ｌ 匐 化 基于工艺数据驱动的工艺装备自动控制技术 Ｐｒｏｃｅｓｓ ｄａｔａ ｄｒｉｖｅｎ ｂａｓｅｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 李洲洋’，谷文韬 ，郝丁 ，李旭东 ，李时威。 ＬＩ Ｚｈｏｕ．ｙａｎｇ。，ＧＵ Ｗｅｎ—ｔａｏ。，ＨＡＯ Ｄｉｎｇ ，ＬＩ Ｘｕ—ｄｏｎｇ ，Ｌｌ Ｓｈｉ－ｗｅｉ （１．西北工业大学机电学院，西安７１００７２；２．首都航天机械公司，北京１０００７６； ３．北方光电股份有限公司，西安７１００４３） 摘要：工艺装备的运动精度和自动化程度对于产品质量和制造周期具有决定性的作用。为提高工艺装 备的运动精度和自动化程度，通过对复杂产品制造过程的研究，以及对工艺数据与工艺装备 关系的分析，建立基于工艺数据驱动的工艺装备自动控制体系。为满足工装自动控制的信息 需求，通过对工艺数据的分析，建立面向工装自动控制的工艺信息模型，在此基础上研究基 于数据驱动的工艺装备自动控制技术，构建基于工艺数据驱动的工装自动控制管理平台，实 现工艺装备控制的自动化和数字化，提高工装的运动精度，保证产品质量。并通过工程应用 实例验证了本文方法的可行性和有效性。 关键词：数据驱动；工艺装备；自动控制 中圈分类号：ＴＰ２０５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１１）６（上）一Ｏ１１４一Ｏ５ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１１．６（上）．３４ ０引言 工艺装备（简称工装）是火箭、飞机等大型 复杂产品制造所必不可少的保障条件和重要组成 器…等模拟量作为产品制造和协调的依据。对于工 装自动化技术的研究主要集中在产品装配过程的 数字化仿真及柔性工装等理论研究方面 ，对于 工装自动控制技术的研究尚处于起步阶段。 为提高工装的自动化水平，本文通过对飞 部分，是保证产品制造过程中各零部件间的协调 与互换，乃至最终产品质量的重要依据。工装的 运动精度和自动化程度对于产品质量和制造周期 具有决定性的作用 ＇２】。目前，工装仍以手工作 业或人工控制为主，以模拟量传输协调各工艺流 机、火箭等大型复杂产品制造过程及工艺数据的 分析，建立面向复杂产品的工艺信息模型。采用 数字化驱动及控制技术，研究基于数据驱动的工 装自动控制技术，构建基于工艺数据驱动的工装 程，对工装的定位精度和运动精度缺乏精确的数 字化控制，精度差，生产效率低。低效的工装设 备已经成为制约新产品快速研制和生产的巨大障 自动控制体系，实现工艺装备的自动化控制，有 效提高工装运动精度。 碍。如何提高工艺装备的运动精度和自动化程 度，保证产品质量，缩短产品制造周期，已经成 为制造企业迫切需要解决的问题。 为提高大型复杂产品的生产效率，保证产品 １基于工艺数据驱动的工装自动控 制体系 在产品制造过程中，工人依据工艺文件对工 装进行控制、调节和定位，然后进行产品的生产 和装配。由此可知，工艺数据是工装运动和控制 的基础和数据源头。因此，通过对工艺数据的分 析，建立面向工装自动控制的工艺信息模型。以 工艺数据为源头，研究基于工艺数据的工装自动 控制技术，构建基于工艺数据驱动的工装自动控 制体系，实现工装的自动化和数字化控翩，有效 提高运动精度和生产效率，保证产品质量。基于 工艺数据驱动的工装自动控制体系如图１所示。 