直升機自動傾斜器、主槳轂與主減速器地面自動組立技術研究

卜 泳 杜兆才 李瀧杲 鄭璐晗 陳 龍

（1.中國航空制造技術研究院，北京 100024；2.南京航空航天大學，南京 210016）

直升機作為特殊的航空飛行器，具有垂直起降、空中懸停、前后左右飛行、超低空貼地飛行等特殊能力。這些特點和能力是固定翼飛機和其他交通工具不能替代的，在維護國家安全、國民經濟建設、社會發展中具有重要的戰略地位。隨著我國直升機裝備的需求量不斷增大，初步預測，到2030 年，國內對高端民用直升機產品需求量將達到1 700 架[1]。直升機的發動機經主減速器減速后，帶動旋翼系統的主槳轂、槳葉、自動傾斜器等附件產生升力和變向。一般情況下，主減速器與機身固定，輸入端與發動機連接，輸出端主減速器主軸與自動傾斜器的球鉸精確套合連接，與主槳榖的齒型花鍵精確嚙合連接，如圖1 所示。目前，自動傾斜器、主槳轂與主減速器地面組立先固定主減速器，再通過吊車手工依次將自動傾斜器和主槳轂吊裝入位。由于部件重量大，吊裝過程中部件無法實現快速精確運動和接觸力控制，易出現部件損傷，裝配周期長，且過度依賴工人技能水平，嚴重影響直升機的裝配效率與質量[2]。隨著我國直升機需求的激增，單純依靠吊裝方式進行地面組立的弊端更加突顯。本文涉及的主槳轂質量560 kg、直徑約1.3 m，自動傾斜器質量160 kg、直徑約1.5 m，依此研制了國內首臺直升機自動傾斜器、主槳轂與主減速器地面自動組立設備，并進行了試驗研制，取得了較好的效果。

1 產品結構分析

直升機主減速器套筒配合公差為H8/f7。主槳轂組件與主減速器主軸上數控加工的外花鍵配合，配合公差為H8/f7?？傮w上，參與地面組立的各組件配合精度高，產品上缺少可用于裝配過程測量和協調定位的有效基準特征，難以直接通過轉移基準的方式獲取配合區的位姿狀態信息。因此，必須集成在線測量的手段，實時感知配合特征的位姿狀態，為后續的精準調整提供依據。

2 地面自動組立總方案

2.1 總體方案

直升機自動傾斜器、主槳轂與主減速器地面自動組立通過自研的自動化裝配系統完成。自動裝配系統包括自動化裝配設備、視覺測量系統及集控軟件[3]。其中，自動化裝配設備包含龍門機構、并聯機構、自動傾斜器、主槳轂夾具、移動平臺和被動柔順定位工裝等[4]，如圖2 所示。

2.2 裝配順序

根據產品結構特點與工藝需求，融入數字化裝配與自動組立帶來的變化，對自動組立工藝過程進行重新規劃，結合數字化輔助測量，裝配基準可靠傳遞，總體裝配順序如圖3 所示。

3 技術分析

為實現自動傾斜器、主槳轂與主減速器地面自動組立的高精度、高質量和高效率，基于前述裝配順序，從測量、定位、承載、控制、效率實現5 方面進行指標分解，并依次分析難度、關鍵技術及解決思路，如圖4 所示。

從分析思路可以看出，需要解決的核心問題是找準軸孔/花鍵齒嚙合的配合區域關鍵特征，依據局部配合區特征計算各部件相對位姿，實現裝配過程防碰撞的最優路徑規劃，以及實現精確運動及防劃傷的力位混合控制裝配等。但是，在實際裝配過程中又存在著諸多不利因素，如光照條件差、環境差、干擾因素多、圖像內存在較多相似或對稱結構、二維輪廓模型提取不完整、大負載、間隙以及變形等，耦合影響關系復雜。通過歸類整理，分析出自動組立的5 項關鍵技術，分別為關鍵特征區邊緣精確識別與抗冗余匹配、空間相對位姿精確檢測、實測數據驅動的裝配姿態仿真與路徑規劃、多自由度調姿機構位姿誤差分析與精度補償、多維力感知的柔順插合裝配控制。

