一種直升機旋翼主槳葉自動噴漆配平設備的設計

秦俊 周強

摘要：設計了一種用于直升機主槳葉自動噴漆配平的設備，采用模塊化設計思路，主要包含主控制器系統(tǒng)、翻轉伺服系統(tǒng)、噴漆伺服系統(tǒng)、測量傳感系統(tǒng)、調配噴漆系統(tǒng)、翻轉夾持機構、設備安裝平臺等模塊，通過這種設備，可將傳統(tǒng)槳葉噴漆流程中的噴漆和精確配平兩個獨立的作業(yè)流程合并。另外，根據(jù)直升機旋翼主槳葉的結構特點，設計了模塊化的槳葉噴漆夾持結構，實現(xiàn)自動化噴漆配平。該設備能夠大幅降低槳葉噴漆和配平的生產成本，尤其是大批量生產時，其降本增效的效果尤為突出，預計可降低生產成本50%以上。

關鍵詞：直升機主槳葉;槳葉配平;噴漆設備;自動化

中圖分類號：V261.93+3? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0032-03

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

0? ? 引言

傳統(tǒng)的直升機主槳葉的配平和噴漆一般是分開作業(yè)的，槳葉的配平通常通過配重塊實現(xiàn)，經過粗略配平的槳葉在獨立的噴漆設備上單獨完成噴漆作業(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)會發(fā)生輕微改變，而槳葉屬于直升機的關鍵部件，這種參數(shù)的輕微改變常常會給飛行帶來安全隱患，因此在實際操作中，噴漆后的槳葉不得不再次進行微尺度的二次配平[1]。二次配平靠人工進行微量調整，即對一副槳葉不斷重復進行靜矩測量和噴漆，直至配對槳葉的靜矩和重心互差滿足設計條件。而油漆噴涂克重靠人工很難進行精確控制，所以一般要經過數(shù)次噴漆配平操作才能達到設計要求，如果克重超了還要進行打磨操作，二次配平的重復作業(yè)嚴重降低了槳葉的生產效率，也大幅增加了產品的制造成本;此外，再次配平可能會導致槳葉超重問題。傳統(tǒng)的槳葉噴漆一般都是采用通用的噴漆設備，沒有針對槳葉的結構特點進行專門設計，在噴漆作業(yè)之前，往往需要對槳根等非噴漆區(qū)域進行遮蔽等，遮蔽操作不僅煩瑣而且屬于重復作業(yè)，需要對每一根槳葉都進行遮蔽，顯然增加了產品的重復成本，這個問題在槳葉實現(xiàn)批量生產后將會更加突出[2]。

在航空航天領域，自動化是提高復合材料部件制造水平的重要手段，自動化設備的應用能夠極大地提高制件生產效率，降低生產成本，同時保證產品一致性，有效減少因手工操作帶來的質量隱患[3-4]。直升機主槳葉噴漆目前還過度依賴人工操作，通過反復的測量、噴漆、打磨、配平等工序實現(xiàn)槳葉的配對，這種傳統(tǒng)噴漆配平工藝已經不能滿足日益增長的產品需求和質量要求[5]。針對這一細分領域的困境，本文開創(chuàng)性地提出了一種用于直升機槳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備的總體方案，通過全閉環(huán)的系統(tǒng)設計，實現(xiàn)輕微誤差范圍內的槳葉自動配平，整個過程只需要對噴漆槳葉進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)流程設計

某型無人直升機主槳葉采用復合材料結構設計，在槳葉固化后進行脫模，然后進入清邊、稱重工序，在批量生產10根后，先進行槳葉重心和靜矩測量，挑選重量、靜矩互差最小的槳葉作為一副進行粗略配對，然后根據(jù)配對數(shù)據(jù)結果進行精確配平。

如圖1所示，在噴漆之前通過傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)粗略配平，然后在專用的自動噴漆配平設備上完成噴漆作業(yè)，通過實時控制噴漆量實現(xiàn)主槳葉在輕微誤差范圍內的精確配平，操作者只需要輸入相應參數(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? ? 自動噴漆配平設備的結構設計

