直升機升力系統關鍵部件裝配集成控制技術研究

段 巍，卜 泳，陳 龍，孫 嚴，杜兆才

（中國航空制造技術研究院，北京 100024）

0 引言

升力系統作為直升機的核心部件，起到改變傳動方向、傳遞發動機功率、產生升力的重要作用，其關鍵部件包括自動傾斜器、主槳轂和主減速器。由于自動傾斜器、主槳轂與主減速器之間分別通過球鉸齒型花鍵連接，導致部件之間的裝配難度大。目前主要的裝配方式為人工吊裝裝配，即主減速器通過工裝固定于地面，工人通過吊車對自動傾斜器和主槳轂進行吊裝和裝配。由于部件重量大，吊裝過程中部件姿態難以精確控制，裝配結果十分依賴操作工人的經驗，且容易出現部件損傷[1]。

對直升機升力系統關鍵部件裝配集成控制技術進行了研究，采用單目視覺測量對部件進行在線測量，經圖像處理得到部件的位姿調整量，在此基礎上對6-PUS 并聯機構進行運動軌跡規劃，實現部件的調姿對接。最終設計并實現了一套用于直升機升力系統關鍵部件裝配的集成控制系統。

1 系統硬件構成與通訊架構

系統硬件主要包括6-PUS 并聯機構、快換夾持機構、龍門結構和視覺測量單元，如圖1。龍門結構由固定式床身和移動平臺構成，并聯機構定平臺固定在床身上橫梁，快換夾持機構和視覺測量單元安裝在并聯機構動平臺上，裝配部件隨支撐工裝放置于移動平臺上。

圖1 系統硬件構成

系統通訊架構采用雙總線模式，包含兩條現場總線，共同實現上位機PC 與系統所有設備之間的數據交互，如圖2 所示。

圖2 系統通訊架構

第一條現場總線采用Ethernet 工業以太網，實現上位機與工業相機和多軸運動控制器的實時通訊，上位機與工業相機之間采用TCP/IP 通訊協議，與多軸運動控制器之間采用Beckhoff 的ADS 通訊協議。第二條通訊總線采用Beckhoff 公司開發的EtherCAT 工業以太網，將并聯機構、快換夾持機構、龍門結構、測量單元分別通過不同的端子模塊接入多軸運動控制器中，從而實現上位機對整個裝配系統的集成控制。

2 集成控制軟件實現

2.1 軟件架構

通過上位機集成控制軟件實現對系統的統一控制，軟件架構如圖3 所示。

圖3 軟件架構

數據層實現對直升機升力系統關鍵部件裝配過程中需要和產生的數據的統一管理，根據數據類型的不同，將數據儲存在數據庫中或文件當中。

接口層首先實現ADS 通訊、TCP/IP 通訊、MySQL通訊的底層接口實現，在此基礎上，分別實現與并聯機構、快換夾持模塊、龍門機構、測量單元等硬件設備的具體通訊模塊，包括數據采集和指令下發；實現對數據庫的具體通訊函數，包括相關數據的獲取和修改。

算法層實現對軟件的算法支持，圖像處理算法用于視覺測量單元測量數據進行圖像處理，得到并聯機構動平臺位姿調整量；并聯機構反解算法實現由位姿調整量得到滑塊運動量的計算；并聯機構正解實現由滑塊當前位置得到動平臺當前位置的計算；運動軌跡規劃算法實現對并聯機構整體運動軌跡PVAT 數據的規劃。

功能層實現軟件具體功能，包括并聯機構運動控制、快換夾持模塊到位檢測與鎖緊松開、裝配平臺運動控制、主減速器工裝到位檢測與鎖緊松開、測量單元運動控制、部件圖像數據采集等；安全防護模塊實現設備故障提示和急停控制，以及設備之間的操作互鎖邏輯實現。

界面層為最終的軟件界面實現，包括各硬件設備的狀態顯示，操作信息、報警信息的實時顯示、裝配流程的控制等。

2.2 軟件界面設計

集成控制軟件界面如圖4 所示。界面包括標題欄、運行信息、報警信息、流程控制、系統功能、系統狀態顯示、主操作區，涵蓋了直升機升力系統關鍵部件裝配流程所需要的所有功能。

圖4 軟件界面集成控制關鍵技術

2.3 視覺測量

為了得到關鍵部件之間的位姿調整量，系統通過高精度單目相機對升力系統關鍵部件進行圖像采集，提取部件關鍵特征進行圖像處理并擬合計算。解算主減速器與主槳轂的空間位姿需要一組平行的空間圓，即主槳轂和主減速器的齒頂圓和端面圓。為了準確反映齒頂圓的位置，需要對齒頂角點進行精確測量和提取，系統采用基于SUSAN 的擁有自適應核與自適應閾值的齒頂角點提取方法，提取結果如圖5 所示。

