直升机升力系统数字化装配设备设计

杜兆才，陈 闯，郑璐晗

(中国航空制造技术研究院，北京 100024)

升力系统是直升机的核心部件，用于改变传动方向、传递发动机功率、产生升力，主要包括主减速器、主旋翼、主桨毂、自动倾斜器，主旋翼安装在主桨毂上，主桨毂和自动倾斜器安装在主减速器上。自动倾斜器、主桨毂和主减速器组成了升力系统的关键部件(如图1所示)，大中型直升机自动倾斜器的球铰中心孔与主减速器的输出轴配合，主桨毂的齿形花键与主减速器输出轴的齿形花键配合，装配精度要求较高。

图1 直升机升力系统关键部件装配

目前，升力系统关键部件地面组立装配过程为：主减速器固定，借助吊车吊装自动倾斜器和主桨毂，手工装配。这种方式存在以下弊端：

① 手工装配精度低，难以满足产品质量要求。

② 主减速器固定工装无调姿功能，难以保证主减速器输出轴垂直，自动倾斜器和主桨毂的装配路径与主减速器输出轴轴线不重合，容易擦伤零件。

③ 吊装过程中难以精确控制自动倾斜器和主桨毂的运动，容易因碰撞损伤部件。

④ 自动倾斜器和主桨毂的套合深度大，人工装配施力不均匀，容易造成卡阻，划伤零件。

⑤ 手工装配方式需要大量人工参与，反复调整，装配周期长。

本文涉及的主桨毂质量为560 kg，直径约1.3 m；自动倾斜器质量为160 kg，直径约1.5 m。随着我国大吨位直升机的研发，自动倾斜器、主桨毂的尺寸与质量均会大幅度增加，质量将达到数百公斤，直径接近2 m，装配质量要求也不断提高[1]，依靠吊装的手工装配模式已无法满足装配需求，亟需采用自动化装配技术[2]解决装配质量低、周期长等问题，实现大中型直升机升力系统的高质高效装配[3-7]，提升我国直升机装配技术水平。

1 装配方案

自动化装配设备包含龙门结构、多自由度位姿调整平台、自动倾斜器和主桨毂夹具、主减速器旋转支撑平台等。主减速器旋转支撑平台用于主减速器的定位，并联机构安装在龙门结构的横梁上，利用夹具夹持自动倾斜器或主桨毂，并联机构通过六自由度运动调整自动倾斜器或主桨毂的位置和姿态，装配到主减速器的输出轴上，方案如图2所示。

图2 装配方案

由于需要采用一种结构紧凑、承载能力强、刚度大的多自由度位姿调整平台，六自由度并联机构可以满足上述需求，并联机构是一种空间多闭环结构[8]，定平台和动平台用2个或2个以上的分支相连，具有2个或2个以上的自由度，且驱动器分布在各个不同的分支上。与传统的串联机构相比，并联机构具有刚度重量比大、结构紧凑、精度高、响应速度快等优点。1965年，Stewart[9]提出如图3所示的并联机构，由定平台、动平台和6条运动支链组成，具有6个自由度，后来人们常把具有6条支链的六自由度并联机构称为Stewart平台 。1978年，Hunt[10]指出Stewart平台可用作机器人。1979年，McCallion和Truong[11]首次设计出可以用于装配的机器人。此后，并联机构的应用领域不断扩展[12]。

图3 Stewart平台

当然，并联机构也存在一些不足,具体如下：

① 并联机构的工作空间(尤其是姿态空间)比较小。

② 开发高精度、高刚度、持久耐用的铰链是工程界的一大难题。

③ 由于并联机构的空间多闭环结构特点，误差补偿非常困难。

本文将着重解决上述问题，设计满足自动倾斜器和主桨毂的装配需求的并联机构。

2 并联机构选型

装配过程中，将主减速器竖直摆放，自动倾斜器和主桨毂需要调整的角度比较小，较小的姿态空间调整能力即可满足装配需求，因此，选择图4所示的6-PUS型并联结构，在动平台和定平台之间共有6条运动支链，在每条运动支链中，P表示移动副，U表示虎克铰，S表示球铰，所以，该机构具有3个平动、3个转动共6个自由度。该机构不仅具有刚度大、承载能力强和精度高等通用特点，还具有装配方向行程大、机构相对简单、结构对称等特点，非常适合升力系统的装配[13-16]。

图4 6-PUS型并联结构

3 基于6-PUS并联机构的装配设备结构

基于6-PUS并联机构的装配设备的结构形式如图5所示，为六边形结构。在六边形围框上均布3个立柱，每个立柱上平行布置2个滑台，分别连接2条运动支链，每条运动支链由虎克铰、连杆和球铰构成，6条运动支链分别连接动平台的6个球铰支座，构成了6-PUS并联机构。

图5 基于6-PUS并联机构的装配设备

围框端面外接圆直径1650 mm，高1850 mm，每条运动支链长1395 mm，Z向(装配方向)行程930 mm，X向、Y向行程分别为±150 mm、±130 mm，绕X、Y、Z轴的转角分别达到±25°、±22°、±15°。

4 关键零部件设计

虎克铰的结构形式如图6所示。

图6 虎克铰结构

采用图7所示的分体式球铰结构，这种结构便于修配和调整运动副间隙。球关节座的材料采用GCr15，球关节的材料采用30CrMnSiA。

图7 球铰结构形式

5 运动学分析

6-PUS并联机构的动平台由6个运动支链与定平台(基座)连接，每个运动支链由一个定长的连杆和一个滑块组成，连杆的一端通过球铰与动平台相连，另一端通过虎克铰与滑块相连，而滑块与定平台(机座)之间形成移动副，通过改变滑块在固定导轨上的位置，改变动平台的位置和姿态。

