单以才1，何 宁2，杨吟飞2，刘世豪3
（1.南京信息职业技术学院 机电学院，江苏 南京 210023；2.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016；3.海南大学 机械工程学院，海南 海口 570228）
摘 要：为实现现代飞机叠层结构的高效精密制孔，设计了一种埋孔对接定位系统。结合叠层结构材料的非磁性特点，运用磁场定位原理和气压传动技术，对埋孔对接定位系统的机械、电气、控制等部分进行具体设计，并对环氧树脂与PVC组成的叠层试件进行了埋孔对接定位试验。在试件中选定的一组埋孔，置入相应的φ8mm圆柱永磁体；调整霍尔传感器距离试件外侧表面5mm，并使其沿Z型路径进行扫描永磁体。一次扫描后检测孔距的最大误差为0.35mm；将所有圆柱永磁体均旋转过180°后再扫描，两次检测孔距的最大均值误差为0.13mm。研究结果表明，所设计的系统能够满足飞机叠层制孔的定位要求。
关键词：飞机叠层结构；非磁性材料；埋孔对接定位；磁定位；设计与试验
随着现代飞机对叠层制孔精度与效率的要求愈来愈高，国内有关机身制孔单元的法向调姿机构及方法在不断涌现[1-5]。文献[1-5]提出的机构与方法，均建立在制孔标记点已确定的基础上。然而，受对接调姿、制孔冲击、托架变形及自身弱刚性导致弹性变形等因素的影响，显然难以基于叠层结构三维模型预先设定制孔标记点。但该标记点的定位属于制孔的辅助工艺环节，因而一直未能得到世人的足够重视[6]。目前，机身叠层结构确定制孔标记点的方法如下：首先，在叠层内侧工件上设置工艺引导孔（称为“埋孔”）；然后，沿内侧工件的埋孔钻出，确定外侧工件上的制孔位置（即制孔标记点）；最后在制孔标记点位置，利用上述的法向调姿机构及方法，通过制孔单元（或人工）从外侧工件将连接孔加工至规定尺寸。面对日益采用机身自动制孔装备的发展趋势，迫需实现对待制孔标记点的智能定位[8-9]。
工程应用中，有关目标定位的常用技术有：机器视觉、磁场、超声波等。现代飞机叠层结构多采用碳纤维复合材料、钛合金等轻质材料。由于此类材料为非磁性材料，其叠层结构是非透明组件，同时考虑到超声波定位会对其使役性能产生不良影响，故选择磁场定位技术，实现飞机叠层埋孔的自动对接。为解决上述问题，基于此类叠层制孔的现役工艺及其材料的非磁性特点，运用磁场定位原理，研制一种埋孔对接定位系统，以提升现代飞机叠层制孔的加工效率。
机身叠层结构可简化为叠层的外侧工件和内侧工件，埋孔设置在内侧工件上，如图1所示。埋孔对接定位的目的，是利用叠层材料非磁性特性，结合现行制孔工艺，运用磁场定位技术，通过对置入埋孔中的柱型永磁体在线检测，获得外侧工件表面的待制孔标记点位置。
图1 埋孔对接定位原理
Fig.1 Orientation Principle for Docking Buried Hole
对接定位时，首先在内侧工件的埋孔中置入一个柱型永磁体，然后在外侧工件外表面用一磁性传感器检测该永磁体周围磁场强度。当磁性传感器沿图1的Z型检测路径进行检测时，随着磁性传感器接近该永磁体，其检测场强是先由弱变强，再由强逐渐变弱。理论上，所检测的最大场强是位于该永磁体的正上方，磁性传感器可实现与埋孔准确对接。此时磁性传感器在外侧工件表面上的投影点即为待制孔标记点的位置。
3.1 系统组成
依据上述埋孔对接定位原理，结合机身叠层结构表面构型特点及其材料非磁特性，同时兼顾一定制孔区域，设计图2的埋孔对接定位系统。
图2 埋孔对接定位系统
Fig.2 Orientation System for Docking Buried Hole
其中，柔性轨道组件用于吸附叠层外侧工件表面；搬运机构用于带动打标装置实现X、Y双向运动；打标装置包括磁性传感器和打标机构，用于确定叠层埋孔的空间位置，并于外侧工件的制孔位置作下标记点；控制器根据磁性传感器所获得的磁场信息，转换生成搬运机构的控制指令，实现打标机构与埋孔的同轴对接。最后，基于打标机构与磁性传感器之间的位置关系，由控制器控制搬运机构，带动达标机构运行至埋孔位置，并于叠层外侧工件的外表面上打下对应标记点，即待制孔位置。
3.2 电气系统设计
埋孔对接定位系统的电气部分主要包括搬运机构的驱动步进电机、控制打标气缸的电磁阀、磁性传感器和限位传感器。电气系统设计如图3所示。
图3电气系统设计
Fig.3 The Design of Electrical System
图3 中，搬运机构的四个驱动步进电机经其配套的驱动器，受Arduino控制器控制。步进电机驱动器的控制信号均采用使能、方向和脉冲等三种信号，电压均为5V。使能信号为低电压时，步进电机运行，高电压时步进电机不动作。方向信号为电平信号，0V时反转，5V时正转。脉冲信号由单片机发出。用于控制打标气缸的电磁阀使用24V直流电，而控制器输出为5V电压的控制信号。为解决两者电压不匹配，以及后者驱动能力不足的问题，在控制器与电磁阀间设置一个继电器1，选其常开触点用以驱动电磁阀。用于磁场检测的霍尔传感器使用的5V直流电由控制器供给，其输出为模拟电压信号，当检测到磁场S极时电压值变小，若检测到磁场N极时电压值变大，未检测到磁场时电压中等。电感式限位开关用于检测线性模组上滑块的起始位置，其使用24V直流电，输出信号也是24V，与控制芯片电压不匹配。因此，该限位开关的输出信号须经继电器继电器2转换后送至控制器。
