中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造技術(shù)航空科技重點實驗室 孫 嚴(yán) 薛漢杰 薛貴軍 施 政

飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量多，且剛性小，尤其對于大型的飛機部件，在裝配過程中容易發(fā)生變形。雖然目前廣泛使用的剛性工裝對裝配精度有一定保證，但一套工裝只能適用于一類部件的裝配，這種模式導(dǎo)致生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長，占地面積大，勞動強度高，且結(jié)構(gòu)開放性差。隨著航空制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)字化柔性工裝的出現(xiàn)克服了剛性工裝的上述缺點[1]。數(shù)字化工裝根據(jù)部件數(shù)模得到的坐標(biāo)值，將零部件精確定位至待裝配位置，等待進行下一步的加工。其自動化程度高，定位精度準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)上可重構(gòu)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，可以適應(yīng)多個不同型號零件的裝配需要。

自20世紀(jì)90年代開始數(shù)字化裝配技術(shù)在西方航空發(fā)達國家發(fā)展迅速，而我國仍大量采用傳統(tǒng)的固定裝配型架，并以手工裝配為主要手段。近年來隨著我國航空工業(yè)的發(fā)展，數(shù)字化裝配手段成為業(yè)內(nèi)的迫切需要[2]。因此，從實際應(yīng)用出發(fā)，本文提出了一種用于飛機大部件裝配的數(shù)字化控制系統(tǒng)方案，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 總體結(jié)構(gòu)

工裝結(jié)構(gòu)如圖 1所示，采用橋架式結(jié)構(gòu)，上下各3組橫梁。上、下橫梁上設(shè)計有卡板定位工裝，負責(zé)完成各組成部件的定位和裝配。由于橫梁跨度較大，因此采用雙邊伺服電機同步驅(qū)動，與光柵尺反饋組成全閉環(huán)控制?？ò宥ㄎ还ぱb采用絕對值編碼伺服電機，控制其沿Z方向同步運動。在裝配過程中，工裝定位器將待裝配部件精確定位至裝配區(qū)，待裝配完成后，進行自動制孔操作。

圖1 大部件數(shù)字化工裝結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of flexible tooling assembly device

1.2 控制系統(tǒng)

數(shù)字化工裝控制系統(tǒng)由人機交互操作系統(tǒng)（上位機）、軸管理器（下位機）及伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成，同時輔以外圍各檢測控制器件如圖2所示。

由于工裝定位器數(shù)量眾多，又要完成多軸同步運動等精確控制，因此采用Elmo公司的新一代Gold系列運動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由Maestro軸管理器（簡稱GMAS）和Gold DC Trombone伺服驅(qū)動器組成，具有強大的運動控制功能。其核心GMAS是一種基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運動控制器，通過EtherCAT總線與節(jié)點上的伺服驅(qū)動器進行通信。EtherCAT擁有強大的分布式時鐘功能，在幾個伺服軸需要同時執(zhí)行協(xié)調(diào)運動時可以實現(xiàn)精確同步。

圖2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of electrical system

X向橫梁伺服電機通過光柵尺構(gòu)成全閉環(huán)控制，兩側(cè)驅(qū)動器組成一個同步組，通過GMAS進行同步運動控制。Trombone驅(qū)動器具有一定數(shù)量的IO接口，可以對電機限位狀態(tài)以及橫梁碰撞情況進行檢測。對于其他外圍IO設(shè)備，則通過擴展的現(xiàn)場總線控制器來進行監(jiān)測和控制。

上位機主要進行人機交互操作，包括PC端主操作界面和手持操作面板。PC端發(fā)送定位數(shù)據(jù)和指令至GMAS來實現(xiàn)對定位器的精確定位。同時還對電機的運行狀態(tài)、安全狀態(tài)、電氣系統(tǒng)狀況等進行監(jiān)測。手持操作面板作為PC端控制的一種補充，主要完成對定位器的微調(diào)，方便工作人員在裝配過程中近距離操作。

