淺談變頻控制技術(shù)在飛機(jī)裝配起重機(jī)上的應(yīng)用

滕廣力，張三，阮鵬

（中航飛機(jī)股份有限公司，陜西 西安 710089）

在當(dāng)今飛機(jī)制造行業(yè)中，生產(chǎn)制造人員需要各式各樣的工程機(jī)械來輔助作業(yè)，其中起重機(jī)械是不可或缺且使用頻率最高的設(shè)備。從原材料搬運(yùn)到成品元件運(yùn)輸，從零部件加工到表面處理，從部件裝配到整機(jī)總裝，起重機(jī)械應(yīng)用在飛機(jī)生產(chǎn)裝配的每一個(gè)環(huán)節(jié)中，其重要性不言而喻。因此，一臺(tái)安全、可靠、操作便捷的起重機(jī)，可以極大程度的提高生產(chǎn)作業(yè)效率；同樣的，若生產(chǎn)過程中起重機(jī)性能不夠可靠，安全保護(hù)措施不到位，將直接影響生產(chǎn)任務(wù)的進(jìn)行，甚至造成人員、設(shè)備、產(chǎn)品的損傷。

1 飛機(jī)裝配吊裝作業(yè)的特點(diǎn)

1.1 產(chǎn)品方面

飛機(jī)裝配吊裝作業(yè)中所吊裝產(chǎn)品均為飛機(jī)裝配的零部件，具有體積大、外形結(jié)構(gòu)不規(guī)則、產(chǎn)品價(jià)值高等特點(diǎn)，在吊裝過程中大多需多臺(tái)起重機(jī)協(xié)同作業(yè)，對起重機(jī)聯(lián)動(dòng)控制、同步運(yùn)行精度等具有較高的要求。

1.2 吊裝過程方面

飛機(jī)零部件裝配過程中，大多數(shù)情況下需要起重機(jī)將零部件吊裝至指定工裝、設(shè)備上，或從指定工裝、設(shè)備上起吊，吊裝過程的不準(zhǔn)確將極易造成設(shè)備、產(chǎn)品發(fā)生碰撞或拉扯，以致設(shè)備、產(chǎn)品出現(xiàn)損壞，因此吊裝精度要求高。

1.3 起重機(jī)械方面

飛機(jī)零部件的吊裝大多在定點(diǎn)位置進(jìn)行吊裝，有限的工作空間導(dǎo)致起重機(jī)械在吊裝作業(yè)中具有不可替代性，一旦出現(xiàn)故障，將直接造成生產(chǎn)線停滯，因此這類起重機(jī)械需具備高穩(wěn)定性、低故障率的特點(diǎn)。

2 傳統(tǒng)起重機(jī)控制方式的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的起重機(jī)械大多采用“凸輪控制器+繞線式電動(dòng)機(jī)+轉(zhuǎn)子串接電阻”的控制方式。在這種控制方式下，起重機(jī)存在諸多缺點(diǎn)：

（1）低速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性差；

（2）分檔調(diào)速，提速過程慢，調(diào)速范圍小，加減速不平滑；

（3）啟動(dòng)電流大，設(shè)備沖擊嚴(yán)重，啟動(dòng)不平穩(wěn)。

（4）設(shè)備工作效率低，定位精度差。

（5）電氣控制系統(tǒng)元件老化迅速，故障率高，機(jī)械部件磨損速度快，維護(hù)量大。

（6）操作員高空作業(yè)，安全性差。

隨著飛機(jī)制造行業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的起重機(jī)控制方式已無法滿足飛機(jī)裝配吊裝作業(yè)的高要求。通過吸納成熟的新技術(shù)、新科技，對傳統(tǒng)的起重機(jī)控制方式進(jìn)行升級、替代，是起重機(jī)械發(fā)展的必然趨勢。而近年來，“PLC+變頻器+編碼器”的控制方式已逐漸成為起重機(jī)械的主流控制方式。

3 變頻控制技術(shù)在起重控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

相比傳統(tǒng)控制方式來說，通過變頻控制技術(shù)的應(yīng)用，起重機(jī)電機(jī)機(jī)械特性變硬，起、制動(dòng)動(dòng)作平滑，運(yùn)行平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性提高，故障率下降，維護(hù)成本下降，機(jī)械壽命延長。除此之外，“PLC+變頻器+編碼器”的控制方式在滿足起重機(jī)正常驅(qū)動(dòng)需求的同時(shí)，還提供了諸多的安全保護(hù)功能，甚至可以根據(jù)實(shí)際需要對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，以便滿足飛機(jī)裝配工作的使用需求及功能擴(kuò)展。

3.1 變頻器速度監(jiān)視功能及轉(zhuǎn)矩監(jiān)視功能

變頻器通過采集電機(jī)側(cè)編碼器的反饋情況，可以監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)行速度，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行超速時(shí)，可自動(dòng)切斷電機(jī)的運(yùn)行使能，避免起重機(jī)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)失控，造成人員或產(chǎn)品損傷。通過對比電機(jī)編碼器反饋的運(yùn)行時(shí)電機(jī)速度變化情況與變頻器速度給定情況是否一致，或在電機(jī)加速、減速過程中是否出現(xiàn)過度的速度偏差，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的監(jiān)視，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩異常時(shí)，將自動(dòng)切斷電機(jī)的運(yùn)行使能，保護(hù)起重設(shè)備及吊裝產(chǎn)品的安全。

