一种圆柱形舱段柔性对接装置的控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于自动控制技术领域，尤其涉及一种圆柱形舱段柔性对接装置的控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]工业4.0和中国制造2025等都提出了先进智能制造理念和两化深度融合要求，智能工厂、智能产品、智能设备和生产的智能化是其中重要环节，将信息技术、控制技术、软件技术、分析技术等融合到硬件设备，使其成为一个灵活的智能装配单元，人与机器，机器与机器，机器内部都可以自由通信和交流信息，信息物理系统(CPS:Cyber Physical System)是一个全新的设备、过程、人员的集成理念，也是智能制造的发展方向。为满足产品的高速、低成本生产，所需工装需具备模块化和可重组配置的功能，而新生的柔性工装技术可以满足这一要求。柔性工装是基于产品数字量尺寸的协调体系，其通过可重组的模块化、数字化、自动化工装系统，可以减少设计制造各种零部件装配所使用的专用紧固夹具。柔性工装可应对生产中工件类型尺寸的变化情况。如今，柔性工装的设计开发已成为柔性装配领域的一个新的发展方向。在圆柱形舱段柔性装配领域，国内主要集中在理论与试验性研究上，如应征等人对舱段柔性对接过程中调姿系统的逆运动学、工作空间、柔性多体动力学建模与仿真进行了深入研究，建立了柔性对接调姿系统的多体动力学模型；马剑锋对圆柱形舱段装配系统进行了试验性研究，左右两节舱段都采用柔性绑带拉紧固定，舱段对接的完成采用固定移动模式，左边固定端舱段位姿保持不变，右边移动端的舱段位姿由6自由度Stewart平台进行固定调节。该方法对测量仪器及测量精度要求较高，并且需要正、逆解运算，算法复杂。
[0003]现有的圆柱形舱段装配工装线、装配方法等和现代化的数字化工厂还存在着一定的差距，具体存在以下几个突出的问题:
[0004]I)装配过程中工人劳动强度大，装备的自动化程度低，完全靠工人的经验进行装配。
[0005]2)圆柱形舱段架车上的工装调整和准备时间长，操作繁琐且需要反复操作。
[0006]3)装配过程中对接装配需要多次不断调试、对准、旋转，花费时间长，多次摇晃导致架车受损。
[0007]4)现有的工装无法适应多系列、不同型号导弹的装配。
[0008]5)工装缺乏数字化信息感知、交换，存储、集成能力，与PDM\CAPP\MES等信息化系统脱节，工装与装配对象无法互联，无法获得设备的实时状态和历史状态信息。
[0009]6)工装缺乏智能化对准、自检、自诊断、健康评估能力，无法帮助操作人员智能对焦，检测装备的状况和健康水平。
[0010]7)舱段装配完工、工时等信息迫切需要从底层反馈到上层系统中，为生产排程和计划安排提供依据。
[0011]8)领导、维护人员、调度人员无法充分利用对接装置和装配对象的数字信息，无法实现对设备的效能评估、健康保养维护和生产任务统计等。
【发明内容】
[0012]本发明的目的在于提供一种圆柱形舱段柔性对接装置的控制系统及方法，旨在解决现有的圆柱形舱段装配工装线、装配方法存在劳动强度大，自动化程度低，工装调整和准备时间长，操作繁琐且需要反复操作，无法适应多系列、不同型号导弹的装配，无法实现对设备的效能评估、健康保养维护和生产任务统计的问题。
[0013]本发明是这样实现的，一种圆柱形舱段柔性对接装置的控制方法，所述圆柱形舱段柔性对接装置的控制方法包括以下步骤:
[0014]步骤一:首先确定圆柱形舱段柔性对接装配的工艺型号，已定型工艺型号保存在上位机IPC后台数据库中，装配参数已确定，未定型工艺型号，装配参数可在软件界面中修改;控制系统进行自检和初始化，使各装配机构运动到预设位置;控制系统自检主要查询PAC运行状态、各伺服驱动器工作状态、各1模块状态是否正常，若有异常则记录异常内容并发出报警信号，若无异常则驱动各运动部件运行到初始预设工作位置；
[0015]步骤二:放置首节舱段于静台支撑环架上，待对接端指向动台并目测使其与静台边沿基本对齐；
[0016]步骤三:放置待装配舱段于动台支撑环架上，待对接端指向静台并目测使其与静台上圆柱形舱段待对接端距离为50mm左右；
[0017]步骤四:由于不同圆柱形舱段直径、质量、质心位置均不同，导致位于静台和动台上两节待对接舱段轴心不在一条直线上，无法直接对接装配，需启动自动对准装置，控制调节电机，调整位于动台上的待装配舱段位姿，使其与处于静台上的已装配舱段达到预装配状态；自动对准调节装置主要由动台上的两套三自由度闭环控制伺服系统构成，采用光栅尺作为位移反馈传感器，采用PID算法作为控制算法；
[0018]步骤五:观测是否便于装配，若不便装配，手动微调，直至便于装配为止;手动微调装置位于控制柜面板上，可对三自由度伺服系统开环点动调整；
[0019]步骤六:人工完成柔性对接装配；
[0020]步骤七:舱段牵引电机拖动已对接装配完成部分沿舱段轴向运动到静台，运动位移量与动台上舱段长度相同；
