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、翻轉伺服系統、噴漆伺服系統、測量傳感系統、調配噴漆系統、翻轉夾持機構、設備安裝平臺等模塊，通過這種設備，可將傳統槳葉噴漆流程中的噴漆和精確配平兩個獨立的作業流程合并。另外，根據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

傳統的直升機主槳葉的配平和噴漆一般是分開作業的，槳葉的配平通常通過配重塊實現，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。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會發生輕微改變，而槳葉屬于直升機的關鍵部件，這種參數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，在噴漆作業之前，往往需要對槳根等非噴漆區域進行遮蔽等，遮蔽操作不僅煩瑣而且屬于重復作業，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、配平等工序實現槳葉的配對，這種傳統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，通過全閉環的系統設計，實現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，然后根據配對數據結果進行精確配平。

如圖1所示，在噴漆之前通過傳統的方法實現粗略配平，然后在專用的自動噴漆配平設備上完成噴漆作業，通過實時控制噴漆量實現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

根據產品作業流程，為實現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、翻轉伺服系統、噴漆伺服系統、測量傳感系統、調配噴漆系統、翻轉夾持機構、設備安裝平臺等模塊，如圖2所示。測量傳感系統負責實時探測重量數據，主控制器系統負責程序計算和流程控制，翻轉伺服系統負責控制槳葉的旋轉，噴漆伺服系統負責控制油漆噴嘴沿槳葉方向移動，翻轉夾持系統負責槳葉的固定，調配噴漆系統負責油漆的存儲和噴涂，這些模塊相互協同控制，實現了槳葉每個部位噴漆量的精確控制。

根據設計好的模塊，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、靜矩等參數并反饋給控制器，控制器發操作指令給翻轉伺服電機11、噴漆伺服電機10及噴漆系統，控制槳葉的噴漆量、噴漆位置等，實現槳葉的自動配平。

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，伺服電機帶動聯軸器和夾具進行翻轉。為保證槳葉翻轉過程中不出現晃動，同時也為了兼容各種尺寸的槳葉，設計了一種通用穩定的裝夾裝置。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，同時能根據不同槳葉尺寸進行調節，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的方法實現粗略配平，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。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靜矩，靜矩計算公式為S=F×L，根據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，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方法進行配平，需要2個工人持續工作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

本文根據直升機槳葉的結構特點和傳統槳葉噴漆作業存在的現實問題，開創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，通過全閉環的系統設計，實現輕微誤差范圍內的槳葉自動配平，解決了傳統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：秦俊（1981—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：模具設計、復合材料制造。