以及高度可以調(diào)整的支撐夾持單元，以上元器件的控制均通過數(shù)控伺服完成，通過伺服的不同位置調(diào)整使整個(gè)工裝系統(tǒng)按照理論的點(diǎn)位分布，使蒙皮達(dá)到理論的工裝外形。

系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:系統(tǒng)計(jì)算機(jī)主要計(jì)算并且給出數(shù)學(xué)模型;人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)的顯示和設(shè)定一些現(xiàn)場的工作參數(shù)；三維激光測量可以反饋實(shí)際的位置值回當(dāng)前的系統(tǒng)計(jì)算機(jī);以色列Elmo公司的MAESTRO多軸控制器為本運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心，配合CAN總線上掛接的多顆Elmo公司的伺服驅(qū)動器完成對多個(gè)點(diǎn)位的位置控制;同時(shí)，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(xiàn)場總線I/O。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架
通訊部分

通訊部分，主要包括兩大層面:

第一層面為以太網(wǎng)層

滿足標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用該通訊方式主要有以下好處:

通訊距離長，以太網(wǎng)的通訊極限一般可以控制到200m，基本上滿足了大型飛機(jī)等設(shè)備的裝配空間，同時(shí)避免了使用光纖通訊所耗費(fèi)的大量的成本;
標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，普通的計(jì)算機(jī)、工控設(shè)備可以很好的接入;
一般用戶都比較熟悉使用，應(yīng)用控制等技術(shù)相對比較穩(wěn)定、成熟;
同時(shí)配合人機(jī)界面在設(shè)備現(xiàn)場通過RS-232方式操控和設(shè)定工作參數(shù)，彌補(bǔ)了以太網(wǎng)長通訊距離造成的操作不便。

第二個(gè)層面為現(xiàn)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(tǒng)帶來如下的好處:

CAN總線為一種集分布式控制和實(shí)時(shí)控制于一體的串行通訊局域網(wǎng)絡(luò)，其高可靠性、高性能、高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用;
本系統(tǒng)使用的CAN總線全面支持CANOpen 層面的DS301、DS305、DS401、DS402等協(xié)議，DS401、DS402這兩個(gè)協(xié)議為基于運(yùn)動控制所開發(fā)的通訊協(xié)議，可以直接應(yīng)用于運(yùn)動控制場合;
由于以色列Elmo公司的產(chǎn)品全部采用的是CANOpen協(xié)議，其相關(guān)的通訊底層協(xié)議全部為開放式，方便客戶與自己的其他設(shè)備連接通訊;
CAN總線上可以掛接其他的設(shè)備， 例如現(xiàn)場總線I/O，但是所掛接設(shè)備必須支持CANOpen協(xié)議;
每個(gè)CAN總線理論上可以支持最多108個(gè)節(jié)點(diǎn)(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(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以掛接伺服電機(jī)或者CAN總線設(shè)備，故對于未來設(shè)備的擴(kuò)展帶來了很多的方便之處。

MAESTRO的特點(diǎn)

以色列Elmo公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MAESTRO為一種基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運(yùn)動控制器，可以完成2D、2.5D的差補(bǔ)，多個(gè)軸的同步以及開始、停止等類似PLC的運(yùn)動控制功能，同時(shí)其在整個(gè)系統(tǒng)的通訊層面可以完成的工作很豐富，諸如:網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān);各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的監(jiān)控;運(yùn)動的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問和控制;CAN現(xiàn)場總線的主站等。

一種基于MAESTRO的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)可以簡單的用如圖3所示的框圖來表示:

圖3 多軸運(yùn)動控制器框圖
其中，需要明確幾個(gè)定義:

軸:每一臺驅(qū)動器與每一臺電機(jī)組成對，完成單個(gè)運(yùn)動的控制，稱其為軸。
組:由多個(gè)軸組成，可以由MAESTRO發(fā)相同的同步指令到組里面的各個(gè)軸，其中每個(gè)獨(dú)立的軸均可以完成獨(dú)立的運(yùn)動，同時(shí)要求構(gòu)成組的每個(gè)軸的運(yùn)動形式必須要一致。組可以定義多個(gè)。
矢量組:一般為由兩個(gè)獨(dú)立的軸組成的組，通過嚴(yán)格的控制時(shí)鐘同步來獲得精確的單軸運(yùn)動定位，借此獲得期望的系統(tǒng)性能，同時(shí)矢量組可以完成2個(gè)軸的直線差補(bǔ)、圓弧差補(bǔ)以及螺旋差補(bǔ)等功能。同樣，矢量組也可以定義多個(gè)。

圖4 MAESTRO的基本構(gòu)成
圖4列出了MAESTRO的基本構(gòu)成。

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

作為CAN現(xiàn)場總線主站的MAESTRO可以提供很多的網(wǎng)絡(luò)功能，其中包括了完成網(wǎng)絡(luò)配置;偵測并描述出CAN網(wǎng)絡(luò)中存在的CAN設(shè)備;通過使用標(biāo)準(zhǔn)的CANOpen協(xié)議完成CAN網(wǎng)絡(luò)信息的接收和發(fā)送;CAN網(wǎng)絡(luò)報(bào)警信息處理；根據(jù)其內(nèi)部自帶的同步機(jī)制完成時(shí)鐘同步;通過使用CANOpen的DS301、DS305、DS401、DS402協(xié)議完成各個(gè)CAN設(shè)備之間的通訊等。同時(shí)，其作為同步運(yùn)動控制器還可以實(shí)現(xiàn)以下一系列的同步功能:發(fā)送同步運(yùn)動指令到指定的運(yùn)動單元軸;同步運(yùn)動單元軸之間的啟動和停止等動作；通過其內(nèi)部的callback功能實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動完成以及Elmo驅(qū)動器內(nèi)部定義的觸發(fā)條件等的監(jiān)控;以及發(fā)送通知到上位機(jī)等。

在與上位機(jī)通訊的過程中，MAE-STRO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(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)反饋;用戶程序運(yùn)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(shè)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(qū)動器的直接操作和監(jiān)控。