[0021]步骤八:判断所有舱段是否全部安装完成，若未完成则放置待装配舱段于动台支撑环架上，转到步骤三，若完成则结束本次柔性对接装配。
[0022]本发明的另一目的在于提供一种所述的圆柱形舱段柔性对接装置的控制方法的控制系统，所述控制系统为伺服控制系统，用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)，伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别;具体包括:
[0023]计算机辅助工艺规划系统，用于实现圆柱形舱段柔性对接的工序信息、操作说明、工艺仿真、工艺文件生成；
[0024]上位机IPC，通过互联网与计算机辅助工艺规划系统通信，用于接收计算机辅助工艺规划系统的工艺数据及装配过程数据反馈，并将装配工艺要求数据下发给PAC控制系统及接收其装配反馈数据，实现装配过程的可视化操作；
[0025]PAC控制系统，通过Ethernet TCP/IP与上位机IPC通信，用于规划装配过程中伺服系统的运动参数，实现圆柱形舱段柔性对接的控制与检测；
[0026]Compax3智能型伺服驱动器，通过EtherCAT与PAC控制系统通信，用于接收PAC的运动控制指令，转换为电信号输出驱动电机运转；
[0027]EX防爆电机，用于驱动传动部件，实现装配工艺要求的运动；
[0028]FAGOR光栅尺，与CompaX3智能型伺服驱动器连接，用于检测动台调整结构的位姿，包括V型机构开合位置和竖直支架的高度，反馈给PAC控制器，实现闭环控制；
[0029]限位开关，与数字输入模块电连接，用于运动机构的安全限位及初始化零点标定；
[0030]手动控制面板，与数字输入模块电连接，用于手动调节调整机构位姿；
[0031]声光报警器，与数字输出模块电连接，用于柔性装配过程中各种异常的报警；
[0032]数字输入模块，用于检测限位开关状态、手动控制面板上各按键状态，通过EtherCAT总线与PAC交互信息；
[0033]数字输出模块，用于输出声光报警开关量信息，通过EtherCAT总线与PAC交互信息。
[0034]本发明提供的圆柱形舱段柔性对接装置的控制系统及方法，选用的PAC是一种带有可编程软件的专用控制装置，旨在使得在流水线设备中运作的高速机电工艺具备自动化;在可承受的温度范围、振动、和工业环境的电噪声下，经过设计改造的PAC可以为快速运动控制提供各种输入/输出；PAC采用模块化设计，使其有一个高度灵活的解决方案;PAC连接了一系列的PAC1模块，该模块可以根据具体的应用要求来进行选择;PAC包括以太网和EtherCAT通讯端口。PAC操作系统和运行软件位于标准安全数字(SD)存储卡上，并插在PAC顶部的插槽里。PAC前面板的LED指示灯有助于监控，并诊断系统状态的故障。PAC提供一个单独的，有ESD保护的EtherCAT端口，并以100Mb/s的速度运行。EtherCAT是基于以太网最快、最强大的现场总线系统之一;EtherCAT可达到在30微秒内处理1000个I/O的速度;灵活的拓扑结构和简单的配置，使其非常适合用于控制非常快的过程。
[0035]本发明的CAPP系统的结构组成:基本结构由零件信息的获取、工艺决策、工艺数据库/知识库、人机界面、工艺文件管理/输出等五大模块组成。可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。
[0036]本发明解决了现有装配过程中工人劳动强度大，装备的自动化程度低，完全靠工人的经验进行装配的问题，实现了柔性工作自动化;伺服控制系统采用PAC控制器实现控制与检测，系统体积小、功耗低、集成度高;采用Compax3伺服驱动器及PAC1数字量模块，可以方便的与PAC控制器通过EtherCAT总线通信，提高了系统控制与检测数据传输的可靠性;本发明将CAPP技术应用在舱段柔性对接装置中，解决了现有装配过程缺乏数字化信息感知、交换、存储、集成的能力。
[0037]本发明用于圆柱形舱段的柔性对接装配，在发明中创新的柔性结构，可扩展，适合不同弹径、不同数量舱段;可实现计算机控制快速初调、测距传感闭环精调及按钮驱动点动精调、柔性弹簧手动微调对接;综合异构信息系统数据、状态数据、控制参数、物理位置信息、故障异常等进行数据处理统计分析，为生产排程、能力平衡、设备维修保养等提供决策依据;一套具备数字化信息集成、感知、控制和反馈，有深度融合能力的智能信息物理系统，显著提高舱段对接的数字化、智能化、自动化水平。
【附图说明】
[0038]图1是本发明实施例提供的圆柱形舱段柔性对接装置结构示意图；
[0039]图中:1、静台；2、动台；3、储架台；4、运架台；5、控制台；6、调整支架;7、已装配圆柱形舱段;8、待装配圆柱形舱段;9、支撑环架。
[0040]图2是本发明实施例提供的圆柱形舱段柔性对接装置控制方法流程图。
[0041 ]图3是本发明实施例提供的伺服控制系统总体结构示意图。
【具体实施方式】
[0042]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，