基于SIMOTION D455的大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)研制

李志強(qiáng) 何華兵 王 飛 劉 旭 沈玉軍

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610092)

近年來，國外以波音、空客、洛馬等為代表的航空制造企業(yè)都在大力發(fā)展數(shù)字化裝配技術(shù)，大量采用數(shù)字化裝配系統(tǒng)；國內(nèi)以成飛等為代表的主機(jī)廠也開始了大規(guī)模數(shù)字化裝配應(yīng)用。

數(shù)字化裝配技術(shù)已經(jīng)成為飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，國內(nèi)外飛機(jī)制造企業(yè)將其視作一項(xiàng)非常重要的核心技術(shù)。國內(nèi)的數(shù)字化裝配系統(tǒng)目前主要由浙江大學(xué)、清華大學(xué)、南航、625所及日發(fā)等高校和企業(yè)生產(chǎn)制造。由于航空產(chǎn)品生產(chǎn)工藝更新快，對(duì)產(chǎn)品的要求越來越多，原有的設(shè)備已經(jīng)不能適應(yīng)公司快節(jié)奏的需求，通過重新設(shè)計(jì)制造新的大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)以滿足生產(chǎn)的需要很有必要。

1 大部件調(diào)姿系統(tǒng)介紹

大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)主要由測(cè)量系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)控定位器4大部分組成，如圖1所示。

測(cè)量系統(tǒng)通過測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)固定的ERS點(diǎn)，使儀器的測(cè)量坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系一致，以使不同站位的儀器可具有相同的測(cè)量結(jié)果，并測(cè)量大部件姿態(tài)測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行各大部件段姿態(tài)評(píng)價(jià)，以調(diào)整各大部件段姿態(tài)；以工藝集成管理軟件為核心的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、位置姿態(tài)的計(jì)算、運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃等；Siemens SIMOTION D455 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)控定位器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)定位器同步、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，完成大部件對(duì)合過程中的產(chǎn)品支承，數(shù)字化調(diào)姿、對(duì)合控制等工作。

2 系統(tǒng)組成

2.1 機(jī)械系統(tǒng)組成

本大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)機(jī)械部件主要由多個(gè)數(shù)控定位器組成，該定位器為三坐標(biāo)數(shù)控定位器，如圖2所示，Y采用伺服電機(jī)、減速器、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，光柵尺實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，Y軸底座之上為X滑臺(tái)，X滑臺(tái)為十字滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，下部與Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)Y向運(yùn)動(dòng)，上部安裝X軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)X軸運(yùn)動(dòng)，X軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與Y軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相同，同樣采用伺服電機(jī)連接減速器和滾珠絲杠的形式，通過線性導(dǎo)軌導(dǎo)向，X滑臺(tái)之上是X滑枕，Z立柱通過螺釘連接X滑枕，Z軸驅(qū)動(dòng)方式也為伺服電機(jī)連接滾珠絲杠的方式，3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向均采用封閉式光柵尺，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)的控制精度。Z滑枕內(nèi)裝有球頭鎖緊裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)球頭的入位鎖緊，球頭鎖緊裝置內(nèi)裝有三維力傳感器，傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)身受力狀態(tài)，有效避免姿態(tài)調(diào)整時(shí)，機(jī)身受力過大而損壞。X、Y、Z這3個(gè)方向均設(shè)置限位開關(guān)和機(jī)械限位，在結(jié)構(gòu)上提高工作的安全性。三軸采用風(fēng)琴罩密封防護(hù)，既保證了內(nèi)部傳動(dòng)裝置的清潔，又使定位器簡(jiǎn)潔美觀。

本系統(tǒng)的三坐標(biāo)數(shù)控定位器分為兩組，如圖3所示，每組各4件，共計(jì)8件，兩兩面對(duì)面對(duì)稱分布于兩側(cè)，兩組定位器的主要結(jié)構(gòu)(如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)等)形式相同，區(qū)別在于兩種定位器的小部分零件呈鏡像關(guān)系，定位器整體在Y軸方向上呈鏡像關(guān)系。每4臺(tái)承接一個(gè)大部件產(chǎn)品及相應(yīng)托架，所有定位器協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成產(chǎn)品的調(diào)姿、對(duì)合及裝配工作。

