飛機部件數字化裝配關鍵技術概述

楊婧

摘要：飛機部件數字化裝配作為一種裝配模式，綜合了測量、調姿、控制等技術。測量為條子提供數據支持，控制統領全局，對測量數據進行分析，確定裝配單元的初始狀態，根據比較結果校形，并規劃調姿路徑，驅動數控定位器按既定路徑運動，對裝配單元進行調姿，反復迭代后，確定裝配單元在飛機坐標系內符合設計數模要求，即進行定位和制孔連接。從而解決了裝配單元的定位和連接問題。

關鍵詞：飛機部件；數字化；裝配

1.裝配單元姿態的測量與評價技術

傳統裝配方式下裝配單元姿態主要依靠裝配單元與工裝型架的符合性進行評價，如外形的評價依據是外形卡板，交點的評價依據是交點定位器等。在數字化裝配的條件下，裝配單元的姿態是通過測量確定的。 確定裝配單元的姿態主要通過測量實現，依據測量數據對裝配單元姿態進行評價，從而判定裝配單元與設計數模的符合性。

將裝配單元考慮成為一個剛性體，理論上只要確定這個剛性體上空間不共面的三個點即可定位這個剛體。但實際上裝配單元并非是剛體，所以需要采用更多的點來評價裝配單元的姿態。在數字化裝配的條件下，一般選用裝配單元上設定的基準來評價裝配單元的姿態。這些基準通常選用裝配單元的一些確定的點，且這些基準在裝配過程中是統一的，一致的。在裝配單元本身裝配過程中，這些基準點是裝配單元裝配的基準，在裝配單元姿態的評價過程中，這些點是裝配單元姿態評價的基準。

在確定裝配單元評價的基準后，裝配單元姿態評價就是確定這幾基準的空間坐標。在數字化裝配的條件下，一般采用激光跟蹤儀或I-GPS來確定這些基準的坐標。以激光跟蹤儀為例，在如數控定位器支撐和夾持飛機裝配單元后，在裝配單元的定位基準點上安裝光學靶球，通過激光跟蹤測量系統測量裝配單元上的光學目標點位置，獲得定位基準點位置信息，在數據處理系統里將該位置信息與產品工程數據集給出的基準點目標位置進行比對處理，得到裝配單元裝配位置的修正值，將修正值傳遞給運動控制系統，驅動多個機械隨動定位裝置協調調整裝配單元的位姿，直到裝配單元的位姿達到公差允許范圍內，從而實現裝配單元間的精確定位。

在實際工作中，根據系統布局設計要求，采用激光跟蹤儀和增強參考系統構成裝配系統的空間測量場，增強參考點一般布局在裝配現場的地面或工裝上，主要用于確定跟蹤儀的位置，使測量坐標系與現場裝配坐標系一致。由于跟蹤儀是移動測量設備，其測量坐標系跟隨跟蹤儀的移動而變化。跟蹤儀通過測量并匹配這些增強參考點確定跟蹤儀當前的位置和姿態，從而使在不同站位或不同跟蹤儀的測量值具有統一的坐標系，以利于裝配單元、裝配系統的位置和姿態評價。

2.裝配單元空間六自由度調姿技術

將裝配單元考慮為一個剛體，可將其分解為無數相關聯的點，其中任何一點在空間坐標系內都具有確定的坐標X/Y/Z和α/β/γ三方向轉動的六自由度的任意組合，通過調整這一組合任意坐標值的變化，這一點的姿態就會發生變化，從而帶動相關聯點的變化，因此剛體的姿態就發生了變化?；谶@種原理，剛體就從一個姿態到另一個姿態的變化可以通過X/Y/Z和α/β/γ的任意組合運動實現。如圖1所示。

按照上述調姿原理，在對裝配單元調姿過程中，僅需要對裝配單元施加一定的外力，使其能按照既定的調姿路徑運動，根據并聯機構逆運動原理，可將裝配單元的這種運動分解到三坐標方向運動的定位支撐上，這種支撐裝置就是數控定位器，通過工藝接頭與裝配單元連接，形成并聯機構。

對于剛體而言，在其上確認不共面的三點即能定位這個剛體，即理論上上一個剛體通過不共面的三點支撐且這三點能夠運動即能是這個剛體的姿態發生變化。但實際上，裝配單元并非是一個剛體，所以，在裝配單元進行姿態調整的過程中，需要考慮過約束的問題，使其在運動過程中保持相對的剛性狀態。在實踐上，一般采用四點或六點支撐，或者輔以相應的保形設施，這些支撐點與其連接的支撐裝置（數控定位器）形成一個并聯機構，通過每一個支撐點的三坐標運動，使裝配單元在各支撐點復合運動的過程中進行姿態調整。

裝配單元空間六自由度調姿即基于上述機理分析，對裝配單元的姿態在裝配系統中進行調整的過程。在數字化裝配條件下，裝配單元空間六自由度調姿就是在對裝配單元在裝配系統中姿態評價的基礎上，實現裝配單元自動化調姿定位。

3.裝配單元空間六自由度調姿路徑規劃技術

裝配單元空間六自由度調姿的目的是為了定位，即確定裝配單元在飛機坐標系內的位子。確定裝配單元在飛機坐標系內的位姿后，需要將該姿態與設計數模進行比較，以確定其姿態的符合性。若裝配單元實際測量的姿態不符合設計數模，則需要就其姿態進行調整，使其符合數模。從一個姿態到另一個姿態的變化，裝配單元需要運動一定的路徑。將裝配單元想象成為一個質點，從一點到另外一點可以通過多個路徑實現，其中一條路徑是最優化的，選擇這條最優化路徑的過程就是調姿路徑規劃。一般說來，調姿路徑規劃的約束條件包括裝配單元空間位置幾何關系的約束，各軸驅動力最小，且驅動力平衡，運動速度快且平穩。路徑規劃的算法需要考慮各軸的進給量、運動速度、加速度、加加速度。

按上述分析，裝配單元的空間六自由度調姿過程是一個反復迭代的過程，使裝配單元的實際姿態無限接近理論數模，在規范和誤差許可的范圍內，可認為裝配單元調姿結果符合要求。在調姿完畢后，將數控定位器鎖死，是裝配單元保持調姿后的姿態即定位后，就可以連接。

4.數字化裝配系統集成控制技術

集成控制技術的核心是軟件系統。根據功能分類，其軟件系統包含集成管理系統、數據客戶端、調姿定位控制系統、數字化測量系統等等。各個子系統之間通過工業以太網連接。

根據功能需求，以及實際需要，可將集成管理系統劃分為工藝流程管理模塊、現場過程數據采集模塊、計算分析與仿真模塊、過程監控模塊、異常處理模塊與用戶接口模塊等，構成整個控制系統軟件體系。

（作者單位：中航飛機股份有限公司）