3.2 轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證功能

轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證功能是在傳動(dòng)控制中的一個(gè)功能模塊，用于確認(rèn)在機(jī)械抱閘釋放和提升運(yùn)動(dòng)開始前，電機(jī)能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。該功能主要用于起重機(jī)的卷揚(yáng)系統(tǒng)功能驗(yàn)證。轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證工作是機(jī)械抱閘被釋放前，向卷揚(yáng)系統(tǒng)施加一個(gè)正向的轉(zhuǎn)矩，如果轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證成功，則表示起重機(jī)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到了正確的等級，機(jī)械抱閘將會(huì)松開，否則設(shè)備將無法啟動(dòng)。轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證邏輯圖如圖1。

圖1 轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證邏輯圖

轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證流程：（1）TORQ PROV SEL=“TURE”，激活轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證功能。（2）通過參數(shù)TORQ PROV REF 設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，通過Motor torque 讀取實(shí)際轉(zhuǎn)矩，將兩個(gè)信號進(jìn)行比較。（3）當(dāng)轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證功能激活但未開始執(zhí)行時(shí)，TORQ PROV OK 信號為0；當(dāng)輸入信號Running 信號為1 時(shí)，變頻器啟動(dòng)，轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證功能開始執(zhí)行。當(dāng)轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證完成后，TORQ PROV OK信號為1。（4）若轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證失敗，或轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證期間出現(xiàn)故障，則TORQ PROV OK 信號為0，TORQ PROV flt 信號為1，且變頻器停止運(yùn)行。并在變頻器控制板處顯示相應(yīng)故障信息。

3.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)矩記憶功能

即在起重機(jī)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)停車時(shí)，變頻器將自動(dòng)記錄卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)停車時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電流、直流電壓等電機(jī)參數(shù)，當(dāng)下一次卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)，變頻器首先增加電機(jī)勵(lì)磁水平，以保證在機(jī)械抱閘釋放時(shí)，電機(jī)可以提供相同的轉(zhuǎn)矩，避免卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)溜鉤、倒拉現(xiàn)象。即保證了吊裝過程的安全，也降低了設(shè)備的能耗。轉(zhuǎn)矩控制圖如圖2。

圖2 轉(zhuǎn)矩控制圖

3.4 速度控制功能

變頻器提供速度控制功能，一方面在速度控制器中，可以通過調(diào)整速度控制增益、速度控制的積分時(shí)間、微分時(shí)間、電機(jī)滑差增益等參數(shù)，使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，避免電機(jī)運(yùn)行速度控制不穩(wěn)定，導(dǎo)致造成速度震蕩；另一方面在給定管理器中，可以通過調(diào)整速度加、減速斜坡時(shí)間，使電機(jī)運(yùn)行速度的變化更加平滑，避免電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)較大的速度變化或速度階躍現(xiàn)象。

3.5 保護(hù)功能

包括電機(jī)超溫保護(hù)、過載保護(hù)、缺相保護(hù)等方面的保護(hù)功能，變頻器通過實(shí)時(shí)檢測電機(jī)運(yùn)行電流、溫升情況、轉(zhuǎn)速等信息，監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常情況變頻器將切斷運(yùn)行使能，以避免設(shè)備異常運(yùn)行造成電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，甚至造成吊裝事故。除此之外，變頻器提供了壽命監(jiān)控功能。通過設(shè)定設(shè)備總的工作時(shí)間、載荷譜因數(shù)Km、設(shè)備機(jī)械壽命、電機(jī)額定速度等參數(shù)，結(jié)合由設(shè)備額定載荷、設(shè)備運(yùn)行速度等參數(shù)計(jì)算得出的設(shè)備實(shí)際起重載荷，變頻器將計(jì)算出起重機(jī)的機(jī)械壽命，當(dāng)機(jī)械壽命低于10%時(shí)，將輸出報(bào)警信息進(jìn)行提示。

3.6 報(bào)警功能

變頻器在自身工作異常時(shí)或檢測到電機(jī)異常時(shí)，將輸出報(bào)警信息，通過讀取報(bào)警信息，可以快速的確認(rèn)設(shè)備故障點(diǎn)，提高維修效率，減少設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間。通過“PLC+觸摸屏”的控制方式，可以進(jìn)一步的對設(shè)備整體工作情況，包括行程限位、稱重限制器、操縱裝置狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，通過觸摸屏對相應(yīng)的工作狀態(tài)、故障情況、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等進(jìn)行顯示，為維修、維護(hù)工作提供參考以及數(shù)據(jù)積累，提高維護(hù)工作的準(zhǔn)確性。

3.7 同步運(yùn)行功能

通過在起重機(jī)控制柜加裝固定式無線通訊裝置，可以實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)甚至多臺(tái)起重機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，在這種“PLC+變頻器+編碼器+無線通訊裝置”的控制模式下，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)起重機(jī)同步運(yùn)行，并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，對各臺(tái)起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)調(diào)整，以保證多臺(tái)起重機(jī)的同步運(yùn)行精度，避免同步運(yùn)行超差后，對起重機(jī)所吊裝產(chǎn)品造成損傷。

4 結(jié)語

由于飛機(jī)裝配吊裝作業(yè)在裝配精度、運(yùn)行安全、工作穩(wěn)定等方面要求的提升，“PLC+變頻器+編碼器”的控制方式會(huì)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)裝配起重機(jī)上。起重機(jī)的這種控制方式改進(jìn)，在產(chǎn)品安全保障、設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、多臺(tái)起重機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行方面均具備極大的優(yōu)勢。隨著飛機(jī)制造行業(yè)的發(fā)展，起重吊裝作業(yè)的要求也越來越高，起重機(jī)在滿足精度、穩(wěn)定性、安全性的基礎(chǔ)上，也需要向旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、過軌等多功能復(fù)合運(yùn)用的方向發(fā)展，以滿足制造行業(yè)中，不同吊裝環(huán)境的吊裝需求、動(dòng)作需求。