基于關鍵測量特性的飛機裝配工裝在線檢測

王 巍，高雪松，俞鴻均，穆志國

（沈陽航空航天大學　航空航天工程學部，沈陽 110136）

?

基于關鍵測量特性的飛機裝配工裝在線檢測

王 巍，高雪松，俞鴻均，穆志國

（沈陽航空航天大學航空航天工程學部，沈陽 110136）

摘 要：現代飛機裝配工裝在裝配一定數量的產品后需要進行檢測，以確定該工裝是否還能滿足使用要求。現行的工裝檢測方法無法檢測出工裝定位型面的磨損，且檢測效率較低。通過基于關鍵特性測量的飛機裝配工裝在線檢測技術的研究，利用激光測量設備，通過最小二乘法建立工裝坐標系，實時監測工裝各關鍵部位，以完成對飛機裝配工裝的檢測。結合某型飛機艙門裝配工裝的檢測過程，以驗證方法可行性。

關鍵詞：關鍵測量特性；飛機裝配工裝；激光測量設備；在線檢測

0　引言

飛機結構復雜，零件繁多，通過單個零件的形狀和尺寸加工的準確度來保證裝配精度是行不通的。因此必須要引入大量具有定位功能的輔助設備完成飛機的裝配，以達到產品在從零件到組件再到部件最終直到整機的飛機裝配過程中的制造精度和互換協調性［1］。

裝配的準確度在很大程度上決定著飛機的制造精度，而飛機裝配的準確度又與裝配工裝的準確度息息相關。新一代飛機的使用要求對飛機的裝配準確度提出了更高的要求，作為飛機裝配精度的保障，裝配工裝的制造和裝配精度必須要精益求精，來滿足日益嚴格的飛機裝配精度需要。

從飛機最原始的飛機制造階段到現在，飛機裝配工裝的制造與裝配技術都有了巨大的變化。從開始的通過通用測量工具安裝，到后來的標準樣件安裝，再到型架裝配機和光學儀器安裝，時至今日，數字化測量設備的大量使用使得工裝裝配技術在飛機裝配新需求產生了革命性的突破［2］。目前國內航空企業普遍采用的工裝裝配方法是通過數字化測量設備檢測技術，基于激光跟蹤儀，電子經緯儀和iGPS等數字化測量系統，對飛機裝配工裝各零部件進行實時在線監測，并通過相應的方法，保證工裝裝配誤差在公差范圍之內。

由于裝配場地及工裝尺寸等條件限制，一般在工裝裝配時常采用激光跟蹤儀實施實時監測。激光跟蹤儀是目前在國內應用最廣泛的數字化高精度測量設備，其測量范圍廣，測量精度高，采集數據的速度快、數量多，能夠實現裝配過程的數字化測量［3］，在大型產品的制造裝配中有廣泛的應用。

1　現行飛機裝配工裝檢測方法

現在的工裝設計是基于MBD技術完成的，設計完成后各零件均采用數控機床加工，MBD技術和數控加工技術在飛機裝配工裝生產中的使用極大地提高了工裝零部件的制造準確度，以此方法制造大幅提高了零件制造互換協調性。為方便激光跟蹤儀測量系統在飛機裝配工裝檢測中的使用，工裝設計時，在框架上設計基準工具球點（TB點），在工裝定位器上設計OTP點，通過光學工具球對這些測量點的實時監測，確保工裝的精度能夠達到飛機產品的使用要求。

工裝安裝完成后，為驗證裝配好的工裝是否滿足產品的使用要求，需使用測量系統檢測及零部件裝配檢測對工裝進行檢測。在使用一段時間后，由于裝配過程中，工人會在工裝型架上對產品進行鉆孔，锪窩，鉚接等操作，對工裝零件產生載荷，使其位置發生偏離或零件發生形變，因此需對工裝進行定檢。

在飛機裝配工裝檢測時，激光跟蹤儀系統會測量每一工裝零件上工具球的坐標值，與設計時給定的理論值做比對，工具球理論值均可在MBD數據集中獲得。檢測過程中需監測工具球點的坐標值，當實測值在工裝設計時所給定的公差范圍內時，零件在空間中的位置即為正確的工裝裝配位置。若實測值不在公差范圍之內，則需根據工具球點的實測值與理論值調整零件在空間中的位置，直到實測值符合公差為止。

卡板、工裝定位器通過“六點定位原則”在空間中的確定其位置［4］，通過三個點值限制零部件的在空間中的六個自由度從而確定零件的空間位置。每一個工裝定位器的定位面上都會至少有兩個光學工具球點（OTP）襯套孔［5］，以便在測量時放置工具球。在測量僅有兩個OTP襯套孔的定位器時額外需要一個雙點球座輔助測量，另外的孔使用普通球座，三個OTP襯套孔以上的定位器使用普通球座即可測量。