2.2 電氣系統(tǒng)組成

大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)包含的兩組共8臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控定位器采用Drive-CLiQ實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行硬件集成，實(shí)現(xiàn)單個(gè)定位器各運(yùn)動(dòng)軸的位置伺服控制和多定位器之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制功能。在大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)中，總共需要集成24根伺服運(yùn)動(dòng)軸，且每個(gè)大部件調(diào)姿對(duì)合單元內(nèi)的12根運(yùn)動(dòng)軸需要同步協(xié)同控制。圖4為控制系統(tǒng)硬件集成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，采用1個(gè)西門子Simotion D455運(yùn)動(dòng)控制器和4個(gè)西門子CU320-PN控制單元，以2個(gè)CU320為一組控制一段調(diào)姿定位單元的4個(gè)POGO柱，共計(jì)8個(gè)軸。4個(gè)CU320總共控制兩個(gè)站位調(diào)姿定位單元的8個(gè)數(shù)控定位器，共計(jì)24個(gè)軸。

每臺(tái)定位器的傳感器信號(hào)，包括力傳感器的模擬量信號(hào)以及上下電等數(shù)字量信號(hào)等都耦合在個(gè)ET200SP分布式I/O組合模塊中，各個(gè)定位器的IO模塊組成Profinet網(wǎng)絡(luò)，由Simotion D455運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行控制，其基本組態(tài)如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 軟件架構(gòu)

3.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于.Net平臺(tái)的C#語言進(jìn)行開發(fā)，以工藝集成管理軟件為中樞，通過事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)測(cè)量、

數(shù)據(jù)庫、運(yùn)動(dòng)控制軟件及底層控制軟件進(jìn)行調(diào)用。包含工藝集成管理軟件、測(cè)量軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件、上位控制軟件和底層控制軟件5部分，如圖6所示。

3.1.2 運(yùn)動(dòng)控制單元系統(tǒng)架構(gòu)

運(yùn)動(dòng)控制軟件分為兩個(gè)部分，上位運(yùn)動(dòng)控制軟件和底層運(yùn)動(dòng)控制軟件。上位控制軟件運(yùn)行于上位工控機(jī)，基于C#語言進(jìn)行開發(fā)，主要功能是將裝配現(xiàn)場(chǎng)參考坐標(biāo)系下生成的各定位器驅(qū)動(dòng)軸的調(diào)姿路徑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，并根據(jù)選定的運(yùn)動(dòng)模式(如position-time、position-velocity-time等)，將電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制指令和運(yùn)動(dòng)參數(shù)通過下發(fā)到SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器。上位運(yùn)動(dòng)控制軟件按功能需求劃分為5個(gè)子功能模塊，如圖7所示。

在接收到上位運(yùn)動(dòng)控制軟件下發(fā)到SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制指令和運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，運(yùn)動(dòng)控制器控制各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)到位，最終實(shí)現(xiàn)大部件的位姿調(diào)整和對(duì)接裝配等任務(wù)。底層控制軟件運(yùn)行于SIMOTIOND 455上，模塊化設(shè)計(jì)，采用ST語言進(jìn)行底層運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)，由六大功能模塊組成，如圖8所示。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制

在大部件調(diào)姿運(yùn)用領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)各軸的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，除了必須保證上位運(yùn)動(dòng)控制軟件規(guī)劃出的定位器各驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)軌跡同步協(xié)調(diào)外，還必須由SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器保證執(zhí)行層各軸運(yùn)動(dòng)同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，如圖9所示。

基于SIMOTION D455運(yùn)動(dòng)控制器的電子凸輪功能，通過對(duì)PID參數(shù)優(yōu)化，對(duì)上位機(jī)發(fā)送位置信息進(jìn)行擬合，以一個(gè)虛擬主軸的運(yùn)動(dòng)來牽引12個(gè)物理軸的同步運(yùn)動(dòng)，防止出現(xiàn)單個(gè)運(yùn)動(dòng)軸未執(zhí)行的故障，確保多軸的速度、位置的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，降低了運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)產(chǎn)品的拉扯風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

本次大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)研制，通過采用用西門子SIMOTION D455作為主控制器，其內(nèi)部集成的模塊化功能，使開發(fā)周期大大縮短；通過OPC數(shù)據(jù)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)處理以及基于流程的程序控制，保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行；基于電子凸輪的多軸同步控制，在接收到上位運(yùn)動(dòng)控制軟件下發(fā)到SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制指令和運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，運(yùn)動(dòng)控制器控制各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)到位，最終實(shí)現(xiàn)大部件的位姿調(diào)整和對(duì)接裝配等任務(wù)。該大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)的控制原理及實(shí)現(xiàn)方法對(duì)其他大部件調(diào)姿對(duì)合系統(tǒng)的應(yīng)用具有借鑒作用。