秦俊 周強(qiáng)

摘要：設(shè)計(jì)了一種用于直升機(jī)主槳葉自動(dòng)噴漆配平的設(shè)備，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，主要包含主控制器系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)、噴漆伺服系統(tǒng)、測(cè)量傳感系統(tǒng)、調(diào)配噴漆系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)、設(shè)備安裝平臺(tái)等模塊，通過(guò)這種設(shè)備，可將傳統(tǒng)槳葉噴漆流程中的噴漆和精確配平兩個(gè)獨(dú)立的作業(yè)流程合并。另外，根據(jù)直升機(jī)旋翼主槳葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模塊化的槳葉噴漆夾持結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化噴漆配平。該設(shè)備能夠大幅降低槳葉噴漆和配平的生產(chǎn)成本，尤其是大批量生產(chǎn)時(shí)，其降本增效的效果尤為突出，預(yù)計(jì)可降低生產(chǎn)成本50%以上。

關(guān)鍵詞：直升機(jī)主槳葉;槳葉配平;噴漆設(shè)備;自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：V261.93+3? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0032-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.009

0? ? 引言

傳統(tǒng)的直升機(jī)主槳葉的配平和噴漆一般是分開(kāi)作業(yè)的，槳葉的配平通常通過(guò)配重塊實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)粗略配平的槳葉在獨(dú)立的噴漆設(shè)備上單獨(dú)完成噴漆作業(yè)。由于油漆自身具有一定的重量，通常在噴漆完成后，槳葉的重心和靜矩等重要參數(shù)會(huì)發(fā)生輕微改變，而槳葉屬于直升機(jī)的關(guān)鍵部件，這種參數(shù)的輕微改變常常會(huì)給飛行帶來(lái)安全隱患，因此在實(shí)際操作中，噴漆后的槳葉不得不再次進(jìn)行微尺度的二次配平[1]。二次配平靠人工進(jìn)行微量調(diào)整，即對(duì)一副槳葉不斷重復(fù)進(jìn)行靜矩測(cè)量和噴漆，直至配對(duì)槳葉的靜矩和重心互差滿足設(shè)計(jì)條件。而油漆噴涂克重靠人工很難進(jìn)行精確控制，所以一般要經(jīng)過(guò)數(shù)次噴漆配平操作才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如果克重超了還要進(jìn)行打磨操作，二次配平的重復(fù)作業(yè)嚴(yán)重降低了槳葉的生產(chǎn)效率，也大幅增加了產(chǎn)品的制造成本;此外，再次配平可能會(huì)導(dǎo)致槳葉超重問(wèn)題。傳統(tǒng)的槳葉噴漆一般都是采用通用的噴漆設(shè)備，沒(méi)有針對(duì)槳葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，在噴漆作業(yè)之前，往往需要對(duì)槳根等非噴漆區(qū)域進(jìn)行遮蔽等，遮蔽操作不僅煩瑣而且屬于重復(fù)作業(yè)，需要對(duì)每一根槳葉都進(jìn)行遮蔽，顯然增加了產(chǎn)品的重復(fù)成本，這個(gè)問(wèn)題在槳葉實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)后將會(huì)更加突出[2]。

在航空航天領(lǐng)域，自動(dòng)化是提高復(fù)合材料部件制造水平的重要手段，自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用能夠極大地提高制件生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)保證產(chǎn)品一致性，有效減少因手工操作帶來(lái)的質(zhì)量隱患[3-4]。直升機(jī)主槳葉噴漆目前還過(guò)度依賴人工操作，通過(guò)反復(fù)的測(cè)量、噴漆、打磨、配平等工序?qū)崿F(xiàn)槳葉的配對(duì)，這種傳統(tǒng)噴漆配平工藝已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的產(chǎn)品需求和質(zhì)量要求[5]。針對(duì)這一細(xì)分領(lǐng)域的困境，本文開(kāi)創(chuàng)性地提出了一種用于直升機(jī)槳葉的自動(dòng)噴漆配平方法，將傳統(tǒng)噴漆方法的噴漆和精確配平兩個(gè)流程合二為一，并給出了適用于自動(dòng)噴漆配平的專(zhuān)用設(shè)備的總體方案，通過(guò)全閉環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕微誤差范圍內(nèi)的槳葉自動(dòng)配平，整個(gè)過(guò)程只需要對(duì)噴漆槳葉進(jìn)行裝夾操作和指令輸入即可完成，解決了傳統(tǒng)的鉛塊配平法精度差、容易超重、操作過(guò)程煩瑣等問(wèn)題。

