胡迪鋒 周向陽 苗蓬勃 劉瑛

摘 要 針對飛機起落架艙的制孔工藝，提高制孔質量與效率，設計了一種面向飛機起落架艙的自動化制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)的機械執(zhí)行機構由伺服電機、絲桿螺母機構、滾珠導軌來實現(xiàn)的。由PLC控制器作為系統(tǒng)的中央控制中心，協(xié)調控制各機構的運動。為了提高控制性能，采用分數(shù)階PID控制。分數(shù)階PID控制器較傳統(tǒng)的PID控制多引入了2個參數(shù)，進而可以大大提高控制系統(tǒng)系統(tǒng)的魯棒性。因為分數(shù)階PID控制器的控制性能取決于參數(shù)的選擇，所以利用粒子群算法以獲得較佳的參數(shù)設置。

關鍵詞 起落架艙;制孔系統(tǒng);分數(shù)階PID控制;粒子群算法

Design of Drilling Systems for the Wheel Well of Aircraft

Hu Difeng? ?Zhou Xiangyang? ?Miao Pengbo? ?Liu Ying

Hangzhou Vocational and Technical College， Hangzhou， 310018

Abstract In order to improve the drilling quality and efficiency of the wheel well of aircraft， an automatic drilling system is designed. Its mechanical actuator is made of servo motor， feed screw and ball guide rail. PLC controller is used as the controlling center， which coordinates and controls the movement of all units. In order for better controlling performance， a fractional order PID controller is adopted. Compared with the traditional PID controller， two more parameters are introduced into the fractional order controller， so the controlling of the fractional order controller is much more robust. Since its controlling performance is dependent on its parameters， PSO is used to search for the better parameter combination.

Keywords Wheel well; Drilling system; Fractional order PID; Particle swarm optimization

引言

飛機零部件的裝配主要依靠鉚接來實現(xiàn)。鉚接質量直接影響飛機的整體性能，如抗疲勞性能、可靠性等。為了獲得較高的鉚接可靠性，必須要確保制孔的質量。因此精確制孔對于現(xiàn)代大飛機的制造和裝配具有至關重要的作用。過去常采用人工方式進行制孔加工。而人工制孔受操作員的經(jīng)驗與身體狀態(tài)的影響存在精度不高、效率低、穩(wěn)定性差等不足。為了滿足我國航空航天產品安全批產的迫切需求，解決手工制孔效率低、一致性差等問題，引入自動化制孔裝備已經(jīng)成為提高裝配質量及飛機壽命的一個重要途徑[1]。為此，國內對應用于飛機制造裝配領域的自動化制孔設備展開了相應的研究。李芳昕等設計開發(fā)了基于Twincat的移動機器人制孔系統(tǒng)，可通過交互控制實現(xiàn)多工位切換，從而提高設備的自動化以及制孔效率[2]。冰峰等針對機翼蒙皮自動制孔研制了一套基于PMAC的柔性導軌制孔設備控制系統(tǒng)， 實現(xiàn)群孔加工[3]。張云志等以C919翼盒裝配自動制孔為目標，介紹了一種翼盒機器人制孔系統(tǒng)和便攜式螺旋軌跡制孔裝置[4-5]。朱前成等提出了一種基于雙目視覺定位的機器人自動制孔方法，實現(xiàn)制孔對象在機器人自動制孔工位快速自動流轉的同時保證制孔精度，從而解決了傳統(tǒng)機器人自動制孔系統(tǒng)在自動化生產線中適應性的問題[6]。

雖然國內對此已有不少的研究，但基本上都是面向大型國有企業(yè)的。當前國內民營航空制造企業(yè)，例如浙江西子航空工業(yè)有限公司，還是以人工制孔為主。因此研制面向民營航空制造企業(yè)的低成本的自動化制孔系統(tǒng)對未來我國航空制造業(yè)的發(fā)展具有長遠的實際和戰(zhàn)略意義。

本文以飛機起落架艙的自動制孔加工為目標，和浙江西子航空工業(yè)有限公司聯(lián)合研制了一種基于分數(shù)階PID控制的自動制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)制造成本低于機械臂制孔系統(tǒng)。無須專業(yè)軌道，可直接安裝在已有的夾具上，所以安裝簡單方便。此外，因多鉆頭同時工作，制孔效率高于機械臂制孔系統(tǒng)和軌道式制孔系統(tǒng)。

1起落架艙組件的制孔工藝

起落架艙是飛機上的一個重要部件，由前壁板組件、后壁板組件、左壁板組件、右壁板組件以及上壁板組件等組成。以下以左壁板組件為例分析其制孔工藝。左壁板組件由左壁板、縱梁、橫梁和T型件等組成。左壁板組件結構如圖1所示。左壁板組件的鉆孔工藝描述如圖2：

2飛機起落架艙組件制孔系統(tǒng)設計

飛機起落架艙組件制孔系統(tǒng)主要由機械執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。

2.1 機械執(zhí)行系統(tǒng)設計

機械執(zhí)行系統(tǒng)主要由制孔執(zhí)行單元、伺服運動單元，以及一些輔助設備組成。制孔執(zhí)行單元具備壓緊工件、高效鉆孔等功能;伺服運動單元實現(xiàn)快速精確的定位和進給。機械執(zhí)行系統(tǒng)的硬件組成和3D造型分別如圖3和4所示。