4 關鍵技術研究

4.1 關鍵特征區邊緣精確識別與抗冗余匹配技術

4.1.1 多尺度精確邊緣識別

采用小波閾值法對部件圖像進行去噪處理，得到了保留關鍵特征信息的清晰圖像。分別采用全局閾值和局部閾值對圖像進行分割，得到細節部分和主體部分，再對二者進行融合，得到較為完整的齒圈信息整體圖像。最后，通過邊緣鏈碼跟蹤技術獲取局部關鍵特征，并與閾值分割后的圖像進行多尺度融合，即最大限度地精確提取自動傾斜器端面、主槳轂內齒面和主減速器主軸端面輪廓特征。

4.1.2 基于卷積神經網絡的關鍵特征區邊緣匹配

采用兩步法訓練卷積神經網絡模型，以大量進行過標注的邊緣模板作為輸入訓練網絡，直至其收斂，并保存此時的模型參數。將全部訓練集樣本作為輸入，利用上一階段的模型參數初始化網絡，以加快收斂速度，得到訓練好的卷積神經網絡模型。最后，輸入經過多尺度精確邊緣識別技術提取的輪廓信息，便可以過濾去除有效邊緣以外的所有冗余點、線特征，輸出獲得部件邊緣特征[5]。

4.2 空間相對位姿精確檢測技術

自動傾斜器可繞主減速器主軸旋轉。主槳轂與主減速器主軸的花鍵齒嚙合有一組寬齒與缺齒偏航量方向的定位，所以主槳轂與主減速器主軸還需精確檢測出偏航量數據[6]。配合區域均為空間圓特征，通過求解兩對圓組的空間圓心坐標和法向量即可獲取除去偏航量的5D 位姿?？臻g圓成像，如圖5 所示。最后，由主減速器主軸寬齒和主槳轂缺齒利用各自齒圈的投影坐標確定最后的維度信息[7]。

4.3 實測數據驅動的裝配姿態仿真與路徑規劃技術

并聯機構存在定位誤差，需要通過姿態仿真和路徑規劃來提高部件裝配精度。首先，對部件表面進行測量得到端面實測點，采用K-N 鄰域方法，將實測點的鄰域空間三角化，分別計算離散法向和離散曲率，并根據設定的曲率閾值提取關鍵特征點，對提取到的特征點采用最小二乘法和齒圈輪廓線法重構部件表面，計算獲得部件實測模型，并構建部件坐標系[8]。采用矩形裝配空間覆蓋方法[9]，尋找部件之間的潛在裝配路徑，根據逐步向目標位置（X，Y，Z）和姿態（A，B，C）趨近的條件進行篩選，并嚴格控制路徑節點個數獲取有效路徑。完成路徑篩選后，采用蒙特卡洛算法，對并聯機構由零點到第一節點以及第一節點到最終節點之間所有相鄰節點的定位空間進行解算，得到最終節點處的實際定位位置概率分布。最后，匯總所有預先規劃的運動軌跡，通過三維仿真判斷裝配路徑最終節點的定位空間范圍是否處于插合位置處的裝配公差區間內。如果是則認為該路徑合理，否則采用下面兩種方式優化裝配路徑。一是修改路徑節點數量，并將節點重新排布。二是根據蒙特卡洛仿真結果均值補償最終節點位置，消除部分系統偏置誤差。重復上述過程，直到得到一條滿足裝配公差要求的最優路徑。

4.4 多自由度調姿機構位姿誤差分析與精度補償技術

通過對位置逆解方程求全微分，可以分析系統各結構參數對末端運動誤差的影響。裝配設備中的各坐標系如圖6 所示。

設Oi為各運動支鏈桿件的局部坐標系原點在全局坐標系中的位置矢量，Op為動平臺坐標系原點在全局坐標系中的位置矢量，Pi為各運動支鏈球鉸中心坐標在局部坐標系中的位置矢量，Bi為各運動支鏈局部坐標系中的驅動向量，R為動平臺坐標系到全局坐標系的轉換矩陣[10]，則裝配設備的位置逆解為：