1? ? 作業(yè)流程設(shè)計(jì)

某型無(wú)人直升機(jī)主槳葉采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在槳葉固化后進(jìn)行脫模，然后進(jìn)入清邊、稱重工序，在批量生產(chǎn)10根后，先進(jìn)行槳葉重心和靜矩測(cè)量，挑選重量、靜矩互差最小的槳葉作為一副進(jìn)行粗略配對(duì)，然后根據(jù)配對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行精確配平。

如圖1所示，在噴漆之前通過(guò)傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)粗略配平，然后在專(zhuān)用的自動(dòng)噴漆配平設(shè)備上完成噴漆作業(yè)，通過(guò)實(shí)時(shí)控制噴漆量實(shí)現(xiàn)主槳葉在輕微誤差范圍內(nèi)的精確配平，操作者只需要輸入相應(yīng)參數(shù)和啟動(dòng)、停止、暫停等操作指令，噴漆和精確配平即可同步完成。

2? ? 自動(dòng)噴漆配平設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1? ? 自動(dòng)噴漆配平設(shè)備模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品作業(yè)流程，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化一鍵噴漆配平功能，本設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)思路，主要包括主控制器系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)、噴漆伺服系統(tǒng)、測(cè)量傳感系統(tǒng)、調(diào)配噴漆系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)、設(shè)備安裝平臺(tái)等模塊，如圖2所示。測(cè)量傳感系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)探測(cè)重量數(shù)據(jù)，主控制器系統(tǒng)負(fù)責(zé)程序計(jì)算和流程控制，翻轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制槳葉的旋轉(zhuǎn)，噴漆伺服系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制油漆噴嘴沿槳葉方向移動(dòng)，翻轉(zhuǎn)夾持系統(tǒng)負(fù)責(zé)槳葉的固定，調(diào)配噴漆系統(tǒng)負(fù)責(zé)油漆的存儲(chǔ)和噴涂，這些模塊相互協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了槳葉每個(gè)部位噴漆量的精確控制。

根據(jù)設(shè)計(jì)好的模塊，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)組裝設(shè)計(jì)，在滿足主槳葉自動(dòng)噴漆配平功能要求的同時(shí)，還要保證該設(shè)備對(duì)不同尺寸槳葉的兼容性。如圖3所示，設(shè)計(jì)基于全閉環(huán)控制原理，槳葉測(cè)量傳感器8用于測(cè)量待配平槳葉的重量、重心、靜矩等參數(shù)并反饋給控制器，控制器發(fā)操作指令給翻轉(zhuǎn)伺服電機(jī)11、噴漆伺服電機(jī)10及噴漆系統(tǒng)，控制槳葉的噴漆量、噴漆位置等，實(shí)現(xiàn)槳葉的自動(dòng)配平。

2.2? ? 槳葉翻轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

槳葉夾持機(jī)構(gòu)作為連接設(shè)備和槳葉的連接機(jī)構(gòu)，是保證槳葉能夠平穩(wěn)精確翻轉(zhuǎn)的重要支撐?？刂破鱾鬟f信號(hào)給翻轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器和夾具進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。為保證槳葉翻轉(zhuǎn)過(guò)程中不出現(xiàn)晃動(dòng)，同時(shí)也為了兼容各種尺寸的槳葉，設(shè)計(jì)了一種通用穩(wěn)定的裝夾裝置。如圖4所示，該夾持機(jī)構(gòu)包含主槳葉夾持頭、翻轉(zhuǎn)主軸、端蓋、連接螺釘、安裝螺釘及六角螺母等，在端蓋與夾持頭之間安裝傳感器貼片，端蓋通過(guò)4個(gè)內(nèi)六角螺釘與夾持頭連接形成封閉可拆卸結(jié)構(gòu)，翻轉(zhuǎn)主軸與聯(lián)軸器（伺服電機(jī)）連接。該設(shè)計(jì)具有較好的可靠性，槳葉在該裝置上拆裝方便，同時(shí)能根據(jù)不同槳葉尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，通用性良好。