上位機與GMAS和現(xiàn)場總線控制器之間通過Modbus/TCP工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。Modbus/TCP作為一種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，具有偵錯能力強、數(shù)據(jù)傳輸量大、結(jié)構(gòu)開放等特點，有效地保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 控制功能的實現(xiàn)

工裝定位器的運動數(shù)據(jù)需要根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)模得到，定位數(shù)據(jù)服務(wù)器將從產(chǎn)品數(shù)模中得到的定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際的位置信息，并發(fā)送至上位機PC端。PC端將定位信息發(fā)送至Modbus寫保持寄存器中，下位機GMAS在接收到上位機運動指令的同時，讀取寫保持寄存器中的定位信息，并驅(qū)動電機進行精確定位如圖3所示。

控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。下位機作為整個工裝運動控制的核心，其程序結(jié)構(gòu)主要分為以下幾個大塊：

軸參數(shù)初始化：用來對運動軸的默認參數(shù)進行設(shè)置，包括速度、加減速、Jerk等；

讀輸入數(shù)據(jù)：通過讀取Modbus寄存器對上位機發(fā)出的運動指令進行接收；

寫輸出數(shù)據(jù)：將伺服軸狀態(tài)寫入Modbus寄存器供上位機讀??；

后臺處理數(shù)據(jù)：將驅(qū)動器IO狀態(tài)等實時性不高的數(shù)據(jù)寫入Modbus寄存器；

定位模塊：包含所有運動控制相關(guān)程序。

在初始化伺服軸的運動參數(shù)后，下位機程序進入到后臺循環(huán)掃描，掃描周期為20ms。當(dāng)上位機下達運動命令后，GMAS根據(jù)從Modbus寫保持寄存器中讀取到的指令調(diào)用定位模塊中相應(yīng)的運動程序塊，并開始執(zhí)行運動。每個掃描周期結(jié)束前將當(dāng)前電機狀態(tài)和驅(qū)動器IO狀態(tài)等寫入到保持寄存器，上位機狀態(tài)監(jiān)控模塊接收到狀態(tài)信息后顯示到人機交互界面，供用戶查詢。

上位機主要包括PC端（見圖5）與手持屏。除了主要進行工裝定位器的運動操作外，為了使操作人員更好地管理整個設(shè)備，還加入了報警信息管理、故障狀態(tài)處理和用戶管理等模塊。

圖3 數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of data transfer

圖4 控制系統(tǒng)功能塊Fig.4 Function block of control system

圖5 上位機PC端界面Fig.5 Software Interface of Epigynous Computer(PC)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大跨度橫梁同步

由于本設(shè)備是用于大尺寸部件的裝配，因此設(shè)備結(jié)構(gòu)跨度大，上層橫梁跨度達8m，下層為6m。橫梁運動機構(gòu)為典型的“直線導(dǎo)軌 + 齒輪齒條”傳動機構(gòu)，伺服電機通過齒輪驅(qū)動兩側(cè)輔助調(diào)整滑板帶動橫梁移動，實現(xiàn)橫梁上定位器的X向調(diào)整功能。這樣的話，如果同步效果不好，就會使橫梁發(fā)生振動、扭曲，長時間憋勁還可能會燒毀電機，定位精度也將難以保證。為了實現(xiàn)大跨度橫梁的同步運動，并保證同步的效果，這里使用了GMAS控制器的“組”功能，將橫梁兩側(cè)電機組成“組”，通過控制“組”運動來實現(xiàn)同步。

GMAS的“組”功能基于工業(yè)以太網(wǎng)EtherCAT，EtherCAT總線具有適應(yīng)性強、速度快、效率高和支持多種拓補結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。由于EtherCAT總線節(jié)點上的設(shè)備眾多，數(shù)據(jù)到達每個從站的時間不同，從站處理數(shù)據(jù)的時間也不同，為保證節(jié)點上設(shè)備任務(wù)執(zhí)行的同步，EtherCAT還擁有一個非常重要的功能就是分布時鐘（Distributed Clock，DC）機制。分布時鐘可以使EtherCAT總線節(jié)點下的所有設(shè)備使用相同的系統(tǒng)時間，從而控制各設(shè)備任務(wù)的同步執(zhí)行。

