飛機(jī)大部件數(shù)字化裝配柔性工裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 孫 嚴(yán) 薛漢杰 薛貴軍 施 政

飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量多，且剛性小，尤其對(duì)于大型的飛機(jī)部件，在裝配過程中容易發(fā)生變形。雖然目前廣泛使用的剛性工裝對(duì)裝配精度有一定保證，但一套工裝只能適用于一類部件的裝配，這種模式導(dǎo)致生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長，占地面積大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，且結(jié)構(gòu)開放性差。隨著航空制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)字化柔性工裝的出現(xiàn)克服了剛性工裝的上述缺點(diǎn)[1]。數(shù)字化工裝根據(jù)部件數(shù)模得到的坐標(biāo)值，將零部件精確定位至待裝配位置，等待進(jìn)行下一步的加工。其自動(dòng)化程度高，定位精度準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)上可重構(gòu)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，可以適應(yīng)多個(gè)不同型號(hào)零件的裝配需要。

自20世紀(jì)90年代開始數(shù)字化裝配技術(shù)在西方航空發(fā)達(dá)國家發(fā)展迅速，而我國仍大量采用傳統(tǒng)的固定裝配型架，并以手工裝配為主要手段。近年來隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，數(shù)字化裝配手段成為業(yè)內(nèi)的迫切需要[2]。因此，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，本文提出了一種用于飛機(jī)大部件裝配的數(shù)字化控制系統(tǒng)方案，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 總體結(jié)構(gòu)

工裝結(jié)構(gòu)如圖 1所示，采用橋架式結(jié)構(gòu)，上下各3組橫梁。上、下橫梁上設(shè)計(jì)有卡板定位工裝，負(fù)責(zé)完成各組成部件的定位和裝配。由于橫梁跨度較大，因此采用雙邊伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，與光柵尺反饋組成全閉環(huán)控制?？ò宥ㄎ还ぱb采用絕對(duì)值編碼伺服電機(jī)，控制其沿Z方向同步運(yùn)動(dòng)。在裝配過程中，工裝定位器將待裝配部件精確定位至裝配區(qū)，待裝配完成后，進(jìn)行自動(dòng)制孔操作。

圖1 大部件數(shù)字化工裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of flexible tooling assembly device

1.2 控制系統(tǒng)

數(shù)字化工裝控制系統(tǒng)由人機(jī)交互操作系統(tǒng)（上位機(jī)）、軸管理器（下位機(jī)）及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，同時(shí)輔以外圍各檢測(cè)控制器件如圖2所示。

由于工裝定位器數(shù)量眾多，又要完成多軸同步運(yùn)動(dòng)等精確控制，因此采用Elmo公司的新一代Gold系列運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由Maestro軸管理器（簡稱GMAS）和Gold DC Trombone伺服驅(qū)動(dòng)器組成，具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能。其核心GMAS是一種基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，通過EtherCAT總線與節(jié)點(diǎn)上的伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信。EtherCAT擁有強(qiáng)大的分布式時(shí)鐘功能，在幾個(gè)伺服軸需要同時(shí)執(zhí)行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)精確同步。

圖2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of electrical system

X向橫梁伺服電機(jī)通過光柵尺構(gòu)成全閉環(huán)控制，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)同步組，通過GMAS進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)控制。Trombone驅(qū)動(dòng)器具有一定數(shù)量的IO接口，可以對(duì)電機(jī)限位狀態(tài)以及橫梁碰撞情況進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于其他外圍IO設(shè)備，則通過擴(kuò)展的現(xiàn)場(chǎng)總線控制器來進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

上位機(jī)主要進(jìn)行人機(jī)交互操作，包括PC端主操作界面和手持操作面板。PC端發(fā)送定位數(shù)據(jù)和指令至GMAS來實(shí)現(xiàn)對(duì)定位器的精確定位。同時(shí)還對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、安全狀態(tài)、電氣系統(tǒng)狀況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。手持操作面板作為PC端控制的一種補(bǔ)充，主要完成對(duì)定位器的微調(diào)，方便工作人員在裝配過程中近距離操作。

上位機(jī)與GMAS和現(xiàn)場(chǎng)總線控制器之間通過Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。Modbus/TCP作為一種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，具有偵錯(cuò)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸量大、結(jié)構(gòu)開放等特點(diǎn)，有效地保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 控制功能的實(shí)現(xiàn)

