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机翼调姿对接运动仿真技术研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

飞机大部件对接是飞机总装阶段的关键部分,大部件对接技术是一项涉及许多领域的综合性技术[1],其中翼身对接是飞机大部件对接的重要环节,其很大程度上影响着飞机装配质量、制造安装成本和生产周期。传统的型架手工装配已很难满足这些要求,数字化、柔性化、自动化已成为飞机大部件对接技术的发展趋势[2]

装配运动仿真技术对飞机装配发挥着重要作用,通过在虚拟环境中进行装配体和工装的建模、计算、仿真验证,能提前发现和解决实际装配中可能出现的问题[3]。将其运用在机翼调姿对接过程中,可以实现调姿对接轨迹规划检验,减少工装在设计阶段可能出现的问题,提高装配效率。

本文采用3个三轴定位器搭建调姿对接模型,利用CATIA DMU运动仿真模块的分析结果评估机翼调姿对接过程中的运动稳定性,为实际的翼身自动调姿对接做好前提准备。

1 机翼调姿对接概述

1.1 机翼调姿对接流程

机翼调姿对接可以抽象为刚体位姿调整的问题[4],即最终实现机翼从初始位置到目标位置调整的过程。调姿对接过程由多个模块共同协调完成,包括测量模块、计算模块、控制模块、定位器模块、检测反馈模块等。测量模块用于调姿对接过程中机翼表面测量点的测量,将测量点信息导入计算模块,完成机翼空间位姿的测定和定位器驱动的逆解,并通过控制模块完成对定位器模块的驱动,实现机翼调姿对接。调姿对接流程如图1所示。

  

图1 调姿对接流程图

1.2 调姿定位器介绍

机翼调姿对接过程中,通常采用三轴定位器调姿。三轴定位器是一种伺服驱动装置,它既可以做为机翼调姿对接过程的调整单元,也是调姿对接全生命周期的支撑单元[5]。能够实现xyz三个方向的平移运动,由x方向基座、y方向滑块、z方向伸缩柱和工艺接头组成的结构原理图如图2所示。通过控制三轴定位器各个方向的运动,实现机翼在对接过程中空间6个自由度位姿调整[6]

  

图2 三轴定位器原理图

2 调姿对接运动仿真

2.1 运动仿真模型搭建

运动仿真需要完成机翼在空间的调姿对接过程,其姿态和位置的调节共有6个自由度需要限制,并且需要不共线的3点支撑才能保证其约束的完备性。因此调姿对接运动仿真的最基本要求是实现机翼的6个自由度调节,这里通过使用3个三轴定位器来完成整个机构的运动。整个机构包括3个运动支链,每个支链由3个滑移副和1个球铰副组成。根据多刚体系统自由度计算公式:

(1)

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M=6×(11-12-1)+(9+3×3)=6

(2)

在CATIA DMU运动分析模块中,只有自由度为0的机构才能进行运动模拟[7],通过运动副和驱动的添加都能减少机构的自由度,运动副已经确定,只需添加6个驱动即可。可以采用3-2-1的定位器驱动方式[8],即第1个定位器为三驱动定位器,第2个定位器为两驱动定位器,第3个定位器为单驱动定位器。

根据某型飞机和定位器的数学模型以及二者的位置关系,在CATIA下建立自动调姿对接运动模型。模型包括:机翼、三轴定位器模型(图3)。模型间的运动接合关系包括定位器各轴上的平移接合以及工艺球头的球铰接合等,如表1所示。

  

图3 机翼和定位器仿真模型

 

表1 构件间的运动接合关系

  

构件1构件2接合关系数量地面(机架)定位器X轴基座固定3定位器X轴基座定位器Y轴滑块棱形接合3定位器Y轴滑块定位器Z轴套筒棱形接合3定位器Z轴套筒Z轴伸缩柱棱形接合3Z轴伸缩柱工艺球头球面接合3工艺球头机翼刚性接合3

2.2 调姿运动轨迹规划

除了引进部分优秀的校外课程资源,我们更应该充分利用校内的教学、科研人员优势,建设好自己的网络课程资源。但目前校内的网络课程存在明显不足,主要有:l.由于资金投入不足,部分课程录制质量不高,后期制作落后;2.由于重视程度不足,对网课的宣传推广不够;3.课程表现形式单一,对学生吸引力弱;4.课程设计不够完善,没有做到真正的“以人为本”,学习者无法真正实现学习内容、学习过程、学习评价的自主性;5.常常仅对本校学生开放,等等。

1) 机翼初始位姿、目标位姿约束条件:

a) 完成机翼姿态3个欧拉角α,β,γ 调整;

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b) 完成0,y,z 方向位置调整;

c) 完成x,0,0 方向上翼身对合过程。调姿对接流程如图4所示。

  

图4 机翼调姿对接流程规划

在工程实践中,实现对上述流程的具体规划,除了获得了已知的初始位姿和目标位姿,还应要求每个调姿阶段的初始速度和终止速度为0。另外,为了使调姿运动光滑连续,还应保证每个阶段的初始加速度和终止加速度为0。在对机翼对接进行运动仿真时,可采用五次多项式拟合来满足上述要求[9],即:

Lt=m5t5+m4t4+m3t3+m2t2+l0

(3)

机身的调姿可以直接由定位器完成这6个参数的调整,但是在机翼调姿对接调姿中,考虑到机翼可能会和机身的叉耳出发生碰撞,将机翼的调姿对接分解成如下3个阶段进行。

 