质量，国内外的许多专家进行了大量的研究，研 制了许多的自动化工装。目前，国外大型飞机制 造公司生产和装配中普遍采用由计算机控制的数 字化自动工装系统，如波音７１７的飞机装配移动生 产线；Ｆ３５飞机大部件自动化对接系统；空客的机 翼壁板柔性装配系统等” ，大幅提高了产品质量 和生产效率，缩短了生产周期。而国内飞机、火 箭等大型复杂产品的工艺装备仍采用手工或半自 动控制方式，主要以模线、样板及专用定位夹紧 般稿日期：２０１０－１２－２４ 作吉简介：李洲洋（１９７９一），男，讲师，博士，主要从事机电一体化及企业信息化等方面的研究工作。 【１１４］ 第３３卷第６期２０１１－６（上） 参ｌ 匐秒 ＢＯＭ管理 工艺编制 用户管理 运动控制 运动 驱动设备 可从工艺数据库中获取工艺信息，并从工艺信息 一Ｌ 。 一一 一一一 系 控制 ：：二二：：二二 流程管理 版本控翩 ≤ 话测 ０统驱动器 中提取工作流程、工装类型、工装的运动模式、 ＿ｊ 基 簪每 ｊ 轾 ｉ 墓 亘 母每 羞 禁篓＿ｌ¨ ； 关键位置及运动参数等数据。在此基础上，运动 塾 蛳蕴川 ｊ 冀 生 一：霉～ ｌ＿装设备 控制模块依据工装的类型及运动参数发出运动控 制命令，经运动控制器转换后形成运动控制信 垒业匾堕捌缴。 ； 一 一 号，驱动工装运动，并对运动过程进行控制。运 ｌ＿：二～ ＜：二 ：０ Ｆ一 ： ■：二■） 一＿＿＿＿二≥ 二 二） 二： 量ｆ童宴。３－苎鱼 【 暮蓬售皇 墅堕堡垒 ＿甩皇堡宴 逛遇堕囊 Ｈ壹ｆ量 鼠 动检测模块通过检测来自数据采集调理模块采集 匣 莓自 焦琏 蜱三苎堕皇堡翌 的传感器信号，可实时获取工装的运动状态及运 图１基于工艺数据驱动的工装臼动控制体系 动参数信息，并将运动参数作为反馈信息提供给 传统的工艺信息模型仅包含了工艺及相关的 运动控制模块。当工装到达所设定的预定位置 产品信息，而缺少有关工装信息的详细描述。为 时，运动控制模块可通过运动控制器锁定工装位 了对工艺装备进行控制和管理，对传统的工艺信 置。工人可基于工装的当前位置进行产品的生产 息模型进行扩展，加入所需的工装信息，如工装 或装配。基于工艺数据驱动的工装自动控制体系 的类型、工装的驱动方式、工装的运动维度、工 的关键在于建立面向工装自动控制的工艺信息模 装运动范围等信息，以及工装的各种驱动设备信 型以及基于数据驱动的工装自动控制技术。 息，如驱动的类型、驱动的方式、运动的形式、 ２面向工装自动控制的工艺信息模型 运动的速度、驱动力或力矩、运动精度等信息。 作为工装运动和控制的基础和数据源头，工 基于该工艺信息模型，工艺人员在进行工艺文件 艺信息必须包含各种工装信息，以及工装驱动设 的编制时，需要指定工装的类型、运动模式、所 备的各种控制参数、运动参数等信息。为此， 需要的关键位置控制点或运动参数等信息，并将 通过对产品制造过程及工艺数据与工装关系的分 工艺文件统一存入数据库中。 析，建立面向工装自动控制的工艺信息模型，以 在产品生产加工时，基于工装控制管理系统 满足工装自动控制的需要。面向工装自动控制的 ＰＢ０Ｍ 一零组件号 一零组件名称 一零组件类型 一产品编号 一工艺路线 一负责车间 一工艺信息 一零件数量 一材料牌号 一材料尺寸 一热处理方式 一表面处理 驱动设备 一设备代码 一设备名称 一设备类型 运动模式 一控制策略 一最大速度 一驱动力（矩） 一运动精度 图２面向工装自动控制的工艺信息模型 第３３卷第６期２０１１—６（上） 【１１５］ 参ｌ生 訇 化 工艺信息模型如图２所示。 