圖5 齒頂角點提取

接著獲取主減速器和主槳轂的端面圓，對圖像信息進行邊緣檢測，這里采用優化Canny 邊緣檢測算法，邊緣離散弧段的提取結果如圖6 所示。

圖6 邊緣離散弧段提取

之后進行橢圓擬合得到圖像坐標系下的主減速器、主槳轂齒頂橢圓與各自的端面輔助圓。采用基于幾何距離的橢圓擬合方法，得到的橢圓擬合結果如圖7 所示。求解出兩對圓組的空間圓心坐標和法向量即可計算主軸與主槳轂的空間除去偏航量的5D 位姿。

圖7 橢圓擬合結果

最后，為了確定主軸與主槳轂繞Z方向的旋轉量，需要對主減速器花鍵和主槳轂缺齒進行定位。對于主減速器花鍵，通過齒頂點擬合的橢圓向外作環形ROI 區域，采用SUSAN 法檢測其角點位置即可獲得花鍵兩端點。對于主槳轂缺齒，沿橢圓路徑計算鄰近齒頂的距離，當距離最大時所對應的兩點即為缺齒兩角點，結果如圖8 所示。由主軸花鍵和主槳轂缺齒在各自齒圈的投影坐標即可確定偏航角信息[2]。

圖8 主減速器花鍵和主槳轂缺齒定位

2.4 并聯機構運動軌跡規劃

本系統所采用的6-PUS 并聯機構的動平臺通過6 個運動支鏈與定平臺連接，每個支鏈由滑動副、萬向鉸、連桿和球鉸組成，通過聯動改變滑塊位置來實現對調動平臺位姿的調整，并聯機構模型如圖9 所示。

圖9 并聯機構模型

（1）運動學反解。建立并聯機構抽象簡化模型如圖10 所示。

圖10 并聯機構抽象簡化模型

以定平臺幾何中心作為坐標原點建立全局坐標系Ob-XbYbZb，以動平臺幾何中心為遠點建立局部坐標系Op-XpYpZp。以一個運動支鏈為分析對象，繪制空間矢量關系圖如圖11[3]。

圖11 運動支鏈空間矢量關系

根據空間幾何進行矢量關系可以得到以下方程：

采用x-y-z歐拉角描述由動平臺坐標系到定平臺坐標系的空間旋轉變化。旋轉矩陣R可以表示為坐標系繞Z旋轉的矩陣Rzγ，繞Y旋轉的矩陣Ryβ，繞X旋轉的矩陣Rxα的乘積。即

根據旋轉矩陣將局部坐標系下的OpAi+AiSi轉換到全局坐標系下的結果表示為：

將方程（2）（3）代入方程（1）中，并對方程（1）等號兩側取模可以得到：

方程（4）即為6-PUS 并聯機構運動學反解方程，代入相關數據對方程（4）進行求解即可得到滑塊運動量Zpi的解[4]。

（2）運動軌跡規劃

運動軌跡規劃是指按照特定運動曲線對部件運動參數進行規劃，包括一系列的位置、速度、加速度和對應時間，簡稱PVAT 數據。對并聯機構進行運動軌跡規劃，首先根據視覺測量得到的位姿調整量對動平臺進行運動軌跡規劃，得到動平臺的PVAT 數據。然后通過并聯機構反解，計算得到滑塊的位置數據，滑塊的時間數據與動平臺已知。

選擇動平臺的球鉸點作為支撐點，由動平臺PVAT 數據計算得到各球鉸點的PVAT 數據，可知某一時間球鉸位置為（X1，Y1，Z1），速度為（VX1，VY1，VZ1），加速度為（AX1，AY1，AZ1）。已知滑塊在全局坐標系下位置為（X0，Y0，Z0），由于滑塊只能沿平行于全局坐標系Z 軸的導軌運動，因此假設其速度為（0，0，VZ1），加速度為（0，0，AZ0）。

根據空間速度投影定理可以得到：

根據空間加速度投影定理可得到：

根據式（5）和式（6）即可計算出滑塊運動速度和加速度數據，至此得到完整的滑塊PVAT 數據[6]。

3 結語

實現升力系統關鍵部件的自動化裝配，對于提高直升機整體裝配精度和裝配效率具有重要意義。對直升機升力系統關鍵部件裝配的集成控制技術進行了相關研究，提出了基于6-PUS 并聯機構的直升機升力系統關鍵部件裝配集成控制技術，探討了系統的軟硬件架構和關鍵技術實現，并在現場完成了系統的搭建和功能測試，對系統的有效性進行了驗證。