基于开环装配的飞机发动机安装车控制系统设计与分析

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基于开环装配的飞机发动机安装车控制系统设计与分析

朱晓娇、程露、芦海涛、李廷旗

中航西安飞机工业集团股份有限公司,陕西西安，710089

【摘 要】针对飞机发动机快速精准装配的需要，本文设计了一套基于开环装配的飞机发动机安装车控制系统，采用西门子S7-1500、SINAMICS V90控制系统，设计了一种具有六个自由度任意调节及自适应功能的大型飞机发动机安装装置。控制系统包括了升降系统、气垫系统和调姿系统。对飞机发动机安装车控制系统的姿态调整算法、工作原理和电气控制系统进行描述。该系统实现了飞机发动机升降、调姿、及与飞机快速精准装配，提高了飞机发动机的制造效率及装配精度。

【关键词】开环装配；S7-1500；SINAMICS V90；六个自由度；自适应功能

1.概述

航空发动机是为飞机提供飞行动力的装置，根据航空发动机连接方式和自身特点等，航空发动机选用不同的安裝方法，航空发动机常见的安装方法，主要有吊装安装、托架安装和推进式安装三种安装方法【1】。随着飞机数字化装配技术的迅速发展，为保证飞机发动机的快速精准装配，我们设计了一种基于此选择设计制造使用了一种基于开环装配（气垫+调姿机构）的飞机发动机安装装置。

2.控制系统总体方案设计

2.1控制系统功能需求

飞机顶起状态和飞机落地状态下，需要在高度上行程1300mm，考虑到行程长，设计了升降系统实现在高度方向的精确控制；针对航空发动机存在体积大、结构复杂、安装间隙小等安装问题，设计了气垫与调姿系统结合，通过多角度自由旋转实现了产品的柔性对接。

考虑到执行机构元件布置及电缆连线的合理布局，减少连接线缆数量，本控制系统采用总线连接和控制方式。控制系统分四部分，分别为上位机、控制柜、执行机构和传感器。上位机实现人机交互功能，一方面通过上位机对安装车动作实现控制，另一方面实时显示安装车工作画面及工作状态。控制系统主要包括 PLC控制器、伺服驱动单元等。执行机构包括伺服电机、气垫系统控制单元等。其中伺服电机共8台，4台用于升降系统控制，4台用于调姿系统控制。

2.2控制系统组成

发动机安装车电气控制系统硬件由蓄S7-1500 CPU、I/O模块、SINAMICS V90驱动器、电机和气阀组模块等组成，这些电控元件分别安装在电控箱和安装车体上。电控系统部分硬件选型见表1。

表1 电控系统硬件选型

序号	电控元件	数量	型号
1	CPU	1	6ES7513-1AL10-0AB0
2	DI模块	3	6ES7521-1BH10-0AA0
3	DO模块	2	6ES7522-1BH10-0AA0
4	AI模块	2	6ES7531-7QD00-0AB0
5	AO模块	2	6ES7532-5NB00-0AB
6	系统电源	1	6ES7505-0RA00-0AB0
7	SITOP电源	1	6EP1334-3BA10-8AB0
8	TP900	1	6AV2124-0JC01-0AX0
9	控制单元	2	6SL3040-1MA01-0AA0
10	电机模块	4	6SL3120-2TE15-0AD0
11	接口模块	2	6SL3100-0BE21-6AB0
12	电机	8	6SL3130-7TE21-6AA4

2.3升降控制系统

升降机构主要是为气垫柔性控制系统及调姿对接系统提供良好支撑面，使气垫悬浮后各方向受力均匀，保证对接过程中的精确对接及安全可靠性。升降系统由4个升降电机及驱动器组成，平台的水平度主要由4个升降立柱的复合运动来进行调平，调整通过1500控制器与SINAMICS V90 伺服驱动器的结合、位置检测及反馈单元等组成系统完成调整控制。