對于大型復雜工裝檢測，一臺激光跟蹤儀在一個站位下無法將所有工具球點測量完畢，需在多個站位下測量，這是就需要轉站。為滿足激光跟蹤儀測量系統的工作要求，可通過在工裝上標定基準ERS點構建工裝增強基準坐標系快速精確測量。

圖1　激光跟蹤儀測量安裝工裝過程

2　基于關鍵測量特性的飛機裝配工裝在線檢測

傳統的飛機裝配工裝檢測方法為保證型面在空間中的準確位置，對于除了定位器和卡板上的工具球孔需要測量外，每個與定位器相連的零件都需要測量，以保證才尺寸傳遞時不會出現偏差。這種檢測方法的工作量太過龐大，工作效率低。

2.1關鍵測量特性

針對上述情況，結合飛機制造關鍵特性，提出了基于測量關鍵特性的飛機裝配工裝在線檢測。在飛機制造的過程中，若某個特性的改變會對產品的互換協調性產生巨大的影響，那么這個特征即為關鍵特性［6］。對于飛機整機，關鍵特性是要保證飛機的氣動表面外形；對于飛機部件，關鍵特性是要保證各個部件問交點處互相協調的準確性，如交點孔位置度、同軸度，連接面的輪廓度；對于飛機零件，關鍵特性是各個零件上定位孔、定位面、工藝孔等的位置度。測量關鍵特性即根據裝配工藝和現場測量條件在產品上提取的需要檢測的對互換協調性影響較大的幾何特征。

飛機裝配工裝的目的是保證飛機產品的裝配精度，滿足產品的精度要求，所以對產品互換協調性產生巨大影響的飛機產品的關鍵特性可以一一對應到裝配工裝上（例如保證外形的卡板，保證長桁位置的定位器，以及定位銷、定位孔等），通過飛機產品的關鍵特性，就能得到產品工裝的關鍵特性。

圖2　工裝上的關鍵測量特性

2.2在線測量技術

在線測量技術是通過數字化測量設備對產品的零組件裝配過程進行監測并將數據實時的反饋。通過測量軟件進行理論數模與實際位置的比對，得出目前的裝配誤差，從而控制可移動裝配定位器精確定位［7］。

在對飛機裝配工裝進行在線檢測時，使用激光跟蹤儀構建在線測量系統，如圖3所示。

圖3　基于激光跟蹤儀的在線檢測系統

在激光跟蹤儀在線測量系統的測量軟件中建立工裝坐標系，并將工裝數模導入到軟件系統中，通過光學工具球實時跟蹤關鍵測量特征的空間位置，通過與數模比對實現工裝在線測量。根據實時測量達到的數據，通過對定位器的微調使誤差在公差帶范圍之內，使工裝符合產品的使用性要求。

2.3工裝坐標系的建立

基于MBD技術的工裝檢測，首先需要確立測量坐標系。一般是用數字化測量系統測得工裝坐標系基準點點值（TB點點值）［8］和來自MBD數字化模型上基準點的理論值，通過最小二乘法擬合［9］得到測量時使用的坐標系。其中所有的工具球點理論值都可以在產品工裝的數模中找到。

假設基準點的理論值為Pi=（Xi，Yi，Zi）T，實測值為Pi'=（Xi，Yi，Zi）T，i=1，2，3，4。用最小二乘法解下面的函數：

設：

記：

可以得到理論坐標系和測量坐標系的最優解和。

圖4　工裝坐標系擬合示例

2.4基于關鍵特性測量的飛機裝配工裝檢測

基于工裝關鍵測量特征的在線檢測技術，是參照設計要求和產品的使用要求，采用數字化高精密測量設備，依據產品的關鍵測量特性進行檢測工裝相應位置的輪廓度、平面度、位置度、同軸度等［10］，取代以往通過OTP點的檢測間接確定工裝定位器空間位置，并實時反饋以指導工裝修配。這樣不僅可以精確地檢測出工裝是否滿足功能性要求，同時減少了檢測人員的工作量，提高了檢測效率。

激光跟蹤儀測量系統的數據采集可以得到測量關鍵特性得到實測值，通過MBD數字模型可以得到理論值，這樣就可以在測量系統軟件中直觀得出基準點理論值與測量值的擬合結果。在測量開始時，建立工裝坐標系的方法與傳統方法一致，都是通過TB點的理論值與實測值擬合建立坐標系。通過激光跟蹤儀測量系統重新對工裝上關鍵測量特征進行測量，實際的關鍵測量特征與MBD數字模型上的差距。根據測量軟件給出的實時監測結果對工裝進行適當調整，以保證裝配工裝能滿足產品的使用要求，能裝配出合適產品。

