起落架艙制孔系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

胡迪鋒 周向陽 苗蓬勃 劉瑛

摘 要 針對(duì)飛機(jī)起落架艙的制孔工藝，提高制孔質(zhì)量與效率，設(shè)計(jì)了一種面向飛機(jī)起落架艙的自動(dòng)化制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)、滾珠導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)的。由PLC控制器作為系統(tǒng)的中央控制中心，協(xié)調(diào)控制各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。為了提高控制性能，采用分?jǐn)?shù)階PID控制。分?jǐn)?shù)階PID控制器較傳統(tǒng)的PID控制多引入了2個(gè)參數(shù)，進(jìn)而可以大大提高控制系統(tǒng)系統(tǒng)的魯棒性。因?yàn)榉謹(jǐn)?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(shè)置。

關(guān)鍵詞 起落架艙;制孔系統(tǒng);分?jǐn)?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(jī)零部件的裝配主要依靠鉚接來實(shí)現(xiàn)。鉚接質(zhì)量直接影響飛機(jī)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(zhì)量。因此精確制孔對(duì)于現(xiàn)代大飛機(jī)的制造和裝配具有至關(guān)重要的作用。過去常采用人工方式進(jìn)行制孔加工。而人工制孔受操作員的經(jīng)驗(yàn)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(chǎn)品安全批產(chǎn)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(dòng)化制孔裝備已經(jīng)成為提高裝配質(zhì)量及飛機(jī)壽命的一個(gè)重要途徑[1]。為此，國內(nèi)對(duì)應(yīng)用于飛機(jī)制造裝配領(lǐng)域的自動(dòng)化制孔設(shè)備展開了相應(yīng)的研究。李芳昕等設(shè)計(jì)開發(fā)了基于Twincat的移動(dòng)機(jī)器人制孔系統(tǒng)，可通過交互控制實(shí)現(xiàn)多工位切換，從而提高設(shè)備的自動(dòng)化以及制孔效率[2]。冰峰等針對(duì)機(jī)翼蒙皮自動(dòng)制孔研制了一套基于PMAC的柔性導(dǎo)軌制孔設(shè)備控制系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)群孔加工[3]。張?jiān)浦镜纫訡919翼盒裝配自動(dòng)制孔為目標(biāo)，介紹了一種翼盒機(jī)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(jī)器人自動(dòng)制孔方法，實(shí)現(xiàn)制孔對(duì)象在機(jī)器人自動(dòng)制孔工位快速自動(dòng)流轉(zhuǎn)的同時(shí)保證制孔精度，從而解決了傳統(tǒng)機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)線中適應(yīng)性的問題[6]。

雖然國內(nèi)對(duì)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(dāng)前國內(nèi)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(dòng)化制孔系統(tǒng)對(duì)未來我國航空制造業(yè)的發(fā)展具有長遠(yuǎn)的實(shí)際和戰(zhàn)略意義。

本文以飛機(jī)起落架艙的自動(dòng)制孔加工為目標(biāo)，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?jǐn)?shù)階PID控制的自動(dòng)制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)制造成本低于機(jī)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(shí)工作，制孔效率高于機(jī)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(jī)上的一個(gè)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(jié)構(gòu)如圖1所示。左壁板組件的鉆孔工藝描述如圖2：

2飛機(jī)起落架艙組件制孔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

2.1 機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)主要由制孔執(zhí)行單元、伺服運(yùn)動(dòng)單元，以及一些輔助設(shè)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(yùn)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)快速精確的定位和進(jìn)給。機(jī)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(zhuǎn)速可達(dá)24000r/min的電主軸完成，該轉(zhuǎn)速可以滿足飛機(jī)制孔中大多數(shù)場合的需要。每個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)單元具有X、Y、Z軸3個(gè)方向的自由度，共使用了3臺(tái)伺服電機(jī)提供動(dòng)力。高精度的伺服運(yùn)動(dòng)單元，為定位精度以及重復(fù)定位精度的提高，提供了一個(gè)重要的必要條件。運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向通過絲桿螺母機(jī)構(gòu)和滾珠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。輔助設(shè)備主要負(fù)責(zé)支持整套設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)，提高設(shè)備的加工精度。如支撐固定單元作為整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)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(shè)計(jì)

