某大型飛機(jī)機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配測量調(diào)姿技術(shù)應(yīng)用研究

孫安全

（空裝駐西安地區(qū)第五軍事代表室，陜西 西安 710072）

近年來，隨著需求的不斷提高，我國已陸續(xù)開展了大型飛機(jī)的研制生產(chǎn)。大型飛機(jī)由于尺寸龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量巨大，致使協(xié)調(diào)關(guān)系繁多，飛機(jī)裝配的工作量占整個(gè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造總勞動(dòng)量的一半左右，甚至更多。傳統(tǒng)模擬量傳遞的制造方法已無法滿足大尺寸弱剛性組件的裝配需求，國內(nèi)科研院所、高校和航空制造企業(yè)為解決這一難題，吸收國外先進(jìn)飛機(jī)制造經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，開始發(fā)展具有自主創(chuàng)新思想的數(shù)字化裝配技術(shù)，研究設(shè)計(jì)制造數(shù)字化裝配系統(tǒng)。

實(shí)踐證明，數(shù)字化裝配技術(shù)對(duì)我國飛機(jī)制造發(fā)展起到了至關(guān)重要的促進(jìn)作用，深入發(fā)展和應(yīng)用數(shù)字化裝配技術(shù)不僅能夠有效提高飛機(jī)制造效率和質(zhì)量，也能夠有效促進(jìn)我國飛機(jī)生產(chǎn)觀念的改變，使我國飛機(jī)裝配中的薄弱環(huán)節(jié)得到有效的完善。大型飛機(jī)的機(jī)翼翼盒裝配技術(shù)是整機(jī)裝配的關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)橄啾扔跈C(jī)身類部件，機(jī)翼承載著更多的載荷，所以對(duì)它的外形、結(jié)構(gòu)、布局、制造誤差及裝配精度都有著更高的要求。因此，數(shù)字化裝配技術(shù)在機(jī)翼翼盒裝配中的應(yīng)用與研究就變得十分迫切。本文針對(duì)某型機(jī)翼翼盒裝配過程中前后緣、壁板組件的數(shù)字化測量與調(diào)姿定位過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，研究并總結(jié)數(shù)字化裝配技術(shù)在機(jī)翼裝配過程中產(chǎn)生的效果與影響。

1 機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)構(gòu)成

某大型飛機(jī)機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)外翼翼盒數(shù)字化裝配、自動(dòng)化加工而設(shè)計(jì)制造，主要由數(shù)字化調(diào)姿定位系統(tǒng)、數(shù)字化測量系統(tǒng)及自動(dòng)化制孔系統(tǒng)等幾部分組成。該裝配系統(tǒng)可以完成某大型飛機(jī)外翼翼盒前后緣、上下壁板的自動(dòng)化調(diào)姿定位，上下壁板與骨架的預(yù)連接與制孔，具備數(shù)字化測量、調(diào)姿、定位、制孔等多項(xiàng)功能，整個(gè)加工過程涉及激光跟蹤儀、數(shù)控定位器、自動(dòng)制孔等多種設(shè)備的相互協(xié)同，是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

2 數(shù)字化測量與調(diào)姿定位

某大型機(jī)機(jī)翼翼盒部件主要由固定前緣、固定后緣、上壁板、下壁板、翼肋等構(gòu)成，該數(shù)字化裝配系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)固定前緣、固定后緣、上壁板、下壁板四個(gè)組件的數(shù)字化測量和調(diào)姿定位。在整個(gè)調(diào)姿定位過程中，數(shù)字化測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)建立和執(zhí)行測量任務(wù)，由激光跟蹤儀測量調(diào)姿對(duì)象上的測量/監(jiān)控點(diǎn)在裝配系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)測值數(shù)據(jù)并提供給數(shù)字化調(diào)姿系統(tǒng)，數(shù)字化調(diào)姿系統(tǒng)通過實(shí)測值、理論值計(jì)算分析當(dāng)前位姿和最佳調(diào)姿路徑，形成調(diào)姿執(zhí)行程序并驅(qū)動(dòng)多臺(tái)數(shù)控定位器對(duì)組件進(jìn)行聯(lián)調(diào)。通過測量、分析、調(diào)姿過程的不斷迭代，最終實(shí)現(xiàn)大尺寸弱剛性組件的高精度調(diào)姿和定位，在整個(gè)過程中，信息流控制著整個(gè)裝配系統(tǒng)的快速精準(zhǔn)運(yùn)行。

