□ 程 燕 □ 李樹軍 □ 秦現(xiàn)生 □ 楊根君 □ 吳軍豪 □ 范 斌

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

大部件調(diào)姿平臺(tái)的開發(fā)與設(shè)計(jì)

□ 程 燕 □ 李樹軍 □ 秦現(xiàn)生 □ 楊根君 □ 吳軍豪 □ 范 斌

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

設(shè)計(jì)了一種用于飛機(jī)大部段工件調(diào)姿的數(shù)字化調(diào)姿平臺(tái)，介紹了調(diào)姿平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)并提出一種基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了數(shù)控系統(tǒng)的前端搭建結(jié)構(gòu)及其控制方式，并通過(guò)激光跟蹤儀、干涉儀檢測(cè)整個(gè)平臺(tái)經(jīng)補(bǔ)償后的運(yùn)動(dòng)精度和調(diào)姿效果，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性。

數(shù)字化調(diào)姿 機(jī)械結(jié)構(gòu) PMAC 數(shù)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的飛機(jī)大部件對(duì)接主要靠工裝、標(biāo)準(zhǔn)模版、樣件、量規(guī)和工藝補(bǔ)償來(lái)保證大部件之間的協(xié)調(diào)［1］，這種工作方法制造周期長(zhǎng)、裝配環(huán)節(jié)多、工藝技術(shù)復(fù)雜，其可變性、可重構(gòu)性差，已不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)裝配的效能要求［2］。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)計(jì)一種用于飛機(jī)大部件自動(dòng)對(duì)接的數(shù)字化調(diào)姿平臺(tái)是發(fā)展我國(guó)飛機(jī)制造業(yè)的迫切需求。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于大部件形狀偏向扁平化，其厚度小、長(zhǎng)度大，扭轉(zhuǎn)剛度差，在調(diào)姿定位時(shí)，為保證其剛度，在部件的4個(gè)支撐角處設(shè)置2組4個(gè)立式自動(dòng)定位器，實(shí)現(xiàn)部件的自動(dòng)調(diào)姿。定位器與部件之間通過(guò)工藝平板連接，工藝平板通過(guò)對(duì)接孔與部件連接，如圖1所示。

立式自動(dòng)定位器可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)均以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠帶動(dòng)負(fù)載沿滾動(dòng)導(dǎo)軌作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，每組Y方向共用一套導(dǎo)軌來(lái)保證定位器之間相對(duì)位置的精度，其結(jié)構(gòu)組成及各坐標(biāo)行程如圖2所示。

定位器最上端設(shè)計(jì)了鎖緊結(jié)構(gòu)，保證部件調(diào)姿定位工作完成后，能可靠穩(wěn)定地保持正確的姿態(tài)，鎖緊機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，帶動(dòng)滑塊鎖緊，鎖緊機(jī)構(gòu)如圖3所示。為便于部件入位、調(diào)姿過(guò)程中力的檢測(cè)，定位器Z向安裝有三維力傳感器，傳感器上側(cè)有標(biāo)準(zhǔn)工藝球頭以鉸鏈形式與工藝平板相連。

▲圖2 端肋處自動(dòng)定位器

▲圖1 部件端肋調(diào)姿定位部分

▲圖3 鎖緊機(jī)構(gòu)

在大部件自動(dòng)調(diào)姿定位過(guò)程中，由于部件跨度較大，為防止在裝配過(guò)程中部件發(fā)生形變，同時(shí)考慮滿足銑削、制孔時(shí)產(chǎn)品的剛度要求，在部件的下接觸面各設(shè)置幾組部件姿態(tài)輔助調(diào)整工裝（托架），使被調(diào)姿部件具有正確的姿態(tài)和足夠的剛度，如圖4所示。

輔助調(diào)整工裝（托架）具有X、Y、Z、A 4個(gè)坐標(biāo)的

運(yùn)動(dòng)，X、Y軸分別采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠副帶動(dòng)負(fù)載沿高精度導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)動(dòng)精度。因部件跨度較大，Z、A方向設(shè)計(jì)了兩套調(diào)整裝置，采用帶制動(dòng)器的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲杠拖動(dòng)導(dǎo)向柱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)部件姿態(tài)滿足要求后，托架的驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)抱閘，托架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

▲圖4 部件姿態(tài)輔助調(diào)整部分

▲圖5 輔助調(diào)整托架

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了控制大部件的快速精確定位，實(shí)時(shí)反映當(dāng)前整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證運(yùn)行安全，提供靈活方便的操作，大部件調(diào)姿平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。

▲圖6 數(shù)控系統(tǒng)總體方案

大部件調(diào)姿平臺(tái)控制系統(tǒng)主要分為3個(gè)層面、2個(gè)部分，中央控制層實(shí)現(xiàn)離線編程功能，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制功能，完成對(duì)執(zhí)行層的運(yùn)動(dòng)控制，執(zhí)行層實(shí)時(shí)向控制層反饋運(yùn)動(dòng)位置及外部受力等信息，進(jìn)而完成精確的位姿調(diào)整。

