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基于力伺服控制的铆接顶铁装置研究

摘要

铆接是最常见的一种机械连接方式，通过使用铆钉将两个以及多个元件固定在一

起，这种连接方式在航空航天领域中发挥重要的作用。铆接的性能直接影响了飞机的

可靠性。随着社会的发展利用机器进行铆接逐渐取代了传统的手工铆接。然而在机器

进行铆接工艺的过程中，由于装配工序较为复杂且机器不具备人的决策能力，这使其

工作效率大大降低，对机器的设定极为复杂，因此通过人机协作的方法实现铆接工艺

已经成为了航空制造领域中的研究热点问题。本文以顶铁装置为研究背景，针对顶铁

装置存在的结构和控制问题，分别对顶铁装置的功能需求、机械结构、硬件电路以及

控制方法等问题进行了较为深入的研究。

本文对顶铁装置的总体方案进行设计，主要包括顶铁装置的功能需求分析和结构

方案设计，对顶铁装置的控制器、传感器、直线模组、直线导轨、减速机、交流伺服

电机、伺服驱动器等主要元件进行选型，并对顶铁装置的控制方案进行设计。

进行铆接实验得出铆钉的支撑装置所需要的特性。并对空气铆枪进行动力学分析

以及有限元分析以得到在铆接过程中铆钉的钉杆部位与支撑装置之间的接触力变化，

并根据接触力的最大值对顶铁装置进行模态分析以验证所设计顶铁装置的模态特性。

对顶铁装置的控制系统进行设计。对顶铁装置各主要元件的硬件电路进行设计。

建立永磁同步电机与顶铁装置Y轴的直线模组的数学模型后设计模糊PID控制器对直

线模组进行位置控制，利用基于PID力伺服控制实现直线模组的力控制。利用

Matlab/Simulink工具对伺服系统进行了分析。并分析其控制方法的稳态误差。

按照所设计的电气原理图搭建顶铁装置Y轴实验平台并对顶铁装置进行摩擦与阻

尼辨识。进行位置控制与力控制的实验验证：利用dSPACE半物理仿真平台作为控制器

验证顶铁装置的铆钉定位系统受冲击扰动时的位置控制响应，以及铆钉预紧力系统的

力控响应。设计顶铁装置的上位机操作界面，在可编程控制器上进行控制程序的编写

以实现所设计的顶铁装置的功能。

关键词：顶铁装置；永磁同步电机；力伺服控制；模糊PID控制

基于力伺服控制的铆接顶铁装置研究

Abstract

Rivetingisthemostcommonmechanicalconnectionmethod,whichusesrivetstofixtwo

ormorecomponentstogether.Thisconnectionmethodplaysanimportantroleintheaerospace

field.Theperformanceofrivetingdirectlyaffectsthereliabilityoftheaircraft.Withthe

developmentofsociety,theuseofmachinesforrivetinghasgraduallyreplacedtraditional

manualriveting.However,intheprocessofmachineriveting,duetothecomplexassembly

processandthelackofhumandecision-makingability,theefficiencyofthemachineisgreatly

reduced,andthesettingofthemachineisextremelycomplex.Therefore,achievingriveting

technologythroughhuman-machinecooperationhasbecomeahotresearchtopicinthefieldof

aerospacemanufacturing.Thisarticletakesthetopirondeviceas