西門子SIMOTION控制器在鉚接設備中的應用

于會龍

摘要：以西門子SIMOTION運行控制器為基礎，通過實驗鉚接機對自動鉆鉚過程中的位置精度、壓鉚力控制等性能指標進行檢測實驗，實現SIMOTION控制器在鉚接機中的應用設計。鉚接控制系統包括SIMOTION運動控制系統、ADI4模數轉換器、安川伺服驅動器、歐瑞變頻驅動器、科爾摩根以及TOX伺服運行程序塊。

關鍵詞：SIMOTION運行控制器;TOX伺服運行程序塊;科爾摩根

0? ? 引言

自動鉆鉚技術是飛機制造業的重要技術，國內外數十年的鉚接裝配技術應用證明，采用自動鉆鉚機后的裝配效率比手工鉚接裝配至少高10倍，并能節省安裝成本，改善勞動條件，確保安裝質量，大大減少人為因素造成的缺陷。

我公司開發的數控鉆鉚機屬于航空航天數控裝備制造領域中飛機壁板鉚接的精加工設備，其主要用于航空航天、船舶領域。機床整體外觀如圖1所示。

1? ? SIMOTION控制器使用方案

SIMOTION系統選用的是SIMOTION D425-2 DP/PN，系統連接圖如圖2所示。硬件部分主要包括SIMOTION D控制器單元、電源模塊（經過進線電抗器）、功率模塊、伺服電機等。

SIMOTION D425-2 DP/PN主要包括5個DRIVE-CLiQ接口X100～X105，用來連接支持此協議的設備，比如伺服電機編碼器。控制器自帶3組輸入/輸出接線端子——X122、X132和X142，可根據實際需求配置輸入和輸出的數量，其中X142帶有快速輸入/輸出點?？刂破鞑捎肈C24 V供電?？刂破鞯腦150網口相當于一個三孔交換機。控制器可以通過預留的槽擴展外加選項模塊?？刂破鱔126接口支持ProfiBUS通信，X136接口除了支持ProfiBUS通信外，還支持MPI通信。控制器自帶兩個USB接口——X125和X135，網口X130支持ProfiNET通信，X127網口一般用來調試設備?？刂破鞯撞孔詭Ю鋮s風扇。控制器接口介紹如圖3所示。

SIMOTION系統的編程軟件：SIMOTION系統編程使用的是西門子SCOUT，其編程界面如圖4所示。在SCOUT中添加控制系統，根據實際訂貨號選擇D425-2 DP/PN。ADDRESS LIST顯示系統的輸入及輸出點位對應的信息。GLOBAL DEVICE VARIABLES里是系統所建立的全局變量。AXES是各個軸的配置信息。PROGRAMS是SCOUT的編程語言，總共有3種：文本化語言ST、流程圖語言MCC和梯形圖LAD/FBD。通常情況下，ST語言可以方便地實現復雜的運動、邏輯和工藝控制功能，MCC編程語言可以方便地編寫運動控制程序，LAD語言可以方便地實現邏輯控制。SINAMICS_Integrated是對系統驅動的配置信息，其中對驅動的配置有在線和離線兩種方式。

2? ? 末端執行器控制

末端執行器包括主軸進給單元、電主軸單元、壓力腳單元（含法向測量、低溫微量潤滑、除屑等）和視覺模塊。圖5所示為末端執行器總體結構圖。

制孔末端執行器具有法向測量、視覺定位、高精度制孔、刀具冷卻潤滑、鋁屑收集等功能。

（1）壓緊：壓力腳的可靠壓緊是制孔質量的重要保證之一。壓力腳壓力根據制孔需要進行調節，其壓緊時的剛度會直接影響制孔質量。末端執行器采用數字式比例調壓閥根據控制系統要求調節壓力腳氣缸進氣口壓力，采用剛度較高的精密導軌保證壓力腳剛度。

（2）制孔及鉚接：末端執行器采用高精度fischer電主軸，其軸向和徑向跳動不超過2 μm。進給裝置采用高精度的滾珠絲桿和直線導軌組合，保證制孔精度。

（3）加工基準測量：末端執行器采用視覺檢測方案，提供高精度的加工基準測量數據。為了保證加工基準檢測效果，視覺檢測單元配有專用視覺系統光源。

（4）法向測量：末端執行器采用3個高精度的距離傳感器，測量得到的模擬量信號經過信號處理模塊傳送至SIMOTION系統，在SIMOTION系統中用ST語言編寫復雜的微平面法向矢量算法，經算法處理后，可得到執行機構機器人的位姿調整角度，再由機器人完成法向的調整。

3? ? 法向測量

法向測量模塊使用的傳感器是CD22-15 M12，共有3個。CD22-15的檢測距離是15 mm，檢測范圍是±5 mm，分辨率達到了1 μm，線性精度為±0.005 mm。