在制孔執(zhí)行單元中，鉆削制孔功能主要由一部最高轉速可達24000r/min的電主軸完成，該轉速可以滿足飛機制孔中大多數(shù)場合的需要。每個伺服運動單元具有X、Y、Z軸3個方向的自由度，共使用了3臺伺服電機提供動力。高精度的伺服運動單元，為定位精度以及重復定位精度的提高，提供了一個重要的必要條件。運動的導向通過絲桿螺母機構和滾珠導軌機構實現(xiàn)。輔助設備主要負責支持整套設備功能的實現(xiàn)，提高設備的加工精度。如支撐固定單元作為整個系統(tǒng)的平臺為系統(tǒng)穩(wěn)定工作提供保障，光柵位移傳感器提供鉆頭的位置信息等。

2.2 控制系統(tǒng)設計

整個系統(tǒng)的控制中心是PLC。PLC控制器可以發(fā)出各類指令命令，協(xié)調控制橫向運動組件、縱向運動組件和鉆孔運動組件，實現(xiàn)各種操作，如運動鉆頭到指定位置、鉆頭進退、鉆頭啟停等。PLC控制器與各組件之間的通訊通過I/O端口實現(xiàn)，具備數(shù)字量與模擬量的輸入輸出能力。PLC控制器通過調節(jié)0-10V模擬量自動改變伺服電機的鉆速，進而實現(xiàn)鉆頭主軸的調速。伺服電機由伺服驅動器直接控制，PLC控制器可以通過發(fā)送±10V的模擬量信號來控制伺服驅動器。利用伺服電機內部的編碼器反饋，每個伺服運動都可以實現(xiàn)半閉環(huán)控制?；蚶霉鈻盼灰苽鞲衅鞣答?，這樣每個伺服運動可以實現(xiàn)全閉環(huán)控制，可以進一步提高運動精度。

制孔工藝過程為：首先設定鉆速和啟動鉆頭旋轉;然后控制運動單元使鉆頭運動到制孔位置;最后控制鉆頭進行鉆孔。

3關鍵技術應用

3.1 分數(shù)階PID控制

為了實現(xiàn)高精度的控制，本文采用分數(shù)階PID控制。因為加工環(huán)境的不定性，會導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠。而分數(shù)階PID控制器比傳統(tǒng)PID控制多兩個參數(shù)，即積分階次λ和微分階次μ。因此，其控制效果和魯棒性均有了很大提高。

3.2 粒子群算法

分數(shù)階PID控制的性能取決于其參數(shù)的選擇。常規(guī)的試錯法往往不能獲得較佳的參數(shù)設置。因此本文選擇利用粒子群優(yōu)化算法對分數(shù)階PID控制的五個參數(shù)進行整定優(yōu)化以實現(xiàn)最佳的控制性能。粒子群算法是一種隨機搜索方法，因其實現(xiàn)容易、精度高、收斂快，所以利用粒子群算法可以很快地獲得較佳的參數(shù)組合。

4結束語

通過分析飛機起落架艙組件的制孔工藝，本文設計一種面向飛機起落架艙的自動化制孔系統(tǒng)。為實現(xiàn)其功能，從機械結構和電氣控制兩方面對制孔系統(tǒng)進行設計。機械執(zhí)行系統(tǒng)主要由制孔執(zhí)行單元、伺服運動單元以及輔助設備組成。伺服運動單元由伺服電機、滾動導軌和絲桿螺母機構組成，這樣利于實現(xiàn)自動化控制以及高精度的運動。為了提高控制系統(tǒng)對鉆頭定位的控制性能，本文采用基于粒子群算法的分數(shù)階PID控制器。分數(shù)階PID控制器的參數(shù)選擇范圍大于傳統(tǒng)的PID控制器，且具有更好的魯棒性。利用粒子群算法對分數(shù)階PID控制器的參數(shù)進行整定，可以獲得更好的參數(shù)組合。

參考文獻

[1] 薛宏，羅群，劉博鋒，等. 大飛機活動翼面機器人自動制孔應用研究[J]. 航空制造技術，2019，62（19）：86-91.

[2] 李芳昕，李超，梁世盛，等. 基于Twincat的移動機器人制孔系統(tǒng)[J]. 制造技術與機床，2017，（3）：34-38.

[3] 冰峰，胡永祥，姚振強. 基于PMAC的柔性導軌制孔設備控制系統(tǒng)研制[J]. 航空制造技術，2013，（5）：71-76.

[4] 張云志，蔣倩. 大飛機翼盒機器人制孔系統(tǒng)集成技術研究[J]. 航空制造技術，2018，61（7）：16-23.

[5] 張云志，劉華東，劉建東，等. 便攜式螺旋軌跡制孔裝置的研制[J]. 航空制造技術，2018，61（13）：47-53.

[6] 朱前成，賽音，熊珍琦，等. 基于雙目視覺定位的機器人自動制孔系統(tǒng)研究[J]. 航空制造技術，2019，（3）：37-41.

作者簡介

周向陽（1970-），男，浙江杭州;畢業(yè)院校：杭州電子科技大學，專業(yè)：機械設計與制造，學歷：本科，高工，現(xiàn)就職單位：杭州職業(yè)技術學院，研究方向：機械設計與制造，自動化控制。

胡迪鋒（1984-），男，浙江慈溪;畢業(yè)院校：香港理工大學，專業(yè)：機械工程，學歷：碩士研究生，現(xiàn)就職單位：杭州職業(yè)技術學院，研究方向：優(yōu)化控制及算法，機電產品設計。