工裝定位器的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)需要根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)模得到，定位數(shù)據(jù)服務(wù)器將從產(chǎn)品數(shù)模中得到的定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的位置信息，并發(fā)送至上位機(jī)PC端。PC端將定位信息發(fā)送至Modbus寫保持寄存器中，下位機(jī)GMAS在接收到上位機(jī)運(yùn)動(dòng)指令的同時(shí)，讀取寫保持寄存器中的定位信息，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行精確定位如圖3所示。

控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。下位機(jī)作為整個(gè)工裝運(yùn)動(dòng)控制的核心，其程序結(jié)構(gòu)主要分為以下幾個(gè)大塊：

軸參數(shù)初始化：用來對(duì)運(yùn)動(dòng)軸的默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括速度、加減速、Jerk等；

讀輸入數(shù)據(jù)：通過讀取Modbus寄存器對(duì)上位機(jī)發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行接收；

寫輸出數(shù)據(jù)：將伺服軸狀態(tài)寫入Modbus寄存器供上位機(jī)讀取；

后臺(tái)處理數(shù)據(jù)：將驅(qū)動(dòng)器IO狀態(tài)等實(shí)時(shí)性不高的數(shù)據(jù)寫入Modbus寄存器；

定位模塊：包含所有運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)程序。

在初始化伺服軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，下位機(jī)程序進(jìn)入到后臺(tái)循環(huán)掃描，掃描周期為20ms。當(dāng)上位機(jī)下達(dá)運(yùn)動(dòng)命令后，GMAS根據(jù)從Modbus寫保持寄存器中讀取到的指令調(diào)用定位模塊中相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)程序塊，并開始執(zhí)行運(yùn)動(dòng)。每個(gè)掃描周期結(jié)束前將當(dāng)前電機(jī)狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)器IO狀態(tài)等寫入到保持寄存器，上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)控模塊接收到狀態(tài)信息后顯示到人機(jī)交互界面，供用戶查詢。

上位機(jī)主要包括PC端（見圖5）與手持屏。除了主要進(jìn)行工裝定位器的運(yùn)動(dòng)操作外，為了使操作人員更好地管理整個(gè)設(shè)備，還加入了報(bào)警信息管理、故障狀態(tài)處理和用戶管理等模塊。

圖3 數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of data transfer

圖4 控制系統(tǒng)功能塊Fig.4 Function block of control system

圖5 上位機(jī)PC端界面Fig.5 Software Interface of Epigynous Computer(PC)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大跨度橫梁同步

由于本設(shè)備是用于大尺寸部件的裝配，因此設(shè)備結(jié)構(gòu)跨度大，上層橫梁跨度達(dá)8m，下層為6m。橫梁運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為典型的“直線導(dǎo)軌 + 齒輪齒條”傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)通過齒輪驅(qū)動(dòng)兩側(cè)輔助調(diào)整滑板帶動(dòng)橫梁移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫梁上定位器的X向調(diào)整功能。這樣的話，如果同步效果不好，就會(huì)使橫梁發(fā)生振動(dòng)、扭曲，長時(shí)間憋勁還可能會(huì)燒毀電機(jī)，定位精度也將難以保證。為了實(shí)現(xiàn)大跨度橫梁的同步運(yùn)動(dòng)，并保證同步的效果，這里使用了GMAS控制器的“組”功能，將橫梁兩側(cè)電機(jī)組成“組”，通過控制“組”運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)同步。

GMAS的“組”功能基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT，EtherCAT總線具有適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、效率高和支持多種拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。由于EtherCAT總線節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備眾多，數(shù)據(jù)到達(dá)每個(gè)從站的時(shí)間不同，從站處理數(shù)據(jù)的時(shí)間也不同，為保證節(jié)點(diǎn)上設(shè)備任務(wù)執(zhí)行的同步，EtherCAT還擁有一個(gè)非常重要的功能就是分布時(shí)鐘（Distributed Clock，DC）機(jī)制。分布時(shí)鐘可以使EtherCAT總線節(jié)點(diǎn)下的所有設(shè)備使用相同的系統(tǒng)時(shí)間，從而控制各設(shè)備任務(wù)的同步執(zhí)行。

在通過GMAS的“組”功能實(shí)現(xiàn)同步后，為了驗(yàn)證同步的有效性并對(duì)精度進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)其中的上層1#橫梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：

橫梁向正方向移動(dòng)300mm；

勻速段運(yùn)動(dòng)速度為24.753mm/s；

采樣分辨率2ms/point；

記錄時(shí)間20s。

經(jīng)EAS調(diào)試軟件抓取分別得到橫梁沿X軸正方向同步運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置跟隨誤差曲線如圖6所示。