(4)

2) 机翼速度约束条件:

 

(5)

为:

 

(6)

其中L(t) 为机翼关于时间t 的函数,T 为调姿时间,l0lT 分别为调姿的初始位置和目标位置。将式(4)、式(5)、式(6)的约束条件代入至式(3)方程中,可以解得机翼调姿对接五次多项式的轨迹方程为:

其中:n 为总构件数,g 为运动副数,fi 为各运动副的自由度数(滑移副为1,球铰副为3),可以求得整个调姿机构的自由度数为:

继续采取引育并举的措施,培育和引进行业龙头企业。一是加大龙头企业培育力度,对现有数字出版企业按产业链分类管理,采取“一企一策”分类扶持的措施,全产业链每个节点扶持1-2家龙头企业,3-5家骨干企业,龙头企业、骨干企业带动中小企业发展,实现各环节企业相互支撑,相互融合。市级重点项目原则上由龙头企业和骨干企业牵头,中小企业参与;二是运用招商手段补充产业链缺少环节。根据完善产业链的需要,出台优惠政策,吸引国内行业领军企业来渝设立分部或迁入重庆,或根据重庆市产业发展需要设立相应机构。

 

(7)

2.3 仿真驱动求解

由于三轴定位器接头和机翼机身属于刚性连接,定位器接头的球心在机翼的局部坐标系位置固定。因此,通过上述调姿轨迹规划的轨迹方程可逆解出3个定位器的在对接坐标系中的运动轨迹,从而确定3个定位器各个驱动轴的驱动量。

PiPj 分别为定位器接头球心在对接坐标系和机翼局部坐标系下的坐标, 为机身机翼局部坐标系到全局坐标系的旋转矩阵和原点位置坐标x,y,z,则满足:

 

(8)

3) 机翼加速度约束条件:

由定积分的定义知 ,我们通常将等式的右端称为积分和式的极限,当数列可化为(或等价于)一个积分和式时,用定积分来计算极限是较方便的。

 

(9)

其中c 表示cos ,s 表示sin 。

在调姿过程中,3个平移量x,y,z 和3个旋转量α,β,γ均可通过测量机翼表面的测量点而求得[10]。仿真中假设机翼安装至定位器时所测得的3个平移量和旋转量分别为-100,40,-20 和调姿时间:旋转调姿10 s,位置调整5s,翼身对合10s,整个运动仿真时间为25 s。且由式(7)和式(8)可以解得定位器的驱动量,如图5所示。

根据上述可知,机翼的空间位姿由6个参数量决定,分别是机翼局部坐标系相对于基准坐标系的3个平移量x,y,z 和3个旋转量α,β,γ ,完成这6个参数的调整,即可完成整个调姿过程。

  

图5 定位器位移量曲线

2.4 运动学仿真分析

根据上述轨迹规划逆解出的定位器驱动轨迹,将其导入至已经建立好机翼调姿对接运动仿真模型的CATIA DMU模块,并在各个命令接合处添加编辑公式来应用驱动的轨迹。通过激活检测传感器,测量机翼在运动仿真中速度和加速度变化曲线。由于所测得的线性加速度只有大小,为了符合线性速度变化规律,将加速度曲线导出为EXCEL表格并修改,最终获得符合速度变化规律的加速度曲线。如图6、图7所示。

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图6 机翼质心线性速度随曲线

  

图7 机翼质心线性加速度曲线

参考文献:

3 结语

利用CATIA软件建立翼身调姿对接运动仿真模型,并将整个调姿对接过程分成旋转调姿、位置调整、翼身对合3个阶段,并根据五次多项式方程完成对机翼调姿对接的轨迹规划。按照3个阶段和轨迹规划逆解出驱动器驱动量,对整个调姿过程进行运动仿真,测量出机翼在调姿对接过程中的速度和加速度随时间变化曲线。仿真结果表明:机翼调姿对接可按预期轨迹平稳光滑的从初始位置移动至目标位置,且机翼速度、加速度没有出现突变,验证了轨迹规划的合理性,可为以后定位器运动控制、控制系统设计以及调姿对接轨迹优化奠定基础。

由此可以看出在机翼调姿对接过程中速度的最大值为18.75 mm/s,发生在15 s~25 s的翼身对合过程中,加速度的最大绝对值为5.69 mm/s2,也发生在翼身对合过程中。并且在每个阶段调姿过程中其速度和加速度曲线都较为平整光滑,数值没有突变,仿真结果表明,按照上述轨迹规划,机翼调姿对接运动能够平稳进行。

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此外,对基督宗教的教牧人员进行了以人为本的爱国主义教育和反帝爱国运动。教牧人员在学习过程中,了解社会主义过渡时期的总路线、《中华人民共和国宪法》,启发与提高他们爱国觉悟和思想认识。在这一时期,教牧人员的政治地位也有所提高,部分宗教界人士成为了各级人民代表、政协委员等。如,河南省许昌中华基督教会牧师王某当上了人民代表,经常参加有关会议并发言。在日常生活中,王牧师对中国共产党的信任与日俱增,遇事即向中国共产党组织和人民政府请示,经常向教徒宣传党的政策法规,教育教徒爱国守法,响应政府号召。同时又动员教徒群众购买了三千多万元的经济建设公债,还经常向政府反映本会和外会的情况。

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徐源,沈建新
《机械制造与自动化》2018年第02期文献

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