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

李志強 何華兵 王 飛 劉 旭 沈玉軍

(成都飛機工業(yè)(集團)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)成為飛機制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，國內(nèi)外飛機制造企業(yè)將其視作一項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)計制造新的大部件調(diào)姿對合系統(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)姿對合系統(tǒng)主要由測量系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和數(shù)控定位器4大部分組成，如圖1所示。

測量系統(tǒng)通過測量現(xiàn)場固定的ERS點，使儀器的測量坐標系與裝配坐標系一致，以使不同站位的儀器可具有相同的測量結(jié)果，并測量大部件姿態(tài)測量點，進行各大部件段姿態(tài)評價，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)實現(xiàn)了測量數(shù)據(jù)的處理、位置姿態(tài)的計算、運動軌跡的規(guī)劃等；Siemens SIMOTION D455 運動控制系統(tǒng)和數(shù)控定位器的結(jié)合，實現(xiàn)了多個定位器同步、協(xié)調(diào)運動，完成大部件對合過程中的產(chǎn)品支承，數(shù)字化調(diào)姿、對合控制等工作。

2 系統(tǒng)組成

2.1 機械系統(tǒng)組成

本大部件調(diào)姿對合系統(tǒng)機械部件主要由多個數(shù)控定位器組成，該定位器為三坐標數(shù)控定位器，如圖2所示，Y采用伺服電機、減速器、絲杠螺母傳動，光柵尺實現(xiàn)全閉環(huán)控制，Y軸底座之上為X滑臺，X滑臺為十字滑臺結(jié)構(gòu)，下部與Y軸驅(qū)動系統(tǒng)連接實現(xiàn)Y向運動，上部安裝X軸驅(qū)動系統(tǒng)與導(dǎo)向系統(tǒng)實現(xiàn)X軸運動，X軸驅(qū)動系統(tǒng)與Y軸驅(qū)動系統(tǒng)相同，同樣采用伺服電機連接減速器和滾珠絲杠的形式，通過線性導(dǎo)軌導(dǎo)向，X滑臺之上是X滑枕，Z立柱通過螺釘連接X滑枕，Z軸驅(qū)動方式也為伺服電機連接滾珠絲杠的方式，3個運動方向均采用封閉式光柵尺，實現(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，傳感器可實時監(jiān)控機身受力狀態(tài)，有效避免姿態(tài)調(diào)整時，機身受力過大而損壞。X、Y、Z這3個方向均設(shè)置限位開關(guān)和機械限位，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，既保證了內(nèi)部傳動裝置的清潔，又使定位器簡潔美觀。

本系統(tǒng)的三坐標數(shù)控定位器分為兩組，如圖3所示，每組各4件，共計8件，兩兩面對面對稱分布于兩側(cè)，兩組定位器的主要結(jié)構(gòu)(如驅(qū)動系統(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臺承接一個大部件產(chǎn)品及相應(yīng)托架，所有定位器協(xié)調(diào)運動完成產(chǎn)品的調(diào)姿、對合及裝配工作。

2.2 電氣系統(tǒng)組成

大部件調(diào)姿對合系統(tǒng)包含的兩組共8臺三坐標數(shù)控定位器采用Drive-CLiQ實時運動控制網(wǎng)絡(luò)進行硬件集成，實現(xiàn)單個定位器各運動軸的位置伺服控制和多定位器之間的協(xié)同運動控制功能。在大部件調(diào)姿對合系統(tǒng)中，總共需要集成24根伺服運動軸，且每個大部件調(diào)姿對合單元內(nèi)的12根運動軸需要同步協(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個西門子Simotion D455運動控制器和4個西門子CU320-PN控制單元，以2個CU320為一組控制一段調(diào)姿定位單元的4個POGO柱，共計8個軸。4個CU320總共控制兩個站位調(diào)姿定位單元的8個數(shù)控定位器，共計24個軸。

每臺定位器的傳感器信號，包括力傳感器的模擬量信號以及上下電等數(shù)字量信號等都耦合在個ET200SP分布式I/O組合模塊中，各個定位器的IO模塊組成Profinet網(wǎng)絡(luò)，由Simotion D455運動控制器進行控制，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平臺的C#語言進行開發(fā)，以工藝集成管理軟件為中樞，通過事件驅(qū)動機制對測量、

數(shù)據(jù)庫、運動控制軟件及底層控制軟件進行調(diào)用。包含工藝集成管理軟件、測量軟件、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 運動控制單元系統(tǒng)架構(gòu)

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

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

3.2 運動控制

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

基于SIMOTION D455運動控制器的電子凸輪功能，通過對PID參數(shù)優(yōu)化，對上位機發(fā)送位置信息進行擬合，以一個虛擬主軸的運動來牽引12個物理軸的同步運動，防止出現(xiàn)單個運動軸未執(zhí)行的故障，確保多軸的速度、位置的協(xié)調(diào)運動，降低了運動過程中對產(chǎn)品的拉扯風(fēng)險。

4 結(jié)語

本次大部件調(diào)姿對合系統(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)的可靠運行；基于電子凸輪的多軸同步控制，在接收到上位運動控制軟件下發(fā)到SIMOTION運動控制器的電機運動控制指令和運動參數(shù)后，運動控制器控制各電機驅(qū)動器實現(xiàn)驅(qū)動軸同步協(xié)調(diào)運動到位，最終實現(xiàn)大部件的位姿調(diào)整和對接裝配等任務(wù)。該大部件調(diào)姿對合系統(tǒng)的控制原理及實現(xiàn)方法對其他大部件調(diào)姿對合系統(tǒng)的應(yīng)用具有借鑒作用。