張 攀，楊佳琦，劉思嘉，宋志軍，王自靜

（1.中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300；2.天津市天大精益科技有限公司，天津 300350）

近年來(lái)，我國(guó)民航業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，由民航大國(guó)向民航強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。隨著國(guó)內(nèi)航空公司投入運(yùn)行的飛機(jī)數(shù)量的增加，造成了飛機(jī)維護(hù)人員的相對(duì)短缺，因此急需采用智能化、自動(dòng)化程度高的設(shè)備來(lái)緩解人員緊張所帶來(lái)的一系列問(wèn)題[1-4]。以空客和波音為代表的世界頂尖航空裝備制造商早就已經(jīng)采用了基于數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的整機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)，大大提高了裝配的效率和精度[5-7]。隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919 和支線飛機(jī)ARJ21 的相繼研制成功，我國(guó)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)并與外國(guó)公司合作，已經(jīng)初步探索出了一個(gè)飛機(jī)自動(dòng)化裝配模式[8-9]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝是飛機(jī)裝配或維修的一項(xiàng)重要工作，但是由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)體積大、重量大、管路復(fù)雜，因此我國(guó)民航業(yè)目前仍然主要采用傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝方法[10]。根據(jù)其作業(yè)方式的不同，可以分為單點(diǎn)吊索式和舉升式兩種，無(wú)論其中哪種方式，都需要大量有經(jīng)驗(yàn)的人員協(xié)同操作，存在操作精度低、所需工時(shí)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)[7]。我國(guó)對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的自動(dòng)化技術(shù)的研究起步較晚，很多的研究成果還未能實(shí)際應(yīng)用到航空公司的實(shí)際生產(chǎn)中去，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)化安裝技術(shù)方面與西方發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，因此急需對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行研究，以縮短技術(shù)的差距[11]?；诖耍菊n題提出了基于STM32 單片機(jī)的具有較高自動(dòng)化程度的航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬安裝平臺(tái)，并制作出了該平臺(tái)的模型。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬安裝平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬安裝平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)由底盤(pán)小車(chē)、調(diào)姿機(jī)構(gòu)兩部分組成。

1）底盤(pán)小車(chē)采用無(wú)動(dòng)力設(shè)計(jì)。底盤(pán)小車(chē)的結(jié)構(gòu)框架為易于加工的標(biāo)準(zhǔn)鋁型材； 底盤(pán)小車(chē)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)為4 個(gè)機(jī)輪； 底盤(pán)小車(chē)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為其后部的2 個(gè)萬(wàn)向輪，既能夠?qū)崿F(xiàn)其靈活轉(zhuǎn)向，又能夠滿足其穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

2）調(diào)姿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到平臺(tái)的穩(wěn)定性以及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。調(diào)姿機(jī)構(gòu)的主要功能為調(diào)整航空發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)機(jī)艙下的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)安裝過(guò)程精準(zhǔn)入位。以小車(chē)底盤(pán)為基準(zhǔn)建立笛卡爾坐標(biāo)系，調(diào)姿機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)豎直方向 （沿Z 軸）運(yùn)動(dòng)、俯仰（繞X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)以及滾轉(zhuǎn) （繞Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)。

1.2 調(diào)姿運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)

底盤(pán)小車(chē)4 個(gè)角上的4 根鋁型材立柱結(jié)合絲杠，采用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)。由于采用了4 個(gè)獨(dú)立的電機(jī)，故能夠通過(guò)對(duì)其中的一個(gè)或者多個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)上升、下降、滾轉(zhuǎn)以及俯仰運(yùn)動(dòng)。Z 軸方向的運(yùn)動(dòng)靠1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)。由1 號(hào)、2 號(hào)電機(jī)作為一組，3 號(hào)、4 號(hào)電機(jī)作為另一組進(jìn)行差速驅(qū)動(dòng)或者反方向驅(qū)動(dòng)，則可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的上升、下降滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或者等高度滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由2 號(hào)、3 號(hào)電機(jī)作為一組，1 號(hào)、4 號(hào)電機(jī)作為另一組進(jìn)行差速驅(qū)動(dòng)或者反方向驅(qū)動(dòng)，則可實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。

2 平臺(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要包括STM32 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)3 個(gè)部分。

1）STM32 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)。由供電電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、調(diào)試接口電路、BOOT 啟動(dòng)電路5 個(gè)部分組成。

2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖電流可以由微控制器來(lái)產(chǎn)生，但由于微控制器的電壓、電流都較小，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)12 V 的步進(jìn)電機(jī)，因此需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，選擇DRV8825 芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，將電流放大用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

3）電源電路設(shè)計(jì)。由于單片機(jī)電路采用5 V電壓，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用12 V 電壓，因此在電源方面需要兩套電壓供電。對(duì)于12 V 電壓，采取變壓器供電的方式，將220 V 電壓整流后提供給步進(jìn)電機(jī)。對(duì)于單片機(jī)，采用將變壓后的12 V 電壓通過(guò)7805 芯片進(jìn)一步降壓為5 V 后使用。