法向找正原理如圖6所示，從微觀幾何的角度分析，空間曲面Σ上任意一點M（x，y，z）附近的一個微小曲面△Σ（曲面邊界上各點與M的距離趨近于零），可近似處理為一個微平面△S。這樣，曲面Σ在點M（x，y，z）的法線方向可替代為△S的法線方向。

通過3個激光位移傳感器得到距離數據，通過SIMOTION內編寫的算法得到機器人的運行軌跡。因為機器人軌跡是圓弧，和機床的補償算法有所不同，機器人要繞一個虛擬的軸旋轉合適的角度。SIMOTION的文本化編程可以處理這樣復雜的數學計算，將激光位移傳感器得到的值代入公式，即可得到機器人坐標系下需要旋轉的角度，再把角度值通過ProfiNET傳送給機器人，即可完成法向的測量和調整。

4? ? 可視化手持單元

自動制孔系統的手持單元，是西門子的Mobile Panel 277，如圖7所示。傳統的手持單元只具備軸選和移動控制功能，無法實時得到軸的實際位置坐標，在前期手動確定某些位置參數的過程中非常不方便，需要多名操作人員協同完成。西門子的移動式操作面板不但具備普通手持單元的所有功能，而且加入了可視化界面與觸摸屏的操作。

Mobile Panel 277帶有1個使能按鈕、1個停止按鈕、1個手輪、1塊7.5寸64K彩色觸摸屏、18個功能鍵。移動面板通過PN轉接盒和SIMOTION系統通信，通信協議是ProfiNET。

5? ? 電氣總體方案設計

（1）采用德國西門子SIMOTION D425控制器，通過ProfiBUS連接西門子ADI4數模轉換器給安川伺服及主軸變頻器提供0～10 V模擬電壓;

（2）利用安川伺服驅動器的編碼器仿真接口實時反饋電機位置到ADI4數字輸入接口，形成位置環;

（3）通過SIMOTION ProfiBUS DP從站控制科爾摩根伺服及TOX伺服運行程序塊，實現上下鉚缸的運動，同時實現鉚力檢測及實時反饋。

電氣連接如圖8所示。

自動鉆鉚機數控系統選用SIMOTION-D系統，半閉環控制，4個模擬口分別驅動鉆主軸的旋轉（SP軸）、工作臺的移動（X軸）、鉆主軸橫向進給移動（Y軸）、鉆主軸的縱向進給移動（Z軸）、上鉚控制和下鉚控制，伺服系統選用了安川交流模擬驅動單元及交流主軸電機、科爾摩根電機、TOX電機，數控系統與伺服系統構成閉環控制結構，滿足了本自動鉆鉚機的加工精度要求。本機床的邏輯控制是利用SIMOTION自動編程器完成的。

6? ? PLC配置

STEP7硬件配置需在ProfiBUS DP從站配置ADI4，另外，還需要在ProfiBUS DP/MPI上配置TOX控制器以及在ProfiBUS IO上配置科爾摩根控制器。首先將TOX與科爾摩根自帶硬件所需的GSD文件導入到STEP7中并將其配置到DP從站，該從站可以自行分配輸入/輸出地址且不可與其他輸入/輸出模塊的地址沖突。具體配置過程如圖9所示。

7? ? 觸摸屏界面

通過西門子博圖軟件編寫觸摸屏界面，定義功能。將SIMOTION定義好的變量分配給觸摸屏定義的按鍵及對話框，如圖10所示。

8? ? 采用SIMOTION控制器實現的主要功能

8.1? ? 模擬伺服軸控制

通過SIMOTION將運動指令發送給ADI4，ADI4將其轉化為模擬電壓并輸出給安川伺服控制器，實現進給軸運動。

8.2? ? 主軸變頻器控制

通過SIMOTION將運動速度指令發送給ADI4，ADI4將其轉化為模擬電壓并輸出給歐瑞變頻器，實現主軸旋轉運動。

8.3? ? 上鉚及下鉚鉚接過程控制

SIMOTION與TOX及科爾摩根實現信號交換，SIMOTION發出運動指令，TOX及科爾摩根控制器用來實現鉚接過程。

8.4? ? 加工前的準備工作

鉚接工件時，操作者先手動用塞尺進行預對刀。選擇加工程序，在自動方式下按程序啟動按鈕，主軸旋轉，Y軸橫向移動到鉆孔位置，Z軸向下運動進行鉆孔。鉆孔完成后Z軸回退至安全位置。自動送釘，Y軸橫向移動到下鉚位置。上鉚到達壓鉚位置，下鉚執行工件壓鉚。

機床加工指令利用SIMOTION自動運動控制指令編寫，實現自動鉚接功能。操作界面采用西門子博圖軟件開發編寫觸摸屏界面，使加工編程更加方便，操作更加人性化。

9? ? 結語

SIMOTION運動控制系統在鉚接機中的應用，可以實現模擬伺服軸精確控制及定位，與TOX及科爾摩根之間信號傳輸精確，設備性能穩定。

[參考文獻]

[1] 王薇.深入淺出西門子運動控制器——SIMOTION實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2013.