基于WinCC的飛機大部件自動對接系統(tǒng)開發(fā)

王 平，姬煜琦，董正建

(上海飛機制造有限公司，上海 201324)

飛機制造水平是衡量一個國家制造業(yè)發(fā)達與否的一個標桿[1]，要保證飛機具有較高的裝配制造精度，除了要保證零件的制造精度、單個部件的裝配精度，更需要保證部件與部件之間對接精度。而進行部件與部件對接時往往存在對接部件尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜等問題，對部件姿態(tài)快速精準的調(diào)整是一個研究的熱點話題[2-3]，我國航空工業(yè)已經(jīng)迎來新的發(fā)展時期，現(xiàn)代民機大部件對接技術(shù)已朝著全面采用數(shù)字化自動對接的方向發(fā)展，飛機大部件自動對接技術(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)代飛機制造的必備技術(shù)。

1 飛機大部件自動對接概述

80年代末，先進聯(lián)合技術(shù)公司(AIT)與飛機制造公司一同開始設計大部件對接自動化平臺。該系統(tǒng)的主要特點是：1)依靠自動化定位控制系統(tǒng)，同時協(xié)調(diào)多個機械傳動裝置的運動，以預定的方式準確平穩(wěn)地操縱飛機部件；2)使用激光測量子系統(tǒng)來確定部件位置并控制飛機幾何形狀。AIT公司的自動化定位與校準系統(tǒng)由機械傳動裝置、控制系統(tǒng)及激光測量組件組成，機械傳動裝置用來支撐飛機分裝配件在X、Y方向的直線移動，以及Z向俯仰，實際上每個機械傳動裝置是三軸機床，通過帶有旋轉(zhuǎn)分解器反饋的伺服電動機來完成精確運動。飛機大部件自動對接示意圖如圖1所示。

圖1 飛機大部件自動對接示意圖

同時，國內(nèi)一些高校及企業(yè)也逐步進行了大部件對接技術(shù)的研究，并逐漸將該項技術(shù)應用到飛機裝配制造中。張洪雙等[4]研究了大部件調(diào)姿的數(shù)控定位器布局，并對調(diào)姿行程進行了優(yōu)化分析。羅中海等[5]研究了飛機大部件調(diào)姿平臺力位混合控制系統(tǒng)，對研究壓力傳感器對數(shù)控調(diào)姿參數(shù)的優(yōu)化修正起到了一個引導作用。雷沛等[6]研究了3PS數(shù)控定位器球鉸點中心位置的標定方法，探知了球角對調(diào)姿精度的影響，并基于sinurmeric系統(tǒng)實現(xiàn)了運動控制。郭志敏等[7]研究并設計了一種精密三坐標POGO調(diào)姿柱，該種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)單點三自由度的調(diào)節(jié)。張楊等[8]研究了SIMOTION在數(shù)字化對接系統(tǒng)中的多軸同步控制應用，對研究自動化對接系統(tǒng)提供了一種思路。

本文在對國內(nèi)外飛機大部件自動對接系統(tǒng)進行對比研究的基礎上，結(jié)合實際飛機大部件自動對接工藝，選取WinCC平臺作為上位開發(fā)平臺，選取SIMOTION設備作為下位運動控制設備，基于SA進行自主開發(fā)測量系統(tǒng)，搭建了一套具備自主知識產(chǎn)權(quán)的大部件自動對接平臺。

2 WinCC軟件介紹

SIMATIC WinCC(以下簡稱WinCC)是西門子最經(jīng)典的過程監(jiān)視系統(tǒng)，業(yè)已成為市場的領(lǐng)導者，乃至業(yè)界遵循的標準，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)自動化和過程自動化于一體，具有良好的開放性和靈活性，其基本功能如圖2所示。

圖2 WinCC基本功能

3 飛機大部件自動對接平臺架構(gòu)

飛機大部件自動對接系統(tǒng)主要包括3個部分：定位器系統(tǒng)、自動測量系統(tǒng)和綜合控制系統(tǒng)。

3.1 定位器系統(tǒng)

飛機大部件采用4個定位器進行支承和定位(見圖3)。適用于機身等筒型類部件，通過定位器接頭與飛機大部件的工藝接頭配合能對其實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的支持，并實現(xiàn)全自由度無冗余的位置姿態(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動的SIMOTION設備運動控制系統(tǒng)作為底層運動控制平臺，電動機驅(qū)動軸為西門子伺服電動機，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 自動測量系統(tǒng)

數(shù)字化測量是實現(xiàn)飛機總裝配數(shù)字化、自動化、柔性化和集成化的基礎。數(shù)字化測量條件下的飛機全機自動對接裝配、水平測量與校準，需要測量布設于飛機部件或其工裝之上的測量點的全局坐標來獲得裝配對象當前狀態(tài)。為此，通過采用激光跟蹤儀、iGPS及激光雷達等數(shù)字化測量設備(見圖5)，建立數(shù)字化高精度測量場，才能獲得飛機部件在全局坐標系下的準確狀態(tài)。

圖5 激光跟蹤儀和靶球

3.3 綜合控制系統(tǒng)

基于WinCC的自動對接平臺，能很好地實現(xiàn)上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)的集成，底層的控制程序項目可以方便地集成在WinCC項目中，通過內(nèi)部通信協(xié)議進行通信。同時WinCC具有友好的HMI界面編輯功能，支持多種腳本語言。基于WinCC開發(fā)的自動對接平臺綜合控制系統(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與下位機控制系統(tǒng)通信

WinCC與下位機控制系統(tǒng)的通信通過內(nèi)部協(xié)議來實現(xiàn)，主要包括上位機系統(tǒng)對下位機控制系統(tǒng)變量的讀寫。WinCC可建立通道，在下位機控制系統(tǒng)中導出相應的變量，使用導入工具導入到WinCC中。在WinCC的圖形管理器中即可組態(tài)相應的控件實現(xiàn)對下位機控制系統(tǒng)變量的讀寫，實現(xiàn)了基本的SCADA功能。

WinCC通過與下位機控制系統(tǒng)的通信，可以獲取軸的當前位置反饋和力傳感器參數(shù)，為自動調(diào)姿提供參考，同時，WinCC通過對下位機運動控制程序中的變量讀寫，可實現(xiàn)軸的運動控制，包括軸的運動方向和運動量。

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)庫對測量數(shù)據(jù)進行存儲。在WinCC中編寫相應的腳本實現(xiàn)WinCC對數(shù)據(jù)的讀寫操作。

跟蹤儀的測量工作由基于SA的二次開發(fā)程序來實現(xiàn)，在SA中編寫不同功能的子程序，WinCC中可以根據(jù)不同測量需要調(diào)用相應的子程序。通過編寫子程序可以實現(xiàn)SA軟件中的絕大部分功能，包括跟蹤儀連接和斷開、回鳥巢、測量和數(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

基于WinCC的飛機大部件自動對接平臺集自動化和過程控制于一體，實現(xiàn)了飛機大部件自動測量和自動調(diào)姿的統(tǒng)一，攻克了多軸同步運動控制、自動化測量、跨平臺實時通信、大部件調(diào)姿算法及路徑規(guī)劃等多項核心關(guān)鍵技術(shù)，形成了飛機大部件自動對接工藝裝備自主研制能力，提升了我國民用飛機裝備研制水平，為后續(xù)的多型號、多工位的推廣應用打下了堅實的基礎。