在通過GMAS的“組”功能實現(xiàn)同步后，為了驗證同步的有效性并對精度進行檢驗，對其中的上層1#橫梁進行實驗，試驗參數(shù)設(shè)置如下：

橫梁向正方向移動300mm；

勻速段運動速度為24.753mm/s；

采樣分辨率2ms/point；

記錄時間20s。

經(jīng)EAS調(diào)試軟件抓取分別得到橫梁沿X軸正方向同步運動時的位置跟隨誤差曲線如圖6所示。

對比兩側(cè)電機的位置跟隨誤差，分析得到位置同步誤差曲線如圖7所示。

經(jīng)對圖7分析可以得到，采用“組”同步方式后，橫梁兩側(cè)位置同步誤差脈沖計數(shù)不超過10cnt，由于光柵尺每毫米脈沖計數(shù)為1600cnt，因此最大位置同步誤差為10cnt/(1600cnt/mm)，即0.006mm，具有較高的動態(tài)同步性能。

3.2 帶距離編碼同步回零

圖6 橫梁兩側(cè)電機位置跟隨誤差Fig.6 Curve of position following error value

圖7 位置同步誤差曲線Fig.7 Displacement curve of multi-axis synchronization

在實現(xiàn)了同步后，還有一個需要解決的就是橫梁的回零問題。工裝橫梁X向的有效行程大于6m，如果采用絕對值光柵尺成本較高，增量型光柵尺由于設(shè)備上電時脈沖數(shù)為零，橫梁需要返回固定的零位參考開關(guān)才能完成回零操作，這樣每次設(shè)備回零都要走很長距離才能尋到固定參考點，非常不便。

為了解決這個問題，設(shè)備采用了帶有距離編碼參考點的增量型光柵尺如圖8所示。其內(nèi)部由一個標(biāo)準(zhǔn)的線性柵格標(biāo)志（mark1）和另一個與此平行的帶距離編碼參考點的軌道（mark2）組成。固定參考點mark1的間距是相同的，而相鄰兩參考點mark1和mark2之間的距離是變化的，每經(jīng)過一段固定參考點的距離，mark2就加上一個固定的值。因此，絕對參考點位置可以通過累計相鄰兩參考點間信號周期數(shù)來進行計算。

圖8 距離編碼參考點回零Fig.8 Incremental linear measurement with distance-coded reference marks

由于GMAS系統(tǒng)沒有現(xiàn)成的帶距離編碼的回零方法，這就需要根據(jù)上述原理創(chuàng)造回零方法。伺服系統(tǒng)對光柵尺參考點信號的捕捉由PLCOpen指令中的HF[N]來實現(xiàn)，HF[1]=1時激活回零模式，當(dāng)捕捉到參考點信號后HF[1]自動復(fù)位。當(dāng)捕捉到第一個參考點時，HF[1]自動復(fù)位，記錄下當(dāng)前位置，同時再將HF[1]置位。捕捉到第二個參考點時HF[1]再次復(fù)位并記錄下當(dāng)前位置。有了這兩個相鄰參考點的值就可以計算出橫梁回零后的實際位置，這樣就完成了整個回零過程。

采用帶有距離編碼回零方法后，橫梁不需要返回設(shè)備的固定參考點，只需移動很小一段距離就可以確定當(dāng)前實際位置，大大提高了設(shè)備的使用效率和靈活性。

3.3 精度補償

在得到滿意的同步和回零效果后，為了最大限度地提高設(shè)備精度，還需要對設(shè)備進行補償，這里采用了分段雙向補償法，補償算法由GMAS下位機程序來實現(xiàn)。得益于下位機GMAS的開發(fā)環(huán)境對C/C++編程方式有很好的支持，因此，通過下位機來進行補償后，PC端和手持屏只需要讀取Modbus寄存器相應(yīng)地址中的位置信息并顯示，而不再需要分別實現(xiàn)補償功能。