为了便于描述，定义一个全局坐标系作为基础坐标系，一个局部坐标系作为活动坐标系。在定平台B1B2B3B4B5B6上建立全局坐标系Ob-XbYbZb，原点Ob位于定平台的几何中心。在动平台S1S2S3S4S5S6上建立局部坐标系Op，原点Op位于动平台的几何中心，各坐标轴分别与全局坐标系的同名坐标轴方向相同。局部坐标系Op-XpYpZp的原点Op在全局坐标系Ob-XbYbZb中的坐标为(xbp0+Δxp,ybp0+Δyp,zbp0+Δzp)，(xbp0,ybp0,zbp0)表示动平台的初始位置，(Δxp,Δyp,Δzp)表示动平台的位移。

以一个运动支链为分析对象，绘制如图8所示的矢量关系图。

根据图8，可得：

图8 运动支链的矢量关系

UiSi=ObOp+OpSi-ObBi-BiPi-PiUi

(1)

取向量的模长，可得：

Li=‖UiSi‖=‖ObOp+OpSi-ObBi-BiPi-PiUi‖

(2)

在进行运动学逆解计算时，已知各参数，根据给定的动平台位置和姿态，由上述方程可求得滑台运动量zpi。

用R表示局部坐标系Op-XpYpZp相对于全局坐标系Ob-XbYbZb的姿态。R是一个3×3矩阵，若用z-y-x欧拉角描述动坐标系相对于全局坐标系的姿态，则可表示为

R=RxαRyβRzγ

(3)

代入各变量，可得：

(4)

在局部坐标系Op-XpYpZp下，OpSi=[xSiySizSi]T，将各变量代入式(3)，可得：

(5)

式中：zpi为待求的未知量；其余均为已知量或可求的量。因此，可根据装配需求，快速求出各支链的运动逆解。

6 工作空间分析

并联机构的工作空间相对较小，因此备受关注。根据动平台的姿态，工作空间分为：可达工作空间、定姿态的工作空间、灵活工作空间。可达工作空间是指动平台参考点可以到达的范围，无姿态要求；灵活工作空间是指动平台参考点可以通过任意一种姿态到达的全部点集合，由于结构限制，通常不会出现灵活工作空间；定姿态工作空间为动平台在预定姿态下可以到达的点集合。对于升力系统装配任务，需要掌握某些姿态范围内的定姿态工作空间。分析工作空间的目的是在已知机构参数和关节变量变化范围的前提下，评价动平台实现位姿的能力。

平台铰链分布、各支链行程、各支链杆件等效直径、球铰或虎克铰极限摆角等都影响并联机构工作空间的大小和形状。采用极坐标搜索的方法求解工作空间：将动平台参考点可能到达的空间作为搜索空间，先用平行于定平台的平面从Zmin到Zmax开始分割，将该空间分成很多个厚度为ΔZ的微小子空间，每一个子空间近似是高度为ΔZ的圆柱。将每一个微小子空间当成工作空间的剖切面，采用极坐标搜索方式确定工作空间的边界。先从极角θ=0沿着极径ρ=0开始搜索，搜索步长为Δρ，则第j次搜索极径为ρj=jΔρ。搜索完毕后，进行下一次搜索，极角逆时针旋转取θi=iΔθ(i表示搜索次数，Δθ表示极角步长)，在此极角上，做类似的极径搜索。经多次搜索，可得到某个剖切面上的一系列离散边界点，即得到剖切面上的工作空间。沿着Z轴搜索，可依次获得所有剖切面上的全部边界点，连接所有边界点，就得到并联机构的边界曲面。这种方法不需要经过复杂的数学推导，简单方便，比较实用。

动平台进动角为0°～360°、章动角为0°～10°、自旋角为±10°时的工作空间如图9所示。

图9 设备工作空间

工作空间顶部区域呈纺锤形，如图10所示。工作空间向XOY平面的投影如图11所示。

图10 工作空间顶部区域

图11 工作空间向XOY平面的投影

7 精度设计

精度是并联机构的重要评价指标，精度设计包括精度预估与精度综合两个方面，更具工程价值的是精度综合，即预先给定最大位姿允许误差，求出应分配给零部件的制造公差，并使其达到某种意义下的均衡。

影响设备误差的因素很多，选取主要因素：虎克铰十字轴中心点、球铰中心点，这两个点决定了运动支链的位置和姿态，6条运动支链共同作用，决定了动平台的位置和姿态。虎克铰十字轴中心点与zSi相关，球铰中心点与xSi、ySi相关。假定这些影响因素是独立作用的，而且误差值很小，通过对运动学方程求微分来获得误差之间的映射关系。

首先分析zSi的误差对设备位姿的影响，由式(5)可得：

(6)

(7)

(8)

式中：

由此，可知虎克铰十字轴中心点、球铰中心点的位置对动平台精度的影响，式(5)～式(8)可用于预估零部件装配间隙和运动控制精度。

8 仿真算例

并联机构中各点的坐标如表1所示。

表1 各点的坐标值 单位：mm

利用式(5)～式(8)进行仿真分析，当预期的动平台误差为(0.05,0.05,0.05)时，xSi、ySi和zSi的最大允许误差分别为0.039 mm、0.041 mm和0.035 mm。

9 结束语

针对直升机升力系统手工装配质量不稳定、效率低等问题，提出了基于6-PUS并联机构的数字化装配设备设计方法，研究了运动学建模、分析等技术，设计了用于直升机升力系统装配的6-PUS并联机构，该机构可用于直升机升力系统的数字化装配。