飞机制造数控柔性工装伺服驱动组件和控制系统

　　北京航空航天大学数控和伺服技术实验室根据柔性工装技术的需要，开发出了用于数控柔性工装的数控系统。系统包括系统硬件与数控软件。其中，硬件结构适合控制具有不同机械结构的多种柔性工装，采用了现场总线技术和一体化伺服驱动单元技术；数控系统软件提供了配置功能，针对某一特定柔性工装控制对象，修改对应参数，快速生成满足该柔性工装设备需求的数控系统。该系统最多可控制128 个坐标轴，可以分组控制多台设备或柔性工装单元部件。

　　3.1 硬件结构

　　柔性工装数控系统硬件由工业控制计算机IPC（Industrial PC）、现场总线和一体化伺服驱动单元组成，其组成结构如图3 所示。

图3 数控系统硬件结构 

　　IPC 集成了现场总线接口，通过现场总线连接伺服装置。在工程中，可以采用EtherCAT 工业以太网现场总线或CAN 总线连接数控系统和一体化伺服驱动单元，便于系统的维护与扩展，并可满足各种类型的柔性工装控制要求。

　　当数控系统配置柔性工装机械本体时，选用一体化伺服驱动单元作为伺服驱动组件与数控系统中伺服装置的优选方案。一体化伺服驱动单元集成有伺服电机与伺服驱动器，适用于构建柔性工装等大型自动化设备的控制系统。由于省略了伺服电机与伺服驱动器之间的动力电缆与电机编码器反馈电缆，大大简化了整个控制系统的电缆布线，便于系统的布局、安装和维护。

　　在实际工程中，数控系统还包括数字IO 模块，与IPC 和伺服装置通过现场总线连接，用于控制传感器或其他输入输出装置。

　　3.2 软件结构

　　典型的数控系统应该具备3 类基本控制功能，包括：运动和PLC 控制、数控系统状态管理及控制、人机界面（Human Machine Interface，HMI）控制。数控系统软件是运行在IPC 平台上的软件系统，用于实现全部数控功能。数控系统的软件结构及各模块功能如图4 所示。数控系统软件由主控制、系统操作和运行控制2 个软件处理任务组成，使用操作命令接口、系统信息接口、参数接口、显示接口。2 个软件处理任务及功能如下：

图4 数控系统软件结构

　　（1）系统操作和运行控制，见图4（a）：提供人机操作界面、系统数据管理和运行管理功能。通过显示信息接口获得其他功能模块的信息，用于系统状态显示；通过参数接口为其他功能模块提供系统参数；通过操作命令接口向其他功能模块发出运行控制命令；通过系统信息接口从其他功能模块获得系统运行状态，同步系统的运行。

　　（2）主控制，见图4（b）：该任务在系统操作和运行控制任务的控制下运行。当数控系统处于自动运行工作模式时，NC 调形程序经译码器译码，转换为2 种类型的数据并分别处理。其中，一种为运动控制数据，经过插补、误差补偿、传动匹配模块，产生坐标轴的运动指令，控制工装的调形运动；另一种为辅助功能数据，控制工装的辅助功能，例如真空吸盘动作、夹持动作等。当控系统处于手动运行工作模式时，手动调形模块产生手动进给控制数据，用于柔性工装的手动操作。现场总线驱动模块实现数控系统硬件与伺服驱动、工装辅助设备的数据通信。

　　3.3 数控系统软件实现

　　柔性工装数控系统采用IEC 61131-3 工业控制编程语言编写，与传统数控系统相比具有方便多平台移植、软件结构清晰、功能易扩展等优势。

　　IEC 61131-3 是国际电工委员会（InternationalElectro-Technical Commision，IEC）制定的工业控制编程语言国际标准，也是当前国际上最先进的工业控制编程语言，主要用于编写可编程逻辑控制器（ProgrammableLogic Controller，PLC）的控制程序。世界主流工业控制产品制造商已采用IEC 61131-3 规定的编程语言作为其产品开发的标准编程语言。因此，柔性工装数控系统可以快速实现多平台移植，即经过较少的工作量，使软件系统工作在符合IEC 61131-3 标准的不同品牌的PLC 硬件平台。

　　IEC 61131-3 标准规定的编程语言支持先进软件开发方法，如支持模块化编程和图形化编程，增强了编程语言的功能，提高了软件开发的效率，并强化了程序封装的概念。柔性工装数控系统软件采用IEC 61131-3规定的功能块图语言（Function Block Diagram，FBD）与结构化文本语言（Structure Text，ST）联合编程的开发方法：由FBD 直观地实现如图4 所示的软件架构，将控制功能划分、封闭在功能块内；在功能模块内部，采用ST语言实现复杂的控制功能。

　　功能模块之间采用清晰的数据连接和传递，构成系统。可以方便地集成由IEC61131-3 语言编写的、符合数据连接和传递规则的程序功能模块，规范了功能模块的更换、增加和去除。在IEC61131-3 标准的规定下，使数控系统软件成为具有开放式特征的数控系统，用户可以在系统软件中集成新功能模块或替换原有的模块。有利于不同技术分工的工程师在数控系统软件全生命周期中共同完成系统开发、实施应用、调试维护及用户自定义开发等工作，有利于针对特定柔性工装设备开发具有特征功能和个性化功能的数控系统。

　　基于软PLC 技术，由IEC 61131-3 语言开发的数控系统可以在IPC 平台运行。软PLC 技术是将PLC 系统作为一个软件模块运行在计算机平台，其实时性和资源由计算机的性能保证，是当今PLC 技术的重要发展方向。