Qi為各運動支鏈桿件全局坐標系中的驅動向量，Qi=RiBi，則有：

各桿件局部坐標系在全局坐標系中的姿態矩陣Ri為：

為了獲得各個運動支鏈桿件的各軸在全局坐標系中的單位方向向量，可寫成球坐標的形式：

運動時，各運動支鏈桿件的驅動向量在全局坐標系中為：

式中：xi、yi、zi為各運動支鏈桿件的驅動矢量在各方向上投影。

lix、liy、liz各自的誤差項可依次表示為：

影響精度的結構誤差參數可以分為鉸鏈點誤差、各運動支鏈桿件坐標原點誤差、各運動支鏈桿件定位誤差以及各運動支鏈桿件的導軌方向誤差[11]。其中：鉸鏈點誤差dPi=(dPixdPiydPiz)，i=1,2,3，共9 個誤差；各運動支鏈桿件坐標原點誤差dOi=(dOixdOiydOiz)，i=1,2,3，共9 個誤差；各運動支鏈桿件定位誤差dxi、dyi、dzi，i=1,2,3，共9 個誤差；各運動支鏈桿件的導軌方向誤差dlix、dliy、dliz，i=1,2,3，每條導軌的方向在全局坐標系中由兩個角度θi、φi表示，共18 個誤差。

對式（8）全微分，得：

式中：X、Y、Z、A、B、C為裝配設備的3 個位移輸出和3 個轉角輸出。

由此，可建立誤差模型，求解誤差，作為補償依據。

4.5 多維力感知的柔順插合裝配控制技術

將并聯機構和自動傾斜器/主槳轂等效為阻抗，把主減速器作為外界環境等效為導納，建立基于“彈簧-阻尼”的簡化模型，可通過調整并聯機構末端位置偏差達到控制力的目的[12]?；谖恢玫淖杩箍刂撇呗?，如圖7所示，內環采用位置控制，外環為阻抗控制。根據并聯機構末端安裝的六維力傳感器采集回的力信號和目標阻抗參數，經阻抗控制器生成位置修正量，將其與期望位置相加后，經運動學反解輸入到內環的位置控制器。位置控制器控制并聯機構運動到實際位置，形成閉環控制。

對阻抗控制器力跟蹤性能進行實驗，并實時獲取并聯機構位置軌跡曲線及支鏈滑塊位置曲線，結果如圖8 所示。接觸上主減速器后，接觸力超調后迅速接近期望力值，隨后趨于穩定，實際穩態誤差滿足控制系統要求，可以認為系統是穩定的。

上述實驗驗證了插合過程中的接觸力符合期望值，滿足設計要求，證明了阻抗控制方法可在實際直升機部件插合裝配應用中取得良好的效果。

5 應用驗證

以AC313 直升機升力系統自動傾斜器、主槳轂和主減速器進行裝配為例進行應用驗證，這里僅列舉自動傾斜器裝配部分數據。自動傾斜器的裝配流程為“自動傾斜器及工裝入位—零點系統入位鎖定—自動傾斜器抓取—自動傾斜器內圓測量—主軸外圓測量—自動傾斜器裝配—自動傾斜器分離—工裝分離”。驗證過程如圖9 所示。

自動傾斜器裝配過程的部分關鍵數據，見表1 ～表5。

裝配完成后通過塞尺檢查自動傾斜器球鉸與主軸套筒裝配間隙不大于0.02 mm，主槳轂內齒與主軸外齒嚙合間隙不大于0.04 mm，實現了自動傾斜器、主槳轂與主減速器的自動化裝配。

表1 自動傾斜器內圓提取數據結果

表2 自動傾斜器位姿計算結果 單位：mm

表3 主軸外圓提取數據結果

表4 主軸位姿計算結果

表5 裝配間隙結果 單位：mm

6 結語

針對直升機自動傾斜器、主槳轂與主減速器手工裝配質量不穩定、效率低等問題，提出了直升機自動傾斜器、主槳轂與主減速器地面組立自動化裝配方法，規劃設計了地面組立自動化裝配系統總體方案，確立并研究了裝配系統中涉及的邊緣識別、位姿檢測、路徑規劃、誤差分析與補償和力位混合控制關鍵技術，并進行了模擬件的驗證裝配，相關技術可以實現直升機自動傾斜器、主槳轂與主減速器的地面自動組立。同時，考慮到設備的利用率和滿足更多不同機型裝配的需要，采用以三套零點定位器構成的快換裝置實現了產品夾具與并聯機構之間的快速自動更換，可以滿足工廠內部的快速推廣應用。