定位器部分采用2套8軸PMAC（Programmable Multi-axis Controller）可編程多軸控制器，分別控制4個(gè)定位器的16個(gè)電機(jī)，在大部件姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中，安裝在每個(gè)定位器上的三維力傳感器不斷將當(dāng)前的受力狀態(tài)傳遞給控制器，控制器實(shí)時(shí)對(duì)各個(gè)力傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，得到當(dāng)前各個(gè)對(duì)接球頭對(duì)大部件的支撐力是否合適的結(jié)論，在不合適的情況下，PMAC運(yùn)

動(dòng)控制器在執(zhí)行中央控制器相應(yīng)算法時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)地計(jì)算各個(gè)定位器的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，PMAC根據(jù)該運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)到指定位置，保證在姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中定位器部分受力是合適的。

托架部分采用1套12軸的PMAC運(yùn)動(dòng)控制器，分別控制3組輔助調(diào)整托架的12個(gè)電機(jī)，在大部件姿態(tài)調(diào)整過(guò)程中，中央控制器根據(jù)定位器的位置反饋信息，通過(guò)調(diào)姿算法實(shí)時(shí)分析各個(gè)托架的當(dāng)前理論位置，并計(jì)算托架各電機(jī)的移動(dòng)數(shù)據(jù)，PMAC根據(jù)該移動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置。

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵硬件選型

四大部件調(diào)姿平臺(tái)執(zhí)行單元要求數(shù)控系統(tǒng)必須同時(shí)控制多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的精密聯(lián)動(dòng)和定位，故而運(yùn)動(dòng)控制器必須具有以下特點(diǎn)：①比較高的伺服控制精度；②軟件接口具有極強(qiáng)的開放性；③種類足夠多且易于擴(kuò)展的接口模塊；④具有足夠的數(shù)字量I/O模塊和PLC（Programmable Logic Controller）邏輯運(yùn)算能力?？紤]到價(jià)格和功能等多種因素，選用PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器是一項(xiàng)較為合理的選擇，如圖7所示。

伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件的電機(jī)種類很多，在高精度場(chǎng)合運(yùn)用的主要是步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)［3］。合理地選擇伺服執(zhí)行單元對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性有較大的影響，考慮到調(diào)姿定位平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)、技術(shù)要求和經(jīng)濟(jì)性，本平臺(tái)伺服裝置全部選用安川系列。所選伺服電機(jī)型號(hào)［4］：X、Y方向電機(jī)不具備制動(dòng)功能，選用伺服型號(hào)為SGMGV-09A3A2C（電機(jī)）+ SGDV-7R6A01A（驅(qū)動(dòng)器）；豎直方向及鎖緊電機(jī)選用帶抱閘功能的伺服裝置：SGMGV-09A3C6C（電機(jī)）+ SGDV-7R6A01A（驅(qū)動(dòng)器）。

▲圖7 Turbo PMAC2 Clipper集成控制器

表1 測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)誤差/mm

4 系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證

根據(jù)大部件工藝要求，調(diào)姿定位器及托架運(yùn)動(dòng)軸定位精度及重復(fù)定位精度分別為：0.05 mm、0.015 mm。大部件6個(gè)調(diào)姿測(cè)量點(diǎn)理論坐標(biāo)誤差應(yīng)控制在2 mm以內(nèi)，筆者欲通過(guò)測(cè)量該調(diào)姿平臺(tái)的各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)精度以及大部件調(diào)姿測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)，驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

驗(yàn)證過(guò)程如下。

（1）測(cè)試地點(diǎn)：某鈑金制造廠。

（2）測(cè)試時(shí)間：2014年8月17日。

（3）測(cè)試設(shè)備：ML10激光干涉儀、AT901激光跟蹤儀；測(cè)量環(huán)境溫度：23℃。

（4）測(cè)試結(jié)果：各軸運(yùn)動(dòng)定位精度在0.012～0.043 mm之間，重復(fù)定位精度在0.002～0.013 mm之間，均滿足工藝要求；大部件調(diào)姿完成后，6個(gè)測(cè)量點(diǎn)空間坐標(biāo)的誤差值均在允許范圍內(nèi)，測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)誤差見(jiàn)表1。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)大部件調(diào)姿平臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，闡述相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制原理，并通過(guò)檢測(cè)調(diào)姿平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度及大部件調(diào)姿結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。通過(guò)理論分析、設(shè)計(jì)計(jì)算、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該數(shù)控調(diào)姿平臺(tái)能夠滿足大部件調(diào)姿的工藝要求和性能指標(biāo)。

［1］ 范玉青.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［2］ 鄒冀華，劉志存，范玉青.大型飛機(jī)部件數(shù)字化對(duì)接裝配技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2007（7）：1367-1373.

［3］ 金鈺，胡佑德，李向春.伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2000.

［4］ 株式會(huì)社安川電機(jī).安川電機(jī)AC伺服驅(qū)動(dòng)器&運(yùn)動(dòng)控制器［Z］.2010.

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TH122；TP23

A

1000-4998（2015）08-0042-03

2015年1月