3.3 定位流程设计
为确保埋孔对定位的精度与效率，搜寻柱型永磁体时磁场检测分为粗、精扫两阶段，如图4所示。
图4 埋孔对接定位流程
Fig.4 Positioning Process for Docking Buried Hole
粗扫时，读取霍尔元件数据，如果数据大于某一设定值（该设定值根据所用柱型永磁体而定，表明此附近有柱型永磁体），再判断该位置及附近区域是否已被记录；若被记录，则舍弃该点；若未被记录，则记录该点位置，并使柱型永磁体数量加1，如图5（a）所示。精扫时，根据粗扫结果先确定每个柱型永磁体的精扫区，如图5（b）所示。然后调用控制函数对检测到的每个柱型永磁体及附近区域逐行扫描，并读取每点的磁场数据；若数据小于设定值，则舍弃该点；若数据大于设定值，则记录该点坐标。精扫完成后，根据所有场强大于设定值的点坐标，运用坐标均值法求取柱型永磁体的中心坐标，如图5（c）所示。
图5 永磁体检测过程
Fig.5 The Process of Detecting Permanent Magnet
4.1 实验平台
鉴于制造成本，研制的定位系统暂未涉及柔性轨道组件。对接定位系统的搬运机构是由三个运动精度为0.05mm的线性模组构成，如图6所示。其中，X向的两个线性模组呈平行排列，Y向的线性模组安装在X向两个线性模组上。所有线性模组均由步进电机驱动、丝杆传动和导轨-滑块运动副结构组成。为避免安装时步进电机与丝杆间的同轴度误差，两者之间设有弹性联轴器。安装在Y向线性模组上的打标装置又包括磁性传感器和打标机构。磁性传感器是选用霍尔元件，安装在具有微调功能的支架上，可调节霍尔元件与被测工件间的距离。打标机构是由一个双杆气缸（气缸型号为元隆TN20*50）和自制样冲组成。当气双杆缸伸出时，活塞杆端部的自制样冲会在叠层外侧工件外表面上冲出标记点。
图6 试验现场
Fig.6 Testing Site
4.2 实验过程
为方便实验时观察，试件采用环氧树脂实验板与PVC透明软玻璃组合而成，其中环氧树脂实验板上各埋孔间距已知（见表1），软玻璃厚度为3mm。所用柱型永磁体直径为8mm，高度为3mm。实验前，调整霍尔元件至实验板的距离为5mm。被检测孔之间具有一定的间隔距离，以避免相邻埋孔中柱型永磁体磁场分布的相互影响。进行粗、精扫柱型永磁体时，步进电机的脉冲当量为0.15mm，由脉冲当量和脉冲数便可算出磁性传感器的运行距离，并取粗、精扫时设定值为1000。为了确保扫描速率与精度，粗扫时的扫描行距为4mm，精扫时的扫描行距为0.15mm。
4.3 实验结果
埋孔对接定位系统的精度误差，主要来源于机械系统的运动传递误差和磁钢磁场偏心误差。为尽量抑制柱型永磁体磁场偏心分部对埋孔接定位精度的影响，将同一埋孔中的柱型永磁体先后转过180°，进行两次检测。以A孔中心为原点，各柱型永磁体测量结果如表1所示。表（1）中的（+）表示孔距检测误差偏大，（-）表示孔距检测误差偏小。由表1数据可知，第1次和第2次测量最大偏差是0.35mm；若以两次测量位置的平均坐标应为柱型永磁体中心坐标，测量最大偏差是0.13mm。由此可见，设计的埋孔对接定位系统能够满足现代飞机叠层结构装配制孔的精度要求（最大误差±0.5mm）。工程应用时，需要根据被检测叠层结构的厚度，合理选择柱型永磁体直径，即在叠层结构内侧工件上预设相应的埋孔直径。
表1 对接定位误差分析
Tab.1 Orientation Error Analysis for Docking
被测中心距 测量值测量偏差测量值测量偏差AB 50 50.10 0.10（+） 49.95 0.05（-） 50.03 0.03（+）AC 100 100.05 0.05（+） 99.90 0.10（-） 99.98 0.02（-）DE 50 50.25 0.25（+） 49.95 0.05（-） 50.10 0.10（+）DF 100 99.75 0.25（-） 100.20 0.20（+） 99.98 0.02（-）GH 50 50.10 0.10（+） 49.95 0.05（-） 50.05 0.05（+）GI 100 100.20 0.20（+） 99.75 0.25（-） 199.95 0.05（-）AD 60 60.15 0.15（+） 60.00 0.00（+） 60.08 0.08（+）AG 130 130.05 0.05（+） 130.05 0.05（+） 130.05 0.05（+）BE 60 60.15 0.15（+） 59.85 0.15（-） 60.00 0.00（+）BH 130 130.35 0.35（+） 129.90 0.10（-） 130.13 0.13（+）CF 60 60.15 0.15（+） 59.85 0.15（-） 60.00 0.00（+）CI 130 130.05 0.05（+） 129.9 0.10（-） 129.98 0.02（-）实际孔距/mm第1次测距/mm 第2次测距/mm 测量孔距均值/mm孔距偏差均值/mm