该工艺信息模型包括面向工艺过程的工艺 ＢＯＭ（Ｐｒｏｃｅｓｓ ＢＯＭ，ＰＢＯＭ＞信息以及工装及驱 －层一ｌＬ ● ｌ ｌ ｝ 警ｉ 二二 面向工装自动控稍的蕾芝捂息 ＝二二＝：二二＝二二 二二二二二二 》二 乏．硼二 — 二■ 二 ：ｇ ：二二 二二二 企业园区网络 动设备等资源信息。ＰＢＯＭ是信息模型的主体， 它不仅包含了面向工艺设计阶段的产品结构信 息，还包含了产品中的每个零部件的工艺信息， 如加工方法的设计、工序及工步的安排、工艺装 …功 能ｌ ｌ ｌ Ｉ Ｌ 层： 系统 总线 蓟压圈匝圈 备的选取、机床设备的选择和加工参数的设计等 Ｊ ｌ Ｉ 内容。资源信息包括了产品制造过程中需要的工 运动控制模组 艺装备、机床设备、刀具、夹具、量具等辅具信 息，以及用户信息。 为了实现对工装的自动控制，在传统的工装 信息基础上进行了扩展，不仅包含原有的工装型 号、名称、状态及所属车间等基本信息，还对工 装的独立运动维度、可选动作、运动范围，以及 每个独立运动维度的驱动设备、设备类型、运动 模式、控制策略、运动极限、驱动力矩以及运动 精度等信息进行了详细的描述。 在进行工艺编制时，工艺人员可基于资源信息 选择具体的工装类型，并给出使用该工装进行加工 的具体步骤及详细的运动参数信息，如每步加工时 工装的运动模式、运动速度、运动位置、运动精度 等信息。在进行实际的生产加工时，工装控制管理 系统通过工艺信息可获知工装及其运动参数信息， 并基于该信息实现对工装运动的自动控制。 ３基于数据驱动的工装自动控制技术 为实现基于工艺数据驱动的工装自动控制，冒一 建立了基于数据驱动的工装自动控制管理平台，如 图３所示。该平台包括数据层、功能层以及硬件层。 数据层包含面向工装自动控制的工艺信息， 该信息由工艺数据管理系统生成并存储。管理平 台通过企业园区网络读取工艺信息，获取工艺流 程以及与流程相关的工装信息及工装运动参数， 作为工装自动控制的基础数据。 功能层包括工装运动控制、运动检测、流程 管理以及设备自检等功能模块。运动控制模块可 以实现工装运动的位置控制、速度控制以及驱动 力（矩）控制等多种运动控制方式。基于从工艺 信息获得的工装运动参数，运动控制模块可以按 照参数要求对工装运动的位置、速度以及驱动力 等参数进行相应的调节和控制。此外，运动控制 模块还提供了自动控制和手动控制两种模式，既 ［１１６］ 第３３卷第６期２０１１—６（上） ｌ 硬‘厂一 ？三三三三三三三ｉ Ｉ ㈠伺服驱动器ｆ ＝＝远程变麓｝件： ｛ ｉ ｛｝比例伺服闷二＿＝ｚ＝＝＝＝＝＝兰： ｝ ｉ壅塑塑望壁』 川 ；分流集流阉｝ ＝二］＝＝＝ 器 Ｉ ｛ｊ一一— 层！ 窒 ｝加速蓟窿传感器｝ 丽暴蕊 图３基于数据驱动的工装自动控制管理平台 可以实现工装运动的自动控制，也可满足工人随 时手工调整的需要。 运动检测模块具有数据采集、数据校准及数 据转换等功能，可以通过系统总线实时接收来自 数据采集调理模块的各传感器数据，对工装的运 动状态进行实时检测。数据采集模块通过检测来自 数据采集调理模块的各传感器的数字量信号，然后 由数据转换和数据校准模块按照各传感器的参数特 性对这些数据进行转换和校准，以得到工装的实际 位移、速度等运动参数值，并将这些实际运动参数 作为反馈数据提供给运动控制模块。当工装的运动 参数达到工艺要求值时，运动控制模块可对工装的 当前位置进行锁定，以便工人进行生产加工。 