整個(gè)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(diào)控制橫向運(yùn)動(dòng)組件、縱向運(yùn)動(dòng)組件和鉆孔運(yùn)動(dòng)組件，實(shí)現(xiàn)各種操作，如運(yùn)動(dòng)鉆頭到指定位置、鉆頭進(jìn)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(shí)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(diào)節(jié)0-10V模擬量自動(dòng)改變伺服電機(jī)的鉆速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉆頭主軸的調(diào)速。伺服電機(jī)由伺服驅(qū)動(dòng)器直接控制，PLC控制器可以通過發(fā)送±10V的模擬量信號(hào)來控制伺服驅(qū)動(dòng)器。利用伺服電機(jī)內(nèi)部的編碼器反饋，每個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)都可以實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制?；蚶霉鈻盼灰苽鞲衅鞣答仯@樣每個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，可以進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)精度。

制孔工藝過程為：首先設(shè)定鉆速和啟動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn);然后控制運(yùn)動(dòng)單元使鉆頭運(yùn)動(dòng)到制孔位置;最后控制鉆頭進(jìn)行鉆孔。

3關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 分?jǐn)?shù)階PID控制

為了實(shí)現(xiàn)高精度的控制，本文采用分?jǐn)?shù)階PID控制。因?yàn)榧庸きh(huán)境的不定性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠。而分?jǐn)?shù)階PID控制器比傳統(tǒng)PID控制多兩個(gè)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?jǐn)?shù)階PID控制的性能取決于其參數(shù)的選擇。常規(guī)的試錯(cuò)法往往不能獲得較佳的參數(shù)設(shè)置。因此本文選擇利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)分?jǐn)?shù)階PID控制的五個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最佳的控制性能。粒子群算法是一種隨機(jī)搜索方法，因其實(shí)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(jié)束語

通過分析飛機(jī)起落架艙組件的制孔工藝，本文設(shè)計(jì)一種面向飛機(jī)起落架艙的自動(dòng)化制孔系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)其功能，從機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制兩方面對(duì)制孔系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)主要由制孔執(zhí)行單元、伺服運(yùn)動(dòng)單元以及輔助設(shè)備組成。伺服運(yùn)動(dòng)單元由伺服電機(jī)、滾動(dòng)導(dǎo)軌和絲桿螺母機(jī)構(gòu)組成，這樣利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制以及高精度的運(yùn)動(dòng)。為了提高控制系統(tǒng)對(duì)鉆頭定位的控制性能，本文采用基于粒子群算法的分?jǐn)?shù)階PID控制器。分?jǐn)?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(duì)分?jǐn)?shù)階PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，可以獲得更好的參數(shù)組合。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 李芳昕，李超，梁世盛，等. 基于Twincat的移動(dòng)機(jī)器人制孔系統(tǒng)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2017，（3）：34-38.

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

[4] 張?jiān)浦?，蔣倩. 大飛機(jī)翼盒機(jī)器人制孔系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J]. 航空制造技術(shù)，2018，61（7）：16-23.

[5] 張?jiān)浦?，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(shù)，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(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)研究[J]. 航空制造技術(shù)，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(xué)，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，學(xué)歷：本科，高工，現(xiàn)就職單位：杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，自動(dòng)化控制。

胡迪鋒（1984-），男，浙江慈溪;畢業(yè)院校：香港理工大學(xué)，專業(yè)：機(jī)械工程，學(xué)歷：碩士研究生，現(xiàn)就職單位：杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：優(yōu)化控制及算法，機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。