2.2 程序設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)程序流程圖

首先，進(jìn)行單片機(jī)的初始化，對(duì)各功能函數(shù)進(jìn)行初始化； 其次，開(kāi)始采集陀螺儀數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，看是否需要姿態(tài)初始化； 再次，姿態(tài)初始化后，更新陀螺儀數(shù)據(jù)，進(jìn)入循環(huán)模式，在該模式下等待按鍵命令； 最后，根據(jù)輸入的按鍵命令輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波，完成姿態(tài)的手動(dòng)調(diào)整控制。系統(tǒng)程序流程見(jiàn)圖1。

2.2.2 電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

電機(jī)控制程序主要分為兩部分： 一部分為與MPU6050 陀螺儀結(jié)合的姿態(tài)初始化算法，用于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的姿態(tài)初始化； 另一部分為PWM 波輸出和方向調(diào)節(jié)，與按鍵掃描程序結(jié)合實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的手動(dòng)調(diào)整控制。

圖1 系統(tǒng)程序流程圖

2.2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

首先，在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后進(jìn)行各子函數(shù)初始化； 其次，陀螺儀函數(shù)開(kāi)始運(yùn)行，將得到的角度數(shù)據(jù)與初始化數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比；再次，進(jìn)行姿態(tài)解算； 最后，得到每個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要的工作脈沖數(shù)。其工作脈沖數(shù)的計(jì)算公式方程組為

式中：Mz為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)電機(jī)首先需要的工作脈沖數(shù)； i為電機(jī)減速比；θgyroz為陀螺儀探測(cè)到的角度；θgyroz0為規(guī)定的初始角度；dPB為滾軸絲杠螺距；Mj為第j個(gè)電機(jī)需要的工作脈沖數(shù)；αangle為姿態(tài)解算后得到的角度；αangle0為初始角度。

2.2.4 姿態(tài)手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

姿態(tài)初始化完成之后，系統(tǒng)進(jìn)入姿態(tài)手動(dòng)控制狀態(tài)，此時(shí)主要通過(guò)按鍵控制4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)。主控電路上一共設(shè)計(jì)了6 個(gè)按鍵，其中PE0 負(fù)責(zé)Z 軸的上升運(yùn)動(dòng)，PE1 負(fù)責(zé)Z 軸下降運(yùn)動(dòng)，當(dāng)掃描到這2 個(gè)按鍵中的一個(gè)按下時(shí)，1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)電機(jī)同時(shí)同向運(yùn)動(dòng)。繞各軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要切換到旋轉(zhuǎn)模式才能實(shí)現(xiàn)。

3 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 陀螺儀數(shù)據(jù)的讀取測(cè)試

系統(tǒng)采用mpu6050 陀螺儀模塊來(lái)測(cè)量姿態(tài)，采用模塊自帶的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 （Digital Motion Processor，DMP）進(jìn)行姿態(tài)解算，并將其結(jié)果在顯示屏上顯示。

測(cè)試時(shí)，首先將陀螺儀X 軸與量角器90°處重合，此時(shí)屏幕顯示角度為0．003°。其次將角度偏離10°～110°，屏幕顯示角度為10．834°。陀螺儀測(cè)試見(jiàn)圖2。

圖2 陀螺儀測(cè)試示意圖

采用同樣的方法，進(jìn)行了另外兩組實(shí)驗(yàn)，得到的陀螺儀誤差測(cè)試結(jié)果（見(jiàn)表1）。由表1 可知陀螺儀的精度在1°以內(nèi)，考慮到實(shí)際應(yīng)用情況與傳感器誤差和視覺(jué)誤差，陀螺儀的精度可以接受。

表1 陀螺儀誤差測(cè)試結(jié)果 （°）

3.2 平臺(tái)測(cè)試

搭建航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬調(diào)姿控制平臺(tái)的實(shí)物模型，待設(shè)備上電后自動(dòng)完成初始化程序，然后以姿態(tài)初始化為例進(jìn)行調(diào)姿實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 調(diào)姿實(shí)驗(yàn)示意圖

由圖3 可看出，通過(guò)姿態(tài)初始化和手動(dòng)控制電機(jī)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬調(diào)姿控制平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)所需調(diào)姿運(yùn)動(dòng)。調(diào)姿方法操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于STM32 單片機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬調(diào)姿控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)了該平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)，并制作了模型樣機(jī)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，基于STM32 單片機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬調(diào)姿控制平臺(tái)樣機(jī)可以完成調(diào)姿功能，且調(diào)姿方法簡(jiǎn)單、可靠，可見(jiàn)其硬件和軟件設(shè)計(jì)是合理的。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化、自動(dòng)化安裝是大勢(shì)所趨，該模型可為民航機(jī)務(wù)維修專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)。同時(shí)，STM32 單片機(jī)軟件程序用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，可以很方便地移植到航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物的安裝平臺(tái)32 位微處理器系統(tǒng)。該平臺(tái)方案硬件簡(jiǎn)潔易實(shí)現(xiàn)，軟件實(shí)現(xiàn)難度小，為后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝平臺(tái)的進(jìn)一步研發(fā)提供了參考。