對(duì)比兩側(cè)電機(jī)的位置跟隨誤差，分析得到位置同步誤差曲線如圖7所示。

經(jīng)對(duì)圖7分析可以得到，采用“組”同步方式后，橫梁兩側(cè)位置同步誤差脈沖計(jì)數(shù)不超過10cnt，由于光柵尺每毫米脈沖計(jì)數(shù)為1600cnt，因此最大位置同步誤差為10cnt/(1600cnt/mm)，即0.006mm，具有較高的動(dòng)態(tài)同步性能。

3.2 帶距離編碼同步回零

圖6 橫梁兩側(cè)電機(jī)位置跟隨誤差Fig.6 Curve of position following error value

圖7 位置同步誤差曲線Fig.7 Displacement curve of multi-axis synchronization

在實(shí)現(xiàn)了同步后，還有一個(gè)需要解決的就是橫梁的回零問題。工裝橫梁X向的有效行程大于6m，如果采用絕對(duì)值光柵尺成本較高，增量型光柵尺由于設(shè)備上電時(shí)脈沖數(shù)為零，橫梁需要返回固定的零位參考開關(guān)才能完成回零操作，這樣每次設(shè)備回零都要走很長距離才能尋到固定參考點(diǎn)，非常不便。

為了解決這個(gè)問題，設(shè)備采用了帶有距離編碼參考點(diǎn)的增量型光柵尺如圖8所示。其內(nèi)部由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的線性柵格標(biāo)志（mark1）和另一個(gè)與此平行的帶距離編碼參考點(diǎn)的軌道（mark2）組成。固定參考點(diǎn)mark1的間距是相同的，而相鄰兩參考點(diǎn)mark1和mark2之間的距離是變化的，每經(jīng)過一段固定參考點(diǎn)的距離，mark2就加上一個(gè)固定的值。因此，絕對(duì)參考點(diǎn)位置可以通過累計(jì)相鄰兩參考點(diǎn)間信號(hào)周期數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。

圖8 距離編碼參考點(diǎn)回零Fig.8 Incremental linear measurement with distance-coded reference marks

由于GMAS系統(tǒng)沒有現(xiàn)成的帶距離編碼的回零方法，這就需要根據(jù)上述原理創(chuàng)造回零方法。伺服系統(tǒng)對(duì)光柵尺參考點(diǎn)信號(hào)的捕捉由PLCOpen指令中的HF[N]來實(shí)現(xiàn)，HF[1]=1時(shí)激活回零模式，當(dāng)捕捉到參考點(diǎn)信號(hào)后HF[1]自動(dòng)復(fù)位。當(dāng)捕捉到第一個(gè)參考點(diǎn)時(shí)，HF[1]自動(dòng)復(fù)位，記錄下當(dāng)前位置，同時(shí)再將HF[1]置位。捕捉到第二個(gè)參考點(diǎn)時(shí)HF[1]再次復(fù)位并記錄下當(dāng)前位置。有了這兩個(gè)相鄰參考點(diǎn)的值就可以計(jì)算出橫梁回零后的實(shí)際位置，這樣就完成了整個(gè)回零過程。

采用帶有距離編碼回零方法后，橫梁不需要返回設(shè)備的固定參考點(diǎn)，只需移動(dòng)很小一段距離就可以確定當(dāng)前實(shí)際位置，大大提高了設(shè)備的使用效率和靈活性。

3.3 精度補(bǔ)償

在得到滿意的同步和回零效果后，為了最大限度地提高設(shè)備精度，還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，這里采用了分段雙向補(bǔ)償法，補(bǔ)償算法由GMAS下位機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。得益于下位機(jī)GMAS的開發(fā)環(huán)境對(duì)C/C++編程方式有很好的支持，因此，通過下位機(jī)來進(jìn)行補(bǔ)償后，PC端和手持屏只需要讀取Modbus寄存器相應(yīng)地址中的位置信息并顯示，而不再需要分別實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。

補(bǔ)償程序包括補(bǔ)償值的計(jì)算和補(bǔ)償后位置的顯示兩部分如圖9所示。上位機(jī)（PC或手持屏）發(fā)送定位指令后，下位機(jī)根據(jù)指令位置計(jì)算出補(bǔ)償后的值并控制伺服電機(jī)定位；同時(shí)由于電機(jī)運(yùn)行的是一個(gè)帶補(bǔ)償值的位置，而用戶需要獲得的信息是指令位置，因此，還需要對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將減去補(bǔ)償值的位置顯示在上位機(jī)人機(jī)交互界面上。

