基于运动控制卡的发动机壳体绝热层打毛控制系统*

李芳昕 梁世盛 袁定新 赵维刚 郭立杰 程 欢

(①上海航天设备制造总厂，上海 200245；②上海航天工艺与装备工程技术研究中心，上海 200245；③上海航天动力技术研究所，上海 201109)

固体发动机主要由发动机壳体、绝热层、推进剂药柱组成。绝热层铺设有绝热非金属材料，为了增强绝热非金属材料与推进剂药柱的吸附强度，需将绝热层非金属材料进行打毛，以增大两者间的接触面积与摩擦力。目前主要的加工方式为人工打毛，不仅加工效率低、打毛不均匀，且工作环境恶劣，非金属粉末对人体伤害大。

本文通过分析了打毛装备的工作原理，设计了一种基于多轴运动控制卡和LabVIEW的自动打毛控制系统。该控制系统可实现打毛设备的手动调试与自动加工，对打毛工艺数据库进行管理，并且可实时监测加工状态和各轴的运动位置，对加工中意外出现的断点具有保存功能，能从断点处继续加工。该打毛设备不仅可以提高打毛质量与打毛效率，且可降低人工成本，提高经济效益。

1 打毛装备结构及动作流程

1.1 打毛装备结构

打毛装备主要由打毛机主体机床、打毛末端执行器、电气控制系统组成，如图1所示。

打毛机床主体主要实现产品的装夹、支撑、回转以及打毛末端执行器的进给。打毛末端执行器主要实现打毛刀具的旋转。电气控制系统主要对系统的电、气进行混合控制，实现各轴及各开关信号的协调动作。

1.2 动作流程

该设备主要由4个运动执行单元组成，分别为：①筒体旋转；②大拖板进给；③小拖板进给；④打磨头旋转。

自动打毛过程如图2所示。

打毛过程中各执行单元的速度与位置均可在打毛工艺数据库中选择。在运动过程中实时监测各运动执行单元的速度变化，一旦发生异常，则系统报警，气缸缩回，所有运动执行单元停止，打毛程序结束。之后再手动操作各运动执行单元回到零点。

2 控制系统硬件

自动打毛控制系统是自动打毛装备的控制中枢，根据发动机壳体绝热层打毛技术指标要求，该控制系统应满足以下要求：

(1)打毛通用性，适应多种不同直径与长度的壳体的打毛。

(2)能对加工过程中各参数进行实时监测，并当发生故障时能立即报警停机。

(3)能对异常故障点进行记录，并能从故障处继续加工。

(4)对打毛刀具寿命进行监测，达到寿命时有提示功能。

(5)人性化的人机交互界面，便于工人操作以及管理员调试。

通过对以上要求的分析，搭建控制系统架构如图3所示。

3 控制系统软件设计

3.1 软件架构

多轴运动控制系统的软件设计是整个控制系统的核心，也是该运动控制系统最主要的部分[1-2]。运动控制卡采用“通用运动架构”的软件架构，该软件架构包括三层：设备驱动层、整合层、应用层。用于实现设备功能的所有 API 都可从整合层的ADVMOT.DLL (为用户提供的一个通用接口)获取，所有操作通过调用通用运动架构API完成。本项目采用LabVIEW为软件的开发平台，在Windows操作系统上对运动控制卡进行开发。通过调用运动控制卡提供的动态链接库实现相应的功能[3]。软件架构如图4所示。

装载LabVIEW的工控机作为上位机，可实现对多轴运动的位置、速度等参数的设定，完成对人机交互界面的管理、信息显示和预处理等非实时处理任务，运动控制卡作为下位机，接收来自上位机的控制信号并进行实时处理，实现运动控制算法，并根据作业的要求和传感器的信号进行必要的逻辑/数学运算，为各执行单元提供正确的控制信号以完成所要求的多轴运动，且可向上位机实时反馈当前运动的位置、速度等参数，以便在上位机动态监控[4]。

3.2 功能设计

该系统主要实现三大主要功能：打毛通用性；断点继续；刀具寿命检测与设定。

3.2.1 打毛通用性

建立LabVIEW工艺数据库[5]，将不同型号壳体的打毛工艺数据存储在数据库中，在自动加工开始前，将工艺参数调出。工人可通过操作界面对工艺数据库进行添加和删除。如图5所示。

3.2.2 断点继续

建立断点记录数据库，在自动打毛过程中每隔0.1 s记录一次小拖板的位置，再次自动加工前，访问断点记录数据库中小拖板的位置信息，若存在非零的位置信息，则修改打毛工艺中小拖板的快进位置，使小拖板直接快进到断点处。流程如图6所示。

3.2.3 刀具寿命设定

不同材质刀具具有不同的使用寿命，建立刀具寿命与打毛时间数据库，将连续打毛时间进行动态记录。在自动加工开始前，将打毛时间与刀具寿命数据库中的时间进行对比，若超出了设定好的寿命时间，则进行提醒更换刀具。流程如图7所示。

3.3 人机交互界面

人机交互界面包括两部分：操作区和监视区。操作区包括3个功能模块：参数设置、手动模式、自动模式。操作区各功能模块的作用如下：

参数设置：用于设备开机的一些操作，以及对手动模式与自动模式一些参数的设置。

手动模式：操作设备单轴点动以及回零。

自动模式：自动打毛。

监视区作用：监视设备以及各轴状态。

主界面、参数设置界面、手动界面、自动界面如图8～11所示。

4 结语

自该控制系统投产以来，一直处于高效、稳定的运行状态，操作工人反响良好，充分验证了基于多轴运动控制卡和LabVIEW的发动机壳体绝热层打毛控制系统是性能可靠的控制系统，其控制效果已达到了发动机壳体绝热层打毛技术指标要求。系统不仅自动化程度较高，而且操作简单，通用性强，具有较高的推广价值和发展前景。

[1]史媛. 基于LabVIEW的多轴运动控制系统的研究[D].西安：西安工业大学, 2012.

[2]熊先锋, 邢继峰, 左洪波,等. 普通运动控制卡在LabVIEW平台上的应用[J]. 微计算机信息, 2006, 22(31):139-141.

[3]赵敏. 基于LabVIEW的运动控制系统的软件设计[D].太原：中北大学, 2014.

[4]高瑞, 苗长云, 王中伟. 基于LabVIEW的多轴运动控制系统的设计与开发[J]. 天津工业大学学报, 2008, 27(6):58-61.

[5] 杨乐平，李海涛，等.LabVIEW高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2003.