硬件层包括安装在工装上的各种驱动设备、 与各驱动设备相应的设备驱动器、运动控制模 组，以及各种工装运动状态检测传感器、远程变 送器和数据采集调理模块。 为驱动工装进行运动，在工装的各独立运动 维度处装有驱动设备及传动系统。驱动设备包括 了电力驱动、汽压驱动和液压驱动等各种形式 的动力源，以及设备运动所必须的离合器和制动 器等装置。传动系统包括了齿轮传动、链传动、 带传动、摩擦传动、连杆传动、液压传动等各种 运动机构，以实现对动力源输出动力及运动的各 种变换，如增力、增扭、增速、减速或换向等功 能。为驱动各驱动设备工作，硬件层还配备了与 、ｌ ｌＩ５ ，ｔｂ 各驱动设备相应的驱动器，如驱动电机工作的变 频调速器、伺服驱动器，以及驱动气压马达或液 压马达工作的比例伺服阀、分流集流阀等。运动 控制模组包含各种能够对工装驱动设备进行控制 的运动控制器。运动控制器接收来自功能层运动 控制模块的控制命令，如启动、停车、快进等命 令，并产生相应的控制信号发送到各驱动器；驱 动器接收控制命令信号，并产生相应的驱动信号 发送到驱动设备，如电压信号、电流信号或是气 压、液压信号，驱动各驱动设备运动，从而实现 对工装运动的自动控制。 安装于工装各独立运动维度处的传感器可感 知工装运动状态及运动参数的变化，并产生相应 的电信号，上传到数据采集调理模块。若数据采 集调理模块与传感器距离较远，则需要配备远程 变送器，将传感器的输出信号变送到数据采集调 理模块，以防止信号的衰减和失真。数据采集调 理模块接收到传感器信号后，对信号进行滤波、 隔离、放大以及模数转换处理，输出数字量信 号，并通过系统总线提供给运动检测模块，为工 装运动控制提供依据。当工装运动到所设定的预 定位置时，运动控制模块可通过运动控制器及驱 动器发送锁定信号，驱动离合器及制动器动作， 锁定工装位置。 此外，基于数据驱动的工装自动控制管理平 台还包括了用户管理和日志记录功能。通过用户 管理功能可只允许有特定权限的用户才能进入工装 控制管理系统进行操作。日志记录功能则把有关的 操作事件、操作用户、操作时间及结果等信息记录 下来，统一存入日志文件，为产品质量检验、检查 提供基础数据，实现操作过程的可追溯管理。 ４应用验证 为满足大型运载火箭研制和生产的需要，与 航天某研究院联合设计制造了某型火箭大型卧式 铆接型架。该铆接型架主要包括床身、床头及床 尾三部分，如图４所示。床头固定于床身的一端。一 床身上装有导轨，床尾安装于导轨上。床尾装有 伺服电机及传动系统，可沿导轨做直线运动，以 适应不同长度火箭的生产需求。床头和床尾上设 有转盘，转盘由伺服电机驱动，可作整周转动。 转盘可与火箭整体或某一段相连，并带动火箭沿 轴线进行旋转，以调整火箭的位置，便于生产时 的协调和装配。在床尾及转盘上装有离合器及制 动器，可实现床尾及转盘任意位置的锁定，满足生 产需求。此外，在导轨及转盘上安装有光栅尺位移 传感器，可对床尾及转盘的位置进行精确测量。 图４卧式铆接型架结构不意图 基于该铆接型架，依据本文所提出的工装自 动控制技术，构建了卧式铆接型架管理与控制系 统。该系统包括了工艺数据管理模块以及工装控 制管理模块。工艺数据管理模块包含了工艺编辑 以及工艺管理功能。基于工艺数据管理模块，工 艺人员可编制火箭加工工艺，并实现对不同系列 火箭产品工艺的管理。如图５所示为卧式铆接型架 工艺数据编辑界面。图６所示为卧式铆接型架工装 控制管理界面。