在精度補(bǔ)償后，以下層橫梁為例，采用激光干涉儀對(duì)橫梁的定位精度和重復(fù)定位精度進(jìn)行檢驗(yàn)，最終得到其中一側(cè)電機(jī)的定位精度為0.011mm，重復(fù)定位精度為0.008mm；另一側(cè)電機(jī)的定位精度為0.008mm，重復(fù)定位精度為0.005mm。滿足設(shè)備驗(yàn)收大綱要求指標(biāo)。

圖9 下位機(jī)補(bǔ)償Fig.9 Composition of Slave Computer Compensation Program

4 安全防護(hù)

為了保證工裝在部件裝配過程中安全運(yùn)行，在設(shè)計(jì)上主要考慮以下幾點(diǎn)。

4.1 橫梁防碰撞保護(hù)

由于定位器橫梁間相互獨(dú)立，為避免發(fā)生碰撞，在執(zhí)行自動(dòng)定位前需由數(shù)據(jù)服務(wù)器合理規(guī)劃路徑并計(jì)算出各橫梁定位坐標(biāo)值。手動(dòng)定位時(shí)系統(tǒng)根據(jù)橫梁之間的相互位置關(guān)系來進(jìn)行防撞判斷。工裝和制孔橫梁設(shè)置安全位置互鎖開關(guān)，當(dāng)工裝橫梁處于“安全位”時(shí)，制孔橫梁操作有效，反之制孔橫梁只有工裝在“安全位”時(shí)才可以運(yùn)動(dòng)。

4.2 同步保護(hù)及限位

為了保證橫梁在運(yùn)行過程中的同步安全，在上位機(jī)中對(duì)橫梁同步軸的實(shí)際位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)控到同步軸的位置誤差超過設(shè)定允許誤差時(shí)，系統(tǒng)緊急停止，并給出報(bào)警信息。同時(shí)對(duì)坐標(biāo)硬限位、軟限位、最大允許跟隨誤差也進(jìn)行了設(shè)置，防止“超程”、“飛車”造成人身安全事故和設(shè)備的損壞。

4.3 人工參與防護(hù)

在部件的裝配過程中，多個(gè)流程需要工作人員進(jìn)入到設(shè)備裝配加工區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，為保證工作人員的安全，系統(tǒng)中加入了“人工參與防護(hù)”控制。人工參與過程中，工裝定位器被鎖定，系統(tǒng)不響應(yīng)操作；工作人員安全離開加工區(qū)域并經(jīng)過確認(rèn)后，系統(tǒng)才能解除人工參與狀態(tài)，操作恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)飛機(jī)大部件實(shí)際裝配需要設(shè)計(jì)的數(shù)字化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在超過6m的大跨度橫梁的同步運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，同步性能好，定位精度和重復(fù)定位精度高，滿足設(shè)備的使用要求；

（2）為了獲得盡可能好的控制響應(yīng)，橫梁兩側(cè)電機(jī)基本具有相同的增益。在調(diào)試過程中，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載情況進(jìn)行了多次調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的同步效果；

（3）采用基于EtherCAT總線的多軸控制系統(tǒng)大大降低了現(xiàn)場(chǎng)總線的使用成本，分布式時(shí)鐘機(jī)制保證了設(shè)備節(jié)點(diǎn)上伺服電機(jī)的高精度同步；

（4）根據(jù)帶距離編碼光柵尺的回零原理，結(jié)合GMAS伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了新的回零方法，提高了回零效率。PLCOpen指令作為為GMAS伺服系統(tǒng)底層的運(yùn)動(dòng)API，如果靈活運(yùn)用可以實(shí)現(xiàn)比庫函數(shù)更豐富的功能；

（5）通過研制數(shù)字化工裝設(shè)備，解決了以往使用剛性工裝裝配時(shí)帶來的弊端，簡化了工藝流程。根據(jù)GMAS伺服系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，具有完善的運(yùn)動(dòng)功能和良好的人機(jī)交互體驗(yàn)。

[1] 鄒方. 飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展. 航空制造技術(shù), 2006(9):30-35.

[2] 郭洪杰. 飛機(jī)部件裝配數(shù)字化柔性工裝技術(shù)研究. 航空制造技術(shù),2011(22):94-97.