一種基于S7-1200控制技術的全向移動安裝裝置設計

蘆海濤

中航西安飛機工業集團股份有限公司 陜西 西安 710089

引言

針對傳統起落架安裝方式存在的不足,本文以S7-1200 PLC作為車載控制器,通過SINAMICS V90實現對麥克納姆輪驅動,設計了一臺可全方向移動的起落架運輸和安裝裝置,實現了某型機飛機起落架的快速對接裝配,解決了狹窄空間內飛機起落架難以運輸、裝配的技術難題。

1 安裝裝置結構組成及功能

安裝裝置由車體、車載控制器、蓄電池及驅動輪組、零重力裝置等部分組成。車載控制器負責數據計算和輪組運動控制,蓄電池組為控制系統和驅動器提供動力,驅動輪組負責起落架運輸及安裝定位,零重力裝置負責起落架姿態調整和安裝對接。

2 車載控制器選擇

本安裝裝置使用于工業控制現場,數據運算量適中,但要求車載控制器必須穩定和可靠,擴展性要強,同時要便于現場調試和后續維護。綜合考慮上述因素,選用西門子S7-1200系列PLC作為導引車車載控制器。

3 驅動器選型與通訊方式選擇

3.1 驅動器選擇 自動導引車普遍采用蓄電池供電,其電壓一般在12V-72V左右,驅動器可以選擇低壓直流型伺服驅動器,也可以選擇交流伺服驅動器。選擇交流伺服驅動器需要配置交流逆變器,將直流電逆變為需要的交流電壓后供給驅動器。

交流伺服電機維護方便,容易調速,控制精度高,本項目選用交流伺服驅動器。蓄電池輸出電壓直流48伏,采用逆變器將蓄電池輸出電壓逆變至交流220伏供給驅動器。

3.2 控制器與驅動器通訊協議選擇 Profinet是一種新型的以太網通訊系統,基于工業以太網,數據傳輸速率高,具有很好的實時性,可以直接連接現場設備。為便于項目調試和系統集成,本項目驅動器選擇與車載控制器同一品牌的Sinamcs V90驅動器。該驅動器具備高水平的快速定位精度和低紋波的轉速波動功能,支持Profinet協議,通過PROFINET接口,只需一根通訊電纜即可實時傳送運動控制指令并實時反饋驅動器轉速、轉矩等過程數據以及診斷數據。

4 輪組驅動方式選擇

差動輪通過兩輪的差動實現行走和轉向,可以實現原地回轉等動作,缺點是精度不高,無法適應對精度要求較高的場合。舵輪常用于大噸位物料的搬運,體積較大,在狹小空間范圍內使用時移動式靈活性不足。麥克納姆輪采用全向驅動技術,體積較小,可以靈活的實現任意方向上的平移和原地回轉,特別適用于在狹小的空間內全方位移動,且運動精度較高。

5 系統硬件組態配置

5.1 車載控制器硬件組態配置 控制系統由西門子S7-1200控制器和SINAMICS V90伺服驅動器組成,電機選用1FL系列自冷卻永磁同步電機。

打開TIA Portal軟件,新建項目,在添加新設備窗口中選擇CPU 1215C及對應版本。在網絡視圖中為CPU1215C建立PROFINT網絡,并從右側的硬件目錄“其他現場設備→PROFINETIO→Drives→Siemens AG→SINAMICS”中選擇“SINAMICS V90 PN V1.0”,鼠標左鍵點擊PROFINT IO網絡,在屬性窗口中,為PLC和V90PN分配IP地址。完成所有驅動器IP地址設置后將上面的設置下載至S7-1200。接下來組態V90的報文,網絡視圖中打開V90的設備視圖,從右側目錄中“標準報文3,PZD-5/9”拖到左側的地址列表中。

在工藝對象中插入TO_Positioning Axis,然后對該軸進行組態。將“軸類型”設置為線性軸,硬件接口參數中驅動裝置類型選擇“PROFIdrive”,再選擇驅動裝置報文“SINAMICS-V90-PN.驅動_1”,其余參數均保持默認。

5.2 SINAMICS V90伺服驅動器參數配置 SINAMICS V-ASSISTANT工具用于調試和診斷帶有PROFINET接口的SINAMICS V90驅動器,用于修改SINAMICS V90 PN的參數并監控其狀態。

選擇目標驅動器,建立SINAMICSV-ASSISTANT與驅動之間的通訊。單擊在線,V-ASSISTANT自動從所連驅動上讀取所有參數設置,并在窗口顯示驅動器和電機型號、電源規格、額定功率、電流、編碼器類型等相關信息。

在主界面左側選擇“設置PROFINET”菜單,選擇驅動器所需報文并進行網絡IP地址設置,此處IP地址和子站名稱設置必須與S7-1200控制器硬件組態相同。根據控制要求點擊下拉列表并選擇所需報文。

在主界面左側選擇“參數”菜單,分別對電機減速比、速度、硬件限位、軟件限位、扭矩保護、控制模式等參數進行設置。

6 系統軟件設計

根據麥克納姆輪結構結構,運行速度與輪組角速度關系的數學模型計算如圖1所示,其中l為半車寬,L為半車長,R為輪子半徑,α為小輥子與輪軸夾角,θ1、θ2、θ3、θ4分別為四個輪組的角速度。

圖1 速度計算數學模型

7 結束語

近年來,隨著智能化概念的普及,我國開始大力發展智能制造技術,特別是航空航天制造領域,許多傳統工藝裝備通過融合智能制造技術進行了升級換代,實現了智能化運輸和裝配。本文深入探究了如何以S7-1200作為車載控制器,通過選用合適的系統硬件結構和控制算法,設計了一臺可全方向移動的起落架運輸和安裝裝置,實現了某型機飛機起落架的快速對接裝配,解決了飛機起落架裝配空間小、姿態調整難的技術難題。該裝置已投入生產使用,行走方便,功能完整,運行安全可靠。