针对飞机碳纤维复合材料、钛合金、高强度铝合金等非磁性材料的叠层结构，研制了一种专用的埋孔对接定位系统。实验结果表明，该定位系统的定位精度能够满足现代飞机叠层装配制孔的技术要求。为进一步完善该定位系统的工程应用能力，可将柱型永磁体头部设计呈锥型，根据叠层结构厚度合理选用柱型永磁体，还需加快对柔性轨道组件的技术攻关。随着机器人自动制孔技术在飞机总装配过程中的应用不断推进，叠层埋孔对接定位系统在我国支线飞机ARJ21和大客C919的整机装配中将具有一定的应用前景。
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Design and Experimental Research of Positioning System for Docking Buried Hole in Aircraft Stacks
SHAN Yi-cai1，HE Ning2，YANGYin-fei2，LIU Shi-hao3
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Nanjing College of Information Technology，Jiangsu Nanjing 210023，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing 210016，China；3.School of Mechanical Engineering，Hainan University，Hainan Haikou 570228，China）
Abstract：To realize high efficiency and precision of assembly making holes in modern aircraft stacks，a positioning system for docking buried hole was designed.The principle of magnetic field orientation and the technology of pneumatic transmission were used for detail design of the mechanical,electrical and control modules in the position system according to the nonmagnetic characteristics of laminated structural materials.Then，the experiment was carried out for docking buried holes in the specimen composed of epoxy resin and PVC.Someφ8mm cylindrical permanent magnets were put into selected buried holes.Hall sensor was adjusted to meet distance of 5 mm from the laminated specimen surface and moved along with Z type path to detect cylindrical permanent magnet.The maximum measuring error is 0.35 mm at once time.Next，the cylindrical permanent magnet was rotated 180 degrees，and the detection was made again.The maximum average measuring error of the two detection modes is 0.13 mm.Research results show the system in the paper can satisfy the positioning requirement of assembly making holesin aircraft stacks.
Key Words：Aircraft Stacks；Nonmagnetic Material；Buried HoleDocking Position；Magnetic Positioning；Designand Test
中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）12-0145-04
来稿日期：2017-06-03
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51405115），江苏省青蓝工程（2016-4）
作者简介：单以才，（1976-），男，江苏响水人，博士研究生，副教授，主要研究方向：高速高效加工技术与装备和机器人自动制孔技术
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