引言

傳統(tǒng)的直升機(jī)主獎葉的配平和噴漆一般是分開作業(yè)的,獎葉的配平通常通過配重塊實(shí)現(xiàn),經(jīng)過粗略配平的獎葉在獨(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,獎葉的重心和靜矩等重要參數(shù)會發(fā)生輕微改變,而獎葉屬于直升機(jī)的關(guān)鍵部件,這種參數(shù)的輕微改變常常會給飛行帶來安全隱患,因此在實(shí)際操作中,噴漆后的獎葉不得不再次進(jìn)行微尺度的二次配平。二次配平靠人工進(jìn)行微量調(diào)整,即對一副獎葉不斷重復(fù)進(jìn)行靜矩測量和噴漆,直至配對獎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)重降低了獎葉的生產(chǎn)效率,也大幅增加了產(chǎn)品的制造成本:此外,再次配平可能會導(dǎo)致獎葉超重問題。傳統(tǒng)的獎葉噴漆一般都是采用通用的噴漆設(shè)備,沒有針對獎葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行專門設(shè)計(jì),在噴漆作業(yè)之前,往往需要對獎根等非噴漆區(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),需要對每一根獎葉都進(jìn)行遮蔽,顯然增加了產(chǎn)品的重復(fù)成本,這個問題在獎葉實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)后將會更加突出。

在航空航天領(lǐng)域,自動化是提高復(fù)合材料部件制造水平的重要手段,自動化設(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,同時保證產(chǎn)品一致性,有效減少因手工操作帶來的質(zhì)量隱患。直升機(jī)主獎葉噴漆目前還過度依賴人工操作,通過反復(fù)的測量、噴漆、打磨、配平等工序?qū)崿F(xiàn)獎葉的配對,這種傳統(tǒng)噴漆配平工藝已經(jīng)不能滿足日益增長的產(chǎn)品需求和質(zhì)量要求。針對這一細(xì)分領(lǐng)域的困境,本文開創(chuàng)性地提出了一種用于直升機(jī)獎葉的自動噴漆配平方法,將傳統(tǒng)噴漆方法的噴漆和精確配平兩個流程合二為一,并給出了適用于自動噴漆配平的專用設(shè)備的總體方案,通過全閉環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)輕微誤差范圍內(nèi)的獎葉自動配平,整個過程只需要對噴漆獎葉進(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、操作過程煩瑣等問題。

1作業(yè)流程設(shè)計(jì)

某型無人直升機(jī)主獎葉采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在獎葉固化后進(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)行獎葉重心和靜矩測量,挑選重量、靜矩互差最小的獎葉作為一副進(jìn)行粗略配對,然后根據(jù)配對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行精確配平。

如圖1所示,在噴漆之前通過傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)粗略配平,然后在專用的自動噴漆配平設(shè)備上完成噴漆作業(yè),通過實(shí)時控制噴漆量實(shí)現(xiàn)主獎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、停止、暫停等操作指令,噴漆和精確配平即可同步完成。

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

2.1自動噴漆配平設(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)備安裝平臺等模塊,如圖2所示。測量傳感系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時探測重量數(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)控制獎葉的旋轉(zhuǎn),噴漆伺服系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制油漆噴嘴沿獎葉方向移動,翻轉(zhuǎn)夾持系統(tǒng)負(fù)責(zé)獎葉的固定,調(diào)配噴漆系統(tǒng)負(fù)責(zé)油漆的存儲和噴涂,這些模塊相互協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)了獎葉每個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),在滿足主獎葉自動噴漆配平功能要求的同時,還要保證該設(shè)備對不同尺寸獎葉的兼容性。如圖3所示,設(shè)計(jì)基于全閉環(huán)控制原理,獎葉測量傳感器8用于測量待配平獎葉的重量、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),控制獎葉的噴漆量、噴漆位置等,實(shí)現(xiàn)獎葉的自動配平。

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

獎葉夾持機(jī)構(gòu)作為連接設(shè)備和獎葉的連接機(jī)構(gòu),是保證獎葉能夠平穩(wěn)精確翻轉(zhuǎn)的重要支撐?？刂破鱾鬟f信號給翻轉(zhuǎn)伺服電機(jī),伺服電機(jī)帶動聯(lián)軸器和夾具進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。為保證獎葉翻轉(zhuǎn)過程中不出現(xiàn)晃動,同時也為了兼容各種尺寸的獎葉,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)包含主獎葉夾持頭、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4個內(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,獎葉在該裝置上拆裝方便,同時能根據(jù)不同獎葉尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié),通用性良好。

3獎葉自動噴漆配平

獎葉在噴漆之前先通過傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)粗略配平,然后在上述設(shè)計(jì)的專用自動噴漆配平設(shè)備上完成噴漆作業(yè)。以某型無人直升機(jī)獎葉噴漆配平操作為例,該獎葉總長度超過2m,產(chǎn)品要求總重量在(5000±150）g,一副獎葉配平后重量互差小于10g,重心互差小于1mm,靜矩互差小于6g·m。通過獎葉夾持機(jī)構(gòu)將其固定在自動噴漆配平操作平臺,用螺釘進(jìn)行緊固,保證在翻轉(zhuǎn)過程中無晃動。此時測量傳感器會記錄下獎葉的質(zhì)量x,輸入獎根安裝孔圓心到獎尖的距離L,設(shè)備會實(shí)時顯示動態(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,啟動噴漆系統(tǒng),此時噴漆伺服電機(jī)和翻轉(zhuǎn)伺服電機(jī)會啟動,油漆噴嘴會沿著線性滑軌運(yùn)動,獎葉勻速翻轉(zhuǎn),直到獎葉的靜矩達(dá)到設(shè)定值,噴漆會自動停止。在設(shè)備上確認(rèn)噴漆完成后,系統(tǒng)會計(jì)算出獎葉重心C=。

為驗(yàn)證該設(shè)備獎葉配平能否滿足設(shè)計(jì)要求,將6根獎葉在此設(shè)備上進(jìn)行自動噴漆配平,輸入獎根安裝孔圓心到獎尖的距離L=2.2m,配平結(jié)果如表1所示。

由表1可知,配平的6根獎葉,其重量互差在m10以內(nèi),靜矩互差在60·m左右,重心互差在1mm以內(nèi),均能滿足設(shè)計(jì)要求。

配對的g副獎葉如果按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行配平,需要2個工人持續(xù)工作1天以上,而通過該設(shè)備只需要3天即可完成,而且一致性會更好。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

本文根據(jù)直升機(jī)獎葉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳統(tǒng)獎葉噴漆作業(yè)存在的現(xiàn)實(shí)問題,開創(chuàng)性地提出了一種用于直升機(jī)獎葉的自動噴漆配平方法,將傳統(tǒng)噴漆方法的噴漆和精確配平兩個流程合二為一,并給出了適用于自動噴漆配平的專用設(shè)備的總體方案,通過全閉環(huán)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)輕微誤差范圍內(nèi)的獎葉自動配平,解決了傳統(tǒng)的鉛塊配平法精度差、容易超重、操作過程煩瑣等問題。全自動的噴漆過程,降低了噴漆作業(yè)的勞動強(qiáng)度,大幅提高了獎葉噴漆的生產(chǎn)效率,尤其是在大批量的獎葉生產(chǎn)中,預(yù)計(jì)可降低噴漆和配平成本31%以上。