2.1 固定后緣組件的測量與調(diào)姿定位

固定后緣在后梁、固定后緣裝配站位裝配完成后，依次在后梁本體安裝六組與調(diào)姿定位系統(tǒng)中球窩位置相對(duì)應(yīng)的工藝球頭。在產(chǎn)品吊裝上架前，應(yīng)用數(shù)字化測量系統(tǒng)的自動(dòng)測量模塊測出該六組工藝球頭的空間位置并擬合出球心位置。工藝集成管理系統(tǒng)的計(jì)算分析仿真模塊會(huì)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)工藝球頭的球心位置計(jì)算匹配出后緣調(diào)姿定位系統(tǒng)中球窩的位置，然后將后緣組件吊裝至機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)的后緣調(diào)姿定位系統(tǒng)中。固定后緣組件上架時(shí)，固定后緣組件連同工藝球頭落入預(yù)先匹配好位置的調(diào)姿定位器球窩內(nèi)。使用數(shù)字化測量系統(tǒng)的自動(dòng)測量模塊測出布置在過渡托板上的OTP點(diǎn)，測量值反饋至工藝集成管理系統(tǒng)中，并與飛機(jī)坐標(biāo)系下的理論值進(jìn)行比較計(jì)算最終擬合出后緣組件的最佳位姿。通過調(diào)姿定位系統(tǒng)完成后緣組件的調(diào)姿定位。

在調(diào)姿過程中，由均布的調(diào)姿數(shù)控定位器對(duì)整個(gè)后緣組件進(jìn)行支撐，保證了整個(gè)固定后緣在調(diào)姿過程中的整體剛度。當(dāng)后緣按最佳姿態(tài)調(diào)整完成后，將球窩上的球鉸調(diào)至鎖死狀態(tài)，然后將輔助支撐定位器上升至輔助支撐位置并打開真空吸盤，保證輔助定位器與后梁平面貼實(shí)。最后，將所有交點(diǎn)定位器全部上升至理論位置并插上工裝定位銷。在調(diào)姿定位過程中，調(diào)姿定位器、輔助支撐定位器有效地保證了20余米固定后緣組件的整體剛度，避免了因固定后緣組件剛性不足產(chǎn)生的調(diào)姿不準(zhǔn)、定位精度不高影響產(chǎn)品后續(xù)裝配精度的質(zhì)量問題，同時(shí)，數(shù)字化測量和調(diào)姿定位技術(shù)的應(yīng)用大幅提升了二次定位精度，降低了二次定位過程中的裝配應(yīng)力集中。

2.2 固定前緣組件測量與調(diào)姿定位

固定前緣組件完成裝配后，先將固定前緣與固定前緣上架輔助工裝進(jìn)行組合，然后將固定前緣轉(zhuǎn)接板工裝與固定前緣的加強(qiáng)隔板進(jìn)行連接。

利用數(shù)字化測量系統(tǒng)的自動(dòng)測量模塊對(duì)前緣上架輔助工裝上的工藝球頭在空間中的相對(duì)位置進(jìn)行測量擬合出球心位置，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)系統(tǒng)配置出壁板數(shù)控定位器的位置，保證球頭與球窩的相對(duì)位置關(guān)系。

固定前緣組件上架時(shí)將固定前緣輔助工裝上的工藝球頭落入預(yù)先配置好的壁板數(shù)控定位器球窩內(nèi)，然后測量轉(zhuǎn)接板上設(shè)置的OTP點(diǎn)，測量值與工藝集成管理系統(tǒng)中飛機(jī)坐標(biāo)系下的理論值進(jìn)行比較計(jì)算，最終擬合出一個(gè)前緣組件的最佳姿態(tài)，最后操作前緣調(diào)姿定位軟件完成前緣組件的調(diào)姿定位。

