基于WinCC的飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

王 平，姬煜琦，董正建

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海 201324)

飛機(jī)制造水平是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)發(fā)達(dá)與否的一個(gè)標(biāo)桿[1]，要保證飛機(jī)具有較高的裝配制造精度，除了要保證零件的制造精度、單個(gè)部件的裝配精度，更需要保證部件與部件之間對(duì)接精度。而進(jìn)行部件與部件對(duì)接時(shí)往往存在對(duì)接部件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，對(duì)部件姿態(tài)快速精準(zhǔn)的調(diào)整是一個(gè)研究的熱點(diǎn)話題[2-3]，我國(guó)航空工業(yè)已經(jīng)迎來(lái)新的發(fā)展時(shí)期，現(xiàn)代民機(jī)大部件對(duì)接技術(shù)已朝著全面采用數(shù)字化自動(dòng)對(duì)接的方向發(fā)展，飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)已不單單是提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率的手段，而且是現(xiàn)代飛機(jī)制造的必備技術(shù)。

1 飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接概述

80年代末，先進(jìn)聯(lián)合技術(shù)公司(AIT)與飛機(jī)制造公司一同開(kāi)始設(shè)計(jì)大部件對(duì)接自動(dòng)化平臺(tái)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：1)依靠自動(dòng)化定位控制系統(tǒng)，同時(shí)協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)，以預(yù)定的方式準(zhǔn)確平穩(wěn)地操縱飛機(jī)部件；2)使用激光測(cè)量子系統(tǒng)來(lái)確定部件位置并控制飛機(jī)幾何形狀。AIT公司的自動(dòng)化定位與校準(zhǔn)系統(tǒng)由機(jī)械傳動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)及激光測(cè)量組件組成，機(jī)械傳動(dòng)裝置用來(lái)支撐飛機(jī)分裝配件在X、Y方向的直線移動(dòng)，以及Z向俯仰，實(shí)際上每個(gè)機(jī)械傳動(dòng)裝置是三軸機(jī)床，通過(guò)帶有旋轉(zhuǎn)分解器反饋的伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)完成精確運(yùn)動(dòng)。飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接示意圖如圖1所示。

圖1 飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接示意圖

同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些高校及企業(yè)也逐步進(jìn)行了大部件對(duì)接技術(shù)的研究，并逐漸將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)裝配制造中。張洪雙等[4]研究了大部件調(diào)姿的數(shù)控定位器布局，并對(duì)調(diào)姿行程進(jìn)行了優(yōu)化分析。羅中海等[5]研究了飛機(jī)大部件調(diào)姿平臺(tái)力位混合控制系統(tǒng)，對(duì)研究壓力傳感器對(duì)數(shù)控調(diào)姿參數(shù)的優(yōu)化修正起到了一個(gè)引導(dǎo)作用。雷沛等[6]研究了3PS數(shù)控定位器球鉸點(diǎn)中心位置的標(biāo)定方法，探知了球角對(duì)調(diào)姿精度的影響，并基于sinurmeric系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)控制。郭志敏等[7]研究并設(shè)計(jì)了一種精密三坐標(biāo)POGO調(diào)姿柱，該種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)三自由度的調(diào)節(jié)。張楊等[8]研究了SIMOTION在數(shù)字化對(duì)接系統(tǒng)中的多軸同步控制應(yīng)用，對(duì)研究自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)提供了一種思路。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接工藝，選取WinCC平臺(tái)作為上位開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選取SIMOTION設(shè)備作為下位運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，基于SA進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)測(cè)量系統(tǒng)，搭建了一套具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大部件自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)。

2 WinCC軟件介紹

SIMATIC WinCC(以下簡(jiǎn)稱WinCC)是西門子最經(jīng)典的過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)，業(yè)已成為市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，乃至業(yè)界遵循的標(biāo)準(zhǔn)，WinCC能為工業(yè)領(lǐng)域提供完備的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)功能，集生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化于一體，具有良好的開(kāi)放性和靈活性，其基本功能如圖2所示。

圖2 WinCC基本功能

3 飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)架構(gòu)

飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：定位器系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)。

3.1 定位器系統(tǒng)