2.1? ? 自動噴漆配平設備模塊設計

根據(jù)產品作業(yè)流程，為實現(xiàn)自動化一鍵噴漆配平功能，本設備采用模塊化設計思路，主要包括主控制器系統(tǒng)、翻轉伺服系統(tǒng)、噴漆伺服系統(tǒng)、測量傳感系統(tǒng)、調配噴漆系統(tǒng)、翻轉夾持機構、設備安裝平臺等模塊，如圖2所示。測量傳感系統(tǒng)負責實時探測重量數(shù)據(jù)，主控制器系統(tǒng)負責程序計算和流程控制，翻轉伺服系統(tǒng)負責控制槳葉的旋轉，噴漆伺服系統(tǒng)負責控制油漆噴嘴沿槳葉方向移動，翻轉夾持系統(tǒng)負責槳葉的固定，調配噴漆系統(tǒng)負責油漆的存儲和噴涂，這些模塊相互協(xié)同控制，實現(xiàn)了槳葉每個部位噴漆量的精確控制。

根據(jù)設計好的模塊，進行合理的結構組裝設計，在滿足主槳葉自動噴漆配平功能要求的同時，還要保證該設備對不同尺寸槳葉的兼容性。如圖3所示，設計基于全閉環(huán)控制原理，槳葉測量傳感器8用于測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)操作指令給翻轉伺服電機11、噴漆伺服電機10及噴漆系統(tǒng)，控制槳葉的噴漆量、噴漆位置等，實現(xiàn)槳葉的自動配平。

2.2? ? 槳葉翻轉夾持機構設計

槳葉夾持機構作為連接設備和槳葉的連接機構，是保證槳葉能夠平穩(wěn)精確翻轉的重要支撐。控制器傳遞信號給翻轉伺服電機，伺服電機帶動聯(lián)軸器和夾具進行翻轉。為保證槳葉翻轉過程中不出現(xiàn)晃動，同時也為了兼容各種尺寸的槳葉，設計了一種通用穩(wěn)定的裝夾裝置。如圖4所示，該夾持機構包含主槳葉夾持頭、翻轉主軸、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個內六角螺釘與夾持頭連接形成封閉可拆卸結構，翻轉主軸與聯(lián)軸器（伺服電機）連接。該設計具有較好的可靠性，槳葉在該裝置上拆裝方便，同時能根據(jù)不同槳葉尺寸進行調節(jié)，通用性良好。

3? ? 槳葉自動噴漆配平

槳葉在噴漆之前先通過傳統(tǒng)的方法實現(xiàn)粗略配平，然后在上述設計的專用自動噴漆配平設備上完成噴漆作業(yè)。以某型無人直升機槳葉噴漆配平操作為例，該槳葉總長度超過2 m，產品要求總重量在（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。通過槳葉夾持機構將其固定在自動噴漆配平操作平臺，用螺釘進行緊固，保證在翻轉過程中無晃動。此時測量傳感器會記錄下槳葉的質量M，輸入槳根安裝孔圓心到槳尖的距離L，設備會實時顯示動態(tài)靜矩，靜矩計算公式為S=F×L，根據(jù)設計要求向設備輸入需要的靜矩，將調配好的油漆倒入噴壺，啟動噴漆系統(tǒng)，此時噴漆伺服電機和翻轉伺服電機會啟動，油漆噴嘴會沿著線性滑軌運動，槳葉勻速翻轉，直到槳葉的靜矩達到設定值，噴漆會自動停止。在設備上確認噴漆完成后，系統(tǒng)會計算出槳葉重心C=。

為驗證該設備槳葉配平能否滿足設計要求，將6根槳葉在此設備上進行自動噴漆配平，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，靜矩互差在6 g·m左右，重心互差在1 mm以內，均能滿足設計要求。

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

4? ? 結語

本文根據(jù)直升機槳葉的結構特點和傳統(tǒng)槳葉噴漆作業(yè)存在的現(xiàn)實問題，開創(chuàng)性地提出了一種用于直升機槳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備的總體方案，通過全閉環(huán)的系統(tǒng)設計，實現(xiàn)輕微誤差范圍內的槳葉自動配平，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)的勞動強度，大幅提高了槳葉噴漆的生產效率，尤其是在大批量的槳葉生產中，預計可降低噴漆和配平成本50%以上。

[參考文獻]

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

[2] 林青，沙春鵬，張波，等.飛機進氣道自動噴涂設備研制[J].制造業(yè)自動化，2013，35（1）：92-93.

[3] OFFRINGA A，李香波.新型熱塑性復合材料設計理念及其自動化制造[J].航空制造技術，2010（24）：75-77.

[4] 邢麗英.先進樹脂基復合材料自動化制造技術[M].北京：航空工業(yè)出版社，2014.

[5] 計宏偉，李建波，朱吉軍.槳根彈性約束剛度對直升機配平特性的影響[C]//第三十一屆全國直升機年會論文集，2015：11-16.

收稿日期：2021-11-04

作者簡介：秦?。?981—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：模具設計、復合材料制造。