机翼部件整体自动变位系统技术分析

机翼部件整体自动变位系统技术分析

符猛

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西西安  710089

摘 要：当前，飞机装备制造工艺的自动化程度越来越高，在装配精度、装配方法、空间利用率、控制方法和人员的生命安全等方面均有较大需求。其中，飞机零件的自动修形是满足组装作业要求的一个迫切需求。现有的飞机大零件修形方法和机理效率低、占地面积大、操作难度大、安全性差，不能适应现代化的制造需求，迫切需要对其进行改造和革新。针对机翼部件的自动变位需求，对其本身的构造特征和变形需求进行了深入的研究，并将其与曲柄滑块机构的工作机理相融合，进行了一种新颖的基于曲柄滑块机构的自动变位机构及其运动控制方法的研究。在此基础上，采用软件通用计算程序，对各构件的刚度进行了强度验算，实现了机翼部件的全过程自动变位控制。

关键词：机翼部件；自动变位；曲柄滑块机构；快速固持；有限元分析

在飞机的生产和组装中，为了实现部件的补加工、刷漆和对接等工作，经常要根据工作的内容，将飞机的各个部件进行翻转或运动，从而实现对部件的补加工、刷漆和对接等工作。但因其总体结构和构型的特殊性，一些部件的尺寸大、重量大、形状多样，给大部件的整体位移带来了一定的难度。当前，国内外对大型航空零件的变位方法多为机械自卸式和手动倒卸法。而机器上的自动翻转大多使用的是一种辊型的翻板，也就是靠马达转动齿轮与销齿相配合来完成翻转。

1.自动变位系统原理分析

1.1自动变位系统机构原理分析

在机翼的一端设有多个接头，用以与机身相连，而另一端则是平滑而狭小，不利于抓取和连接。为此，采用翼端连接件来固定结构的方法，从而达到了自动变位的目的。机翼部件的姿态以0-90度角来表示。当飞机在一定的距离上进行自调整时，飞机的重心会随着飞机的姿态而发生改变。当机翼部件在垂直位置（0度角）时，飞机的重量在旋转轴上只会产生很少的转矩，大约是0。当飞机的机翼在水平位置（+90度角）时，由于翼重在旋转轴上所承受的最大转矩可达20000 N，如果使用电动机直接传动转轴来实现反转，则会造成极大转矩的电动机选择上的难度，且其体积庞大、制造费用昂贵，不能满足工程需求。为此，通过机构设计来解决力矩和推力的相互转化问题，通过螺杆将电动机输出的小力矩转变成更大的电推力，然后通过偏心机构把推力转变成转矩，从而达到对翼面构件进行自主位移时所需的传动力矩。

1.2自动变位系统控制方案

在对以上的机械结构进行理论研究，提出了一种新型的机械修形装置，它由滑动器的平移运动，伸缩杆的长度伸缩控制，翼面位置的检测，手动和控制的方法。为此，利用 PLC对两个伺服马达进行控制，分别带动丝杠、齿轮，从而完成滑块的移动和模具的整个转动。另外，连接件的长度由电子推杆来进行。在此基础上，将行程切换点设定在滑块平移限制点上，实现闭环控制，以改善翼面零件的定位精度。手动操作模式为触屏操作，安装于操作箱中，用于对回转的转角和误差进行实时显示。该操纵盘能接受操作者所输入的操纵命令，并能对操纵装置的各项参数进行显示。

2.自动变位系统设计方案

2.1可旋转底盘机构

可旋转底盘机构，用以转动上一整体机械装置。该装置由一转轴支撑的固定部件及一可选择的转动件与下一固定托架及一上托架相连接，该装置由一马达带动一传动装置及一转轴轴承相配合而转动，从而完成该上托架的转动。

2.2曲柄滑块机构

曲柄滑块机构，利用电动机带动螺杆转动，使滑板横向移动。采用电推杆来改变杆的长短，并对各摇臂的移动位置和电动摇杆的伸长量进行单独的调节，从而获得所要求的转动角。

2.3机翼固持机构

机翼固持机构，它将机翼部件的末端接合尺寸和接口的孔与对应的固位器进行匹配，并通过定心省力插栓将其紧固。具有定心省力的锁栓构造。自定心省力栓机构内的浮动螺帽能够在滑道内滑动、上下浮动，从而确保螺丝栓和支架的定位孔为中心，从而减小了加工精度的需求。在抽出插栓的过程中，利用螺旋插塞转动所形成的巨大轴向力，能够对翼面重量造成的摩擦进行有效补偿，从而达到不损坏翼面连接孔的目的。

3.自动变位系统有限元分析

3.1关键部件分析

研究结果表明：在构件位移时，若构件处于+90度角，则使构件的中心与转动轴线偏离最大，从而使机械装置受力最大。所以，在这种条件下，仅需考虑各个部件的载荷条件。从其结构特征和承载模式出发，有必要对下列零件进行刚度验算：转轴总成；电气推杆连接件的强度校核，也就是确保转动时不会出现残留的应力而造成变形和破裂；电推杆的连接要兼顾其本身的强度和连接的螺钉的强度，也就是确保在移动时的连接稳固，不会出现折断的情况。除了转轴总成以外，其他主要零件都采用了比较简便的结构型式，根据强度计算的经验公式，可以对它们的刚度进行检验。所以，这里不再赘述，后面只对转轴总成进行了有航程的分析。

3.2有限元计算及分析

在进行数值模拟时，其几何尺寸对随后的网格剖分及单元个数都有很大的影响。由于其形状的复杂性，不但会降低整个运算速度，而且会造成人工模拟的耗时。为此，往往要结合其自身的特性和分析对象，对其进行化简。主轴总成以矩形钢管为主，连接在其上的转轴是台阶状，其轴线方向上的直径变动不大。此外，旋转轴总成仅需对其刚性进行校核，也就是综合最大变形能否达到服役需求，而不是对结构的局部应力和应变进行修正，这样就可以将节点、连接板等构件排除在外。提出了一种新的基于杆系的新方法，即采用了一种新的、具有较大刚度的矩形杆单元。

结束语：

综上所述，为了解决飞机大零件的变位难度大等问题，在对其进行总体修形要求的基础上，提出了一种新型的修形方法。现该机翼部件全自动化变位装置已经研制成功，并正处于试车试验阶段。通过对生产和运行效果的研究，证明了这种新型的变位方法是可行的，能够在一定程度上解决飞机机翼部件的变位问题，同时保证了飞机在装配过程中的稳定与可操作性，从而大大地提升了工作效率。它具有可靠的安全性控制方案和友好的人机互动特性，大大减轻了工作人员的工作量，并排除了原来的安全危险。

参考文献

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[3]常荣福．整体结构机翼的可能制造方案与目前存在的问题[J]．北京航空学院学报，2021(02)：87-96．