工装控制管理模块可按照工艺流 程，依据工艺数据所给定的工装运动参数，驱动 铆接型架的床尾及转盘进行运动，并可实现运动 过程的实时精确控制。床尾的直线移动重复定位 精度可达０．０５毫米，转盘的转动重复定位精度可达 到０．１分。 基于该大型卧式铆接型架以及卧式铆接型架 管理与控制系统，可实现火箭生产过程中铆接型 架的数字化自动控制，提高了定位精度和生产效 率，保证了产品质量，为大型火箭的研制生产提 供有力的支持。 图５卧式铆接型架工艺数据编辑界面 第３３卷第６期２０１１—６（上） 【１１７］ 台，实现了工装运动控制的自动化和数字化，提 高了工装的运动精度，有效保证了产品质量。 参考文献： 【１］范玉青．现代飞机制造技术［Ｍ］．北京：航空航天大学出版 社，２００１． ［２】许国康．大型飞机自动化装配技术【Ｊ】．航空学报，２００８，２９ （３）：７３５—７４０． 【３】李原．大飞机部件数字化柔性装配若干关键技术【Ｊ】．航空 制造技术，２００９，１４：４８—５ １． 【４】陈昌伟，胡国清，张冬至．飞机数字化柔性工装技术研究【Ｊ］． 中国制造业信息化，２００９，３８（９）：２１—２４． 【５】郭恩明．国外飞机柔性装配技术【Ｊ］．航空制造技术，２００５， ９：２８—３２ 把一块采用最大功率跟踪系统的太阳能板与 采样太阳辐射强度，一方面采样太阳能板的输出 一块固定倾角的太阳能板并联给蓄电池充电，表Ｉ 电功率信号。两者相对照，使该系统跟踪的准确性 为它们在不同的光辐射强度下的输出电压、电流 高、可靠性强。即使是在天气变化比较复杂的情 值。从结果看，采用跟踪技术，能使太阳能板输 况下，系统也能正常工作。采用滑模控制，使伺服 出功率平均增加２０％左右。 跟踪系统具有完全的自适应性和鲁棒性，增加了 表１实验对比结果 自动追踪系统的稳定性。采用永磁同步电动机作 为执行机械来进行太阳能最大辐射强度跟踪。有 光照 并联充 采用跟踪 固定倾角 功率提高 利于新型节能永磁同步电动机的推广。 强度 电电压 技术的电 的充电电 百分比 实验证明，采用自动追踪技术可以提高太阳 （ｗ／Ｉ内 （Ｖ） 流（Ａ） 流（Ａ） ｆ％） 能的利用效率达２０％左右。系统如果应用于太阳能 ３００ ４５．０ ０５５ ０．６４ ｌ６．４ 光伏系统，则可从电池板直接获取电能，而无需另 ４１Ｏ ４５．Ｏ Ｏ．６Ｓ ０．７６ ｌ６．９ 外输入能量。系统也可用于太阳能光热系统，以 ４８５ ４５．０ ０．７２ ０．８５ ｌ８．１ 提高太阳能板的热功率输出。 。 ５３２ ４５．０ Ｏ．８１ 】．ＤＤ ２３．５ 参考文献： ５６０ ４５．Ｏ Ｏ．９２ １．１３ ２２．８ ｛１１汪临｛苇．太阳电池方阵自动全追踪系统设计ｌＪ】，制造业自 ６２Ｏ ４５．０ Ｉ．０９ Ｉ．２８ Ｉ７．４ 动化，２０１０，３３（１２）：１４９—１５１． ７６０ ４５．０ １．２０ １．４６ ２１．７ （２】李永东．交流电机数字控制系统［ＭＩ．北京：机械工业出版 ８５０ ４５．０ １．３６ ｌ ６３ ｌ９．９ 社，２００２． ［３］张希，陈宗祥，潘俊民，王杰．永磁直线同步电机的固定边 ４结束语 界层滑模控制［Ｊ１．中国电机工程学报，２００６，２６（２２）：１１５－１２１． 【４】舒志兵，施炜，汤世松．高精度伺服跟踪发电系统的设计 本文介绍了太阳自动跟踪系统，该系统一方面 『Ｊ１．机床与液压，２０１０，３８（１０）：７３—７４ 【１１８１ 第３３卷第６期２０１１－６（上）