3? ? 槳葉自動(dòng)噴漆配平

槳葉在噴漆之前先通過(guò)傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)粗略配平，然后在上述設(shè)計(jì)的專(zhuān)用自動(dòng)噴漆配平設(shè)備上完成噴漆作業(yè)。以某型無(wú)人直升機(jī)槳葉噴漆配平操作為例，該槳葉總長(zhǎng)度超過(guò)2 m，產(chǎn)品要求總重量在（5 000±150）g，一副槳葉配平后重量互差小于10 g，重心互差小于1 mm，靜矩互差小于6 g·m。通過(guò)槳葉夾持機(jī)構(gòu)將其固定在自動(dòng)噴漆配平操作平臺(tái)，用螺釘進(jìn)行緊固，保證在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中無(wú)晃動(dòng)。此時(shí)測(cè)量傳感器會(huì)記錄下槳葉的質(zhì)量M，輸入槳根安裝孔圓心到槳尖的距離L，設(shè)備會(huì)實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)靜矩，靜矩計(jì)算公式為S=F×L，根據(jù)設(shè)計(jì)要求向設(shè)備輸入需要的靜矩，將調(diào)配好的油漆倒入噴壺，啟動(dòng)噴漆系統(tǒng)，此時(shí)噴漆伺服電機(jī)和翻轉(zhuǎn)伺服電機(jī)會(huì)啟動(dòng)，油漆噴嘴會(huì)沿著線性滑軌運(yùn)動(dòng)，槳葉勻速翻轉(zhuǎn)，直到槳葉的靜矩達(dá)到設(shè)定值，噴漆會(huì)自動(dòng)停止。在設(shè)備上確認(rèn)噴漆完成后，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算出槳葉重心C=。

為驗(yàn)證該設(shè)備槳葉配平能否滿足設(shè)計(jì)要求，將6根槳葉在此設(shè)備上進(jìn)行自動(dòng)噴漆配平，輸入槳根安裝孔圓心到槳尖的距離L=2.2 m，配平結(jié)果如表1所示。

由表1可知，配平的6根槳葉，其重量互差在10 g以內(nèi)，靜矩互差在6 g·m左右，重心互差在1 mm以內(nèi)，均能滿足設(shè)計(jì)要求。

配對(duì)的3副槳葉如果按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行配平，需要2個(gè)工人持續(xù)工作3天以上，而通過(guò)該設(shè)備只需要1天即可完成，而且一致性會(huì)更好。因此，該設(shè)備能夠快速準(zhǔn)確地配平出需要的靜矩和重心，大大提升了產(chǎn)品的合格率和配平成功率，降低了人力資源成本。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)直升機(jī)槳葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳統(tǒng)槳葉噴漆作業(yè)存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，開(kāi)創(chuàng)性地提出了一種用于直升機(jī)槳葉的自動(dòng)噴漆配平方法，將傳統(tǒng)噴漆方法的噴漆和精確配平兩個(gè)流程合二為一，并給出了適用于自動(dòng)噴漆配平的專(zhuān)用設(shè)備的總體方案，通過(guò)全閉環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)輕微誤差范圍內(nèi)的槳葉自動(dòng)配平，解決了傳統(tǒng)的鉛塊配平法精度差、容易超重、操作過(guò)程煩瑣等問(wèn)題。全自動(dòng)的噴漆過(guò)程，降低了噴漆作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅提高了槳葉噴漆的生產(chǎn)效率，尤其是在大批量的槳葉生產(chǎn)中，預(yù)計(jì)可降低噴漆和配平成本50%以上。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李志峰，樊光華，方永紅，等.復(fù)合材料旋翼槳葉研制過(guò)程中的重量控制與分析[J].直升機(jī)技術(shù)，2007（3）：55-57.

[2] 林青，沙春鵬，張波，等.飛機(jī)進(jìn)氣道自動(dòng)噴涂設(shè)備研制[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（1）：92-93.

[3] OFFRINGA A，李香波.新型熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念及其自動(dòng)化制造[J].航空制造技術(shù)，2010（24）：75-77.

[4] 邢麗英.先進(jìn)樹(shù)脂基復(fù)合材料自動(dòng)化制造技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.

[5] 計(jì)宏偉，李建波，朱吉軍.槳根彈性約束剛度對(duì)直升機(jī)配平特性的影響[C]//第三十一屆全國(guó)直升機(jī)年會(huì)論文集，2015：11-16.

收稿日期：2021-11-04

作者簡(jiǎn)介：秦?。?981—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：模具設(shè)計(jì)、復(fù)合材料制造。