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    一種直升機旋翼主槳葉自動噴漆配平設備的設計

    2022-02-13 11:48:51秦俊周強
    機電信息 2022年3期
    關鍵詞:自動化

    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。

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