飛機(jī)大部件采用4個(gè)定位器進(jìn)行支承和定位(見(jiàn)圖3)。適用于機(jī)身等筒型類部件，通過(guò)定位器接頭與飛機(jī)大部件的工藝接頭配合能對(duì)其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的支持，并實(shí)現(xiàn)全自由度無(wú)冗余的位置姿態(tài)調(diào)整。

圖3 定位器布局示意圖

定位器系統(tǒng)中的控制器選用可支持多軸同步運(yùn)動(dòng)的SIMOTION設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為底層運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸為西門子伺服電動(dòng)機(jī)，控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

數(shù)字化測(cè)量是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)總裝配數(shù)字化、自動(dòng)化、柔性化和集成化的基礎(chǔ)。數(shù)字化測(cè)量條件下的飛機(jī)全機(jī)自動(dòng)對(duì)接裝配、水平測(cè)量與校準(zhǔn)，需要測(cè)量布設(shè)于飛機(jī)部件或其工裝之上的測(cè)量點(diǎn)的全局坐標(biāo)來(lái)獲得裝配對(duì)象當(dāng)前狀態(tài)。為此，通過(guò)采用激光跟蹤儀、iGPS及激光雷達(dá)等數(shù)字化測(cè)量設(shè)備(見(jiàn)圖5)，建立數(shù)字化高精度測(cè)量場(chǎng)，才能獲得飛機(jī)部件在全局坐標(biāo)系下的準(zhǔn)確狀態(tài)。

圖5 激光跟蹤儀和靶球

3.3 綜合控制系統(tǒng)

基于WinCC的自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)，能很好地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)的集成，底層的控制程序項(xiàng)目可以方便地集成在WinCC項(xiàng)目中，通過(guò)內(nèi)部通信協(xié)議進(jìn)行通信。同時(shí)WinCC具有友好的HMI界面編輯功能，支持多種腳本語(yǔ)言。基于WinCC開(kāi)發(fā)的自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 WinCC綜合控制系統(tǒng)示意圖

3.3.1 WinCC與下位機(jī)控制系統(tǒng)通信

WinCC與下位機(jī)控制系統(tǒng)的通信通過(guò)內(nèi)部協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)變量的讀寫。WinCC可建立通道，在下位機(jī)控制系統(tǒng)中導(dǎo)出相應(yīng)的變量，使用導(dǎo)入工具導(dǎo)入到WinCC中。在WinCC的圖形管理器中即可組態(tài)相應(yīng)的控件實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)控制系統(tǒng)變量的讀寫，實(shí)現(xiàn)了基本的SCADA功能。

WinCC通過(guò)與下位機(jī)控制系統(tǒng)的通信，可以獲取軸的當(dāng)前位置反饋和力傳感器參數(shù)，為自動(dòng)調(diào)姿提供參考，同時(shí)，WinCC通過(guò)對(duì)下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序中的變量讀寫，可實(shí)現(xiàn)軸的運(yùn)動(dòng)控制，包括軸的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)量。

3.3.2 WinCC與跟蹤儀通信

為方便數(shù)據(jù)的采集和分析，采用自帶數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。在WinCC中編寫相應(yīng)的腳本實(shí)現(xiàn)WinCC對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫操作。

跟蹤儀的測(cè)量工作由基于SA的二次開(kāi)發(fā)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，在SA中編寫不同功能的子程序，WinCC中可以根據(jù)不同測(cè)量需要調(diào)用相應(yīng)的子程序。通過(guò)編寫子程序可以實(shí)現(xiàn)SA軟件中的絕大部分功能，包括跟蹤儀連接和斷開(kāi)、回鳥(niǎo)巢、測(cè)量和數(shù)據(jù)分析(Best Fit)等，具體通信流程如圖7所示。

圖7 WinCC與跟蹤儀通信示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于WinCC的飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)集自動(dòng)化和過(guò)程控制于一體，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)大部件自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)調(diào)姿的統(tǒng)一，攻克了多軸同步運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)化測(cè)量、跨平臺(tái)實(shí)時(shí)通信、大部件調(diào)姿算法及路徑規(guī)劃等多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，形成了飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接工藝裝備自主研制能力，提升了我國(guó)民用飛機(jī)裝備研制水平，為后續(xù)的多型號(hào)、多工位的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。