固定前緣組件測量與調(diào)姿技術(shù)的應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)裝配中固定前緣上架、調(diào)整、定位困難的問題，可以實(shí)現(xiàn)固定前緣組件的快速高精度定位。固定前緣上架輔助工裝可以有效地提高固定前緣在調(diào)姿定位過程中的剛性。

固定前緣與裝配系統(tǒng)中的固定前緣工裝定位器連接后，采用數(shù)字化測量系統(tǒng)的自動(dòng)測量模塊對(duì)固定前緣產(chǎn)品上預(yù)先選取的測量點(diǎn)進(jìn)行測量，測量固定前緣因自身重力產(chǎn)生展向下滑量值，最終通過前緣調(diào)姿定位軟件對(duì)固定前緣組件進(jìn)行展向同步微調(diào)，以抵消固定前緣自身重力對(duì)定位精度的影響，可大幅提高固定前緣的定位精度，提高機(jī)翼翼盒組件整體的協(xié)調(diào)性。

2.3 機(jī)翼壁板組件的測量與調(diào)姿定位

機(jī)翼壁板在組件裝配站位完成裝配后，在機(jī)翼壁板組件裝配工裝系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行激光跟蹤儀建站，對(duì)布置在壁板保型框上的工藝球頭空間位置進(jìn)行測量。根據(jù)實(shí)際的測量值擬合及空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，計(jì)算出與工藝球頭匹配的機(jī)翼翼盒裝配系統(tǒng)的壁板數(shù)控定位器位置。機(jī)翼壁板數(shù)控定位器位置配置完成后，把機(jī)翼壁板吊裝至機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)，將主保型框球頭分別落入數(shù)控定位器上對(duì)應(yīng)的球窩內(nèi)，完成機(jī)翼壁板上架。

機(jī)翼壁板上架完成后，對(duì)布置在壁板內(nèi)型面上的調(diào)姿測量點(diǎn)進(jìn)行測量，系統(tǒng)根據(jù)測量點(diǎn)的空間位置與壁板在飛機(jī)坐標(biāo)系下的理論位置進(jìn)行比較計(jì)算，得出壁板在翼盒裝配系統(tǒng)中的最佳姿態(tài)，之后系統(tǒng)會(huì)對(duì)壁板調(diào)姿及對(duì)合過程中的路徑進(jìn)行規(guī)劃，操作調(diào)姿軟件完成整個(gè)壁板的調(diào)姿定位。

機(jī)翼壁板組件測量與調(diào)姿技術(shù)的應(yīng)用，解決了大尺寸弱剛性機(jī)翼整體壁板的高精度測量、調(diào)姿、保形技術(shù)難題，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)翼壁板組件的快速高精度定位，可大幅減少機(jī)翼壁板調(diào)姿定位過程中的應(yīng)力集中，降低吊裝、定位安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)機(jī)翼裝配質(zhì)量有極大的提升促進(jìn)作用。

2.4 小結(jié)

相比傳統(tǒng)裝配方法，數(shù)字化測量與調(diào)姿精準(zhǔn)地保證了固定前后緣、上下壁板組件的定位姿態(tài)，最大限度地消除了裝配應(yīng)力。在定位效率上，通過仿真模擬優(yōu)化路徑，也具有一定優(yōu)勢(shì)。表1是數(shù)字化裝配及傳統(tǒng)裝配兩種模式下前后緣及壁板組件的調(diào)姿定位精度及調(diào)姿定位時(shí)間，可以看出數(shù)字化裝配相比于傳統(tǒng)裝配調(diào)姿定位精度提高近20%，同時(shí)調(diào)姿定位的時(shí)間節(jié)約近一半。

表1 兩種裝配形式下前后緣及壁板調(diào)姿定位精度及時(shí)間

3 結(jié)語

某大型飛機(jī)機(jī)翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了翼盒產(chǎn)品從組件到部件的全流程數(shù)字化裝配，其中應(yīng)用的數(shù)字化測量與調(diào)姿定位技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)裝配節(jié)約了近50%的時(shí)間，產(chǎn)品的調(diào)姿定位精度提高近20%。通過此次應(yīng)用研究，證明數(shù)字化測量調(diào)姿技術(shù)，在翼盒類部件的裝配當(dāng)中具有較大的應(yīng)用前景，可以經(jīng)過不斷完善持續(xù)推廣。