大部件調(diào)姿平臺的開發(fā)與設(shè)計

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

西北工業(yè)大學 機電學院 西安 710072

大部件調(diào)姿平臺的開發(fā)與設(shè)計

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

西北工業(yè)大學 機電學院 西安 710072

設(shè)計了一種用于飛機大部段工件調(diào)姿的數(shù)字化調(diào)姿平臺，介紹了調(diào)姿平臺的機械結(jié)構(gòu)并提出一種基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)，詳細介紹了數(shù)控系統(tǒng)的前端搭建結(jié)構(gòu)及其控制方式，并通過激光跟蹤儀、干涉儀檢測整個平臺經(jīng)補償后的運動精度和調(diào)姿效果，驗證了整個系統(tǒng)的實用性和穩(wěn)定性。

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

傳統(tǒng)的飛機大部件對接主要靠工裝、標準模版、樣件、量規(guī)和工藝補償來保證大部件之間的協(xié)調(diào)［1］，這種工作方法制造周期長、裝配環(huán)節(jié)多、工藝技術(shù)復雜，其可變性、可重構(gòu)性差，已不能滿足現(xiàn)代飛機裝配的效能要求［2］。隨著機電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)計一種用于飛機大部件自動對接的數(shù)字化調(diào)姿平臺是發(fā)展我國飛機制造業(yè)的迫切需求。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于大部件形狀偏向扁平化，其厚度小、長度大，扭轉(zhuǎn)剛度差，在調(diào)姿定位時，為保證其剛度，在部件的4個支撐角處設(shè)置2組4個立式自動定位器，實現(xiàn)部件的自動調(diào)姿。定位器與部件之間通過工藝平板連接，工藝平板通過對接孔與部件連接，如圖1所示。

立式自動定位器可實現(xiàn)X、Y、Z 3個方向的運動，3個方向的運動均以伺服電機驅(qū)動精密滾珠絲杠帶動負載沿滾動導軌作往復直線運動來實現(xiàn)，每組Y方向共用一套導軌來保證定位器之間相對位置的精度，其結(jié)構(gòu)組成及各坐標行程如圖2所示。

定位器最上端設(shè)計了鎖緊結(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)，鎖緊機構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動，帶動滑塊鎖緊，鎖緊機構(gòu)如圖3所示。為便于部件入位、調(diào)姿過程中力的檢測，定位器Z向安裝有三維力傳感器，傳感器上側(cè)有標準工藝球頭以鉸鏈形式與工藝平板相連。

▲圖2 端肋處自動定位器

▲圖1 部件端肋調(diào)姿定位部分

▲圖3 鎖緊機構(gòu)

在大部件自動調(diào)姿定位過程中，由于部件跨度較大，為防止在裝配過程中部件發(fā)生形變，同時考慮滿足銑削、制孔時產(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個坐標的

運動，X、Y軸分別采用伺服電機驅(qū)動精密滾珠絲杠副帶動負載沿高精度導軌運動，實現(xiàn)較高的運動精度。因部件跨度較大，Z、A方向設(shè)計了兩套調(diào)整裝置，采用帶制動器的伺服電機驅(qū)動精密絲杠拖動導向柱運動，當部件姿態(tài)滿足要求后，托架的驅(qū)動電機實現(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

為了控制大部件的快速精確定位，實時反映當前整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證運行安全，提供靈活方便的操作，大部件調(diào)姿平臺的控制系統(tǒng)設(shè)計如圖6所示。

▲圖6 數(shù)控系統(tǒng)總體方案

大部件調(diào)姿平臺控制系統(tǒng)主要分為3個層面、2個部分，中央控制層實現(xiàn)離線編程功能，結(jié)合運動控制器的運動軌跡控制功能，完成對執(zhí)行層的運動控制，執(zhí)行層實時向控制層反饋運動位置及外部受力等信息，進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個定位器的16個電機，在大部件姿態(tài)調(diào)整過程中，安裝在每個定位器上的三維力傳感器不斷將當前的受力狀態(tài)傳遞給控制器，控制器實時對各個力傳感器的數(shù)據(jù)進行分析評估，得到當前各個對接球頭對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

動控制器在執(zhí)行中央控制器相應算法時會實時地計算各個定位器的運動數(shù)據(jù)，PMAC根據(jù)該運動數(shù)據(jù)發(fā)送指令給電機驅(qū)動器，控制電機進行運動到指定位置，保證在姿態(tài)調(diào)整過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運動控制器，分別控制3組輔助調(diào)整托架的12個電機，在大部件姿態(tài)調(diào)整過程中，中央控制器根據(jù)定位器的位置反饋信息，通過調(diào)姿算法實時分析各個托架的當前理論位置，并計算托架各電機的移動數(shù)據(jù)，PMAC根據(jù)該移動數(shù)據(jù)發(fā)送指令給電機驅(qū)動器，控制電機運動到指定位置。

3 控制系統(tǒng)關(guān)鍵硬件選型

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

伺服系統(tǒng)執(zhí)行元件的電機種類很多，在高精度場合運用的主要是步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機［3］。合理地選擇伺服執(zhí)行單元對控制系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性有較大的影響，考慮到調(diào)姿定位平臺設(shè)計參數(shù)、技術(shù)要求和經(jīng)濟性，本平臺伺服裝置全部選用安川系列。所選伺服電機型號［4］：X、Y方向電機不具備制動功能，選用伺服型號為SGMGV-09A3A2C（電機）+ SGDV-7R6A01A（驅(qū)動器）；豎直方向及鎖緊電機選用帶抱閘功能的伺服裝置：SGMGV-09A3C6C（電機）+ SGDV-7R6A01A（驅(qū)動器）。

▲圖7 Turbo PMAC2 Clipper集成控制器

表1 測量點坐標誤差/mm

4 系統(tǒng)穩(wěn)定性驗證

根據(jù)大部件工藝要求，調(diào)姿定位器及托架運動軸定位精度及重復定位精度分別為：0.05 mm、0.015 mm。大部件6個調(diào)姿測量點理論坐標誤差應控制在2 mm以內(nèi)，筆者欲通過測量該調(diào)姿平臺的各個軸的運動精度以及大部件調(diào)姿測量點的空間坐標，驗證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。

驗證過程如下。

（1）測試地點：某鈑金制造廠。

（2）測試時間：2014年8月17日。

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

（4）測試結(jié)果：各軸運動定位精度在0.012～0.043 mm之間，重復定位精度在0.002～0.013 mm之間，均滿足工藝要求；大部件調(diào)姿完成后，6個測量點空間坐標的誤差值均在允許范圍內(nèi)，測量點坐標誤差見表1。

5 結(jié)束語

筆者對大部件調(diào)姿平臺進行了詳細設(shè)計，闡述相關(guān)機械結(jié)構(gòu)及控制原理，并通過檢測調(diào)姿平臺的運動精度及大部件調(diào)姿結(jié)果，驗證系統(tǒng)的實用性和可靠性。通過理論分析、設(shè)計計算、實驗驗證，該數(shù)控調(diào)姿平臺能夠滿足大部件調(diào)姿的工藝要求和性能指標。

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

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

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

［4］ 株式會社安川電機.安川電機AC伺服驅(qū)動器&運動控制器［Z］.2010.

（編輯 小 前）

TH122；TP23

A

1000-4998（2015）08-0042-03

2015年1月