補償程序包括補償值的計算和補償后位置的顯示兩部分如圖9所示。上位機（PC或手持屏）發(fā)送定位指令后，下位機根據(jù)指令位置計算出補償后的值并控制伺服電機定位；同時由于電機運行的是一個帶補償值的位置，而用戶需要獲得的信息是指令位置，因此，還需要對位置數(shù)據(jù)進行處理，將減去補償值的位置顯示在上位機人機交互界面上。

在精度補償后，以下層橫梁為例，采用激光干涉儀對橫梁的定位精度和重復(fù)定位精度進行檢驗，最終得到其中一側(cè)電機的定位精度為0.011mm，重復(fù)定位精度為0.008mm；另一側(cè)電機的定位精度為0.008mm，重復(fù)定位精度為0.005mm。滿足設(shè)備驗收大綱要求指標(biāo)。

圖9 下位機補償Fig.9 Composition of Slave Computer Compensation Program

4 安全防護

為了保證工裝在部件裝配過程中安全運行，在設(shè)計上主要考慮以下幾點。

4.1 橫梁防碰撞保護

由于定位器橫梁間相互獨立，為避免發(fā)生碰撞，在執(zhí)行自動定位前需由數(shù)據(jù)服務(wù)器合理規(guī)劃路徑并計算出各橫梁定位坐標(biāo)值。手動定位時系統(tǒng)根據(jù)橫梁之間的相互位置關(guān)系來進行防撞判斷。工裝和制孔橫梁設(shè)置安全位置互鎖開關(guān)，當(dāng)工裝橫梁處于“安全位”時，制孔橫梁操作有效，反之制孔橫梁只有工裝在“安全位”時才可以運動。

4.2 同步保護及限位

為了保證橫梁在運行過程中的同步安全，在上位機中對橫梁同步軸的實際位置進行實時監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)控到同步軸的位置誤差超過設(shè)定允許誤差時，系統(tǒng)緊急停止，并給出報警信息。同時對坐標(biāo)硬限位、軟限位、最大允許跟隨誤差也進行了設(shè)置，防止“超程”、“飛車”造成人身安全事故和設(shè)備的損壞。

4.3 人工參與防護

在部件的裝配過程中，多個流程需要工作人員進入到設(shè)備裝配加工區(qū)域進行作業(yè)，為保證工作人員的安全，系統(tǒng)中加入了“人工參與防護”控制。人工參與過程中，工裝定位器被鎖定，系統(tǒng)不響應(yīng)操作；工作人員安全離開加工區(qū)域并經(jīng)過確認后，系統(tǒng)才能解除人工參與狀態(tài)，操作恢復(fù)正常。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)飛機大部件實際裝配需要設(shè)計的數(shù)字化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了在超過6m的大跨度橫梁的同步運動，運行平穩(wěn)，同步性能好，定位精度和重復(fù)定位精度高，滿足設(shè)備的使用要求；

（2）為了獲得盡可能好的控制響應(yīng)，橫梁兩側(cè)電機基本具有相同的增益。在調(diào)試過程中，根據(jù)系統(tǒng)負載情況進行了多次調(diào)整，以達到最優(yōu)的同步效果；

（3）采用基于EtherCAT總線的多軸控制系統(tǒng)大大降低了現(xiàn)場總線的使用成本，分布式時鐘機制保證了設(shè)備節(jié)點上伺服電機的高精度同步；

（4）根據(jù)帶距離編碼光柵尺的回零原理，結(jié)合GMAS伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了新的回零方法，提高了回零效率。PLCOpen指令作為為GMAS伺服系統(tǒng)底層的運動API，如果靈活運用可以實現(xiàn)比庫函數(shù)更豐富的功能；

（5）通過研制數(shù)字化工裝設(shè)備，解決了以往使用剛性工裝裝配時帶來的弊端，簡化了工藝流程。根據(jù)GMAS伺服系統(tǒng)特點設(shè)計的控制系統(tǒng)，具有完善的運動功能和良好的人機交互體驗。

[1] 鄒方. 飛機數(shù)字化柔性裝配關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展. 航空制造技術(shù), 2006(9):30-35.

[2] 郭洪杰. 飛機部件裝配數(shù)字化柔性工裝技術(shù)研究. 航空制造技術(shù),2011(22):94-97.