升降系统由4个升降立柱高度方向同步升降实现，立柱运行采用主从同步控制方式，1#电机为主动轴，2#、3#、4#电机为随动轴，通过运动控制器发送到立柱主动轴的运动指令都将使从动轴始终保持同步运动，并且始终对主、从轴的位置偏差实时监控，当外力干扰导致主、从动轴位置偏差过大导致的突然停机时，可以通过工作人员来解除主、从动轴同步状态，通过手动模式消除报警位置偏差。立柱的同步控制主要指控制器发送给主轴的的运动控制指令能够驱动主、从动轴四个伺服电机保持运动同步，在运动过程中，对主、从动轴的位置偏差实时监控，并且将位置偏差通过 PID 同步运动补偿算法补偿给从动轴，通过从动轴实现不同步误差补偿，最终使主、从动轴的位置偏差保持在合理的范围内，实现较佳的同步运动。

2.4气垫柔性控制系统及调姿对接系统

气悬浮柔性系统为发动机硬性接触及对接提供浮动补偿、防止硬性对接对发动机或飞机造成损伤，更重要的为对接提供X、Y向及沿Z轴运动的3个自由度； 伺服运动控制器大幅简化电控系统结构、减少硬件线路连接、降低故障率，同时系统集成度高，响应时间更短、同步运行精度更高。 调姿对接系统通过采用1500控制器与SINAMICS V90 伺服驱动器的结合，实现X轴和Y轴的旋转和Z轴的小行程平移，为安装车提供了3个自由度。通过气垫柔性控制系统及调姿对接系统相结合，安装车满足六自由度空间调节，具有自适应功能，解决了发动机装配姿态调整、装配入位精度要求高的难题，实现发动机的快速柔性对接。

2.5上位机控制界面设计

根据控制系统的控制需求及维护运行需要，共设计有4个控制界面，包括电源、急停控制界面，调姿及升降控制界面，气垫调节控制界面，维护及调平界面。其中调姿及升降控制界面主要实现升降系统的在高度方向大范围的运行和X轴和Y轴的旋转和Z轴的小行程平移，气垫调节控制界面主要实现X轴和Y轴的微调平移和Z轴的旋转。

3.创新成果

创新性的采用大行程四个电动缸同步升降系统集成技术，实现了安装车在高度方向的大行程调节，解决了飞机顶起、落地状态安装发动机升降行程与安装高度协调困难的难题；

创造性的发明了一种新型安装车姿态调整算法；

创新性的采用了气垫+调姿机构形式的开环装配方式，设计了一种具有六个自由度任意调节及自适应功能的大型飞机发动机安装装置，建立了一套大型飞机开环装配控制系统，实现飞机发动机升降、调姿、及与飞机快速精准装配，提高了飞机发动机的装配效率及装配精度，为其他机型发动机装配提供技术和理论借鉴。

4.结束语

安装车装配控制系统采用同步轴工艺对象，SINAMICS V90驱动器控制模式，以S7-1500 控制器为核心，通过1500控制器与SINAMICS V90 伺服驱动器的结合，设计了一种基于此选择设计制造使用了一种基于开环装配（气垫+调姿机构）的飞机发动机安装装置，该装置实现了飞机发动机升降、调姿、及与飞机快速精准装配对接，且具有一定的通用性，适用于其他相似飞机发动机对接装配。该装置已投入使用，使用结果表明，能达到飞机发动机装配所需的各项功能、精度参数要求，能满足飞机发动机与飞机对接装配的生产任务需求。

参考文献

[1] 魏晓彪. 大型飞祈发动机安装方法及装备研究[D]. 硕士论文，浙江: 浙江大学机械工程学系,2014.

[2] 西门子（中国）有限公司数字化工厂集团． Simatic S7－1500 可编程控制器，2015．

[3] 西门子（中国）有限公司工业自动化集团．西门子 TIA 博 途软件．