這樣做保證了定位面，定位孔等關鍵特征的準確位置，同時省去了傳統方法檢測工裝時，為保證定位面等的準確位置需對尺寸鏈上所有零件進行測量，大大減小了工作量，提高了工作效率。同時，若關鍵特征發生形變，這種方法可以將其很直觀的反給工人，這樣可以節省部分查找問題的時間。

圖5　實時監測窗口及數據顯示

3　關鍵測量特性在飛機艙門裝配工裝在線檢測中的應用

選用某型號飛機的艙門裝配工裝為例，使用測量關鍵特性的方法進行檢測。

3.1導入數據

在開始測量之前，需先將工裝的MBD數字化模型導入到激光跟蹤儀測量系統計算機軟件之中，以方便后期對于坐標系建立后的實際檢測。這其中包括工裝骨架上用來建立坐標系的工具球孔坐標理論值與含有測量關鍵特性工裝的MBD數模。數模可以是完整的工裝數模，也可以是僅僅提取出關鍵測量特性的數模。

3.2建立工裝坐標系

通過激光跟蹤儀測量系統測量工裝骨架上的TB點（一般TB點的數量要多于4個），在測量數據處理軟件中通過最小二乘法擬合理論值建立工裝坐標系。在建立坐標系時，盡量保證坐標系誤差在0.10mm以內，若坐標系建立后其誤差超過0.010mm則需重新測量建立坐標系。

在實際工作中，對基準點進行測量，實測值會受到大氣壓強、環境溫度、噪音等多種因素影響，即需要把測量誤差補償到實測值中。

3.3檢測工裝零件

將光學工具球放在關鍵測量特征上，用激光跟蹤儀測量系統實時監測的工具球坐標值，利用SA軟件本身自帶的功能與MBD數字化模型給出的理論值作比對。由于實際坐標值與理論坐標值之間必定存在誤差，適當調整零件位置，使得誤差值達到設計時給出的公差帶范圍之內，即確定了零件的正確位置。如果在測量型面時發現坐標值激變，說明該處存在人為損壞，需對該零件進行修配，若已無法修配，則需更換零件。在需修配時，通過實施監視窗口所反映的數據，通過向相應方向加墊片等措施，將定位面調整到公差范圍之內。

在測量時，在一個站位下肯定無法將所有的測量關鍵特征全部測完，需進行多次轉站測量。因此，在選擇站位時要考慮到重定位誤差帶來的影響，盡量可以測到盡可能多的關鍵測量特征的站位。

4　結束語

基于測量關鍵特征在線檢驗飛機裝配工裝，相比現行的工裝檢驗方法提高了飛機裝配工裝的制造與安裝精度，有效的保證了飛機產品的精度要求。有效防止了現行工裝檢測方法無法發現定位面小幅損傷，檢修后產品不合格問題的出現。因為工作量的減少，極大地提高了工裝檢測的工作效率。

在不久的將來，國內航空制造企業要向國外先進的航空制造企業靠攏，實現無型架裝配。通過數字化在線測量系統，飛機產品只需要支撐工裝，即可通過對飛機關鍵特性的實時在線監測完成飛機裝配，不再需要一系列的裝配工裝，這將有效的降低飛機產品在制造過程中的誤差，大幅提高飛機產品裝配質量。

圖6　實時修配監視

參考文獻：

［1］ 劉洪.飛機工裝設計制造技術探討［J］.航空制造技術，2006（12）：69-71.

［2］ 范玉青，梅中義，陶劍，等.大型飛機數字化制造［M］.北京：航空工業出版社，2011.9.

［3］ 李廣云.LTD500激光跟蹤測量系統原理及應用［J］.測繪工程，2001（12）：3-8.

［4］ 全志民，唐文彥，劉建新，等.基于激光跟蹤儀和坐標測量臂的工業測量系統［J］.計量技術，2008（5）：13-16.

［5］ 王巍，楊亞文，安宏喜，張哲.基于數字化測量的飛機型架裝配技術研究［J］.2014（21）82-85.

［6］ 陳哲涵，杜福洲，唐曉青.基于關鍵測量特性的飛機裝配檢測數據建模研究［J］.航空學報，2012.33（11）：2143-2152.

［7］ 王巍，俞鴻均，安宏喜，谷天慧.大型飛機數字化裝配在線測量技術研究［J］.航空制造技術，2015（7）：48-52.

［8］ 鄒愛麗，王亮，李東升，等.數字化測量技術及系統在飛機裝配中的應用［J］.航空制造技術，2011（21）：5-6.

［9］ 韓清華，鄭保，郭宏利，等.采用激光跟蹤儀測量飛機外形［J］.航空計測技術，2004，24（1）：15-16，33.

［10］ 劉志存，鄒冀華，范玉青.飛機制造中關鍵特性的定義與管理［J］.計算機集成制造系統，2007，13（10）：2013-2018.

Aircraft assembly tooling on-line detection based on key measurement characteristics

WANG Wei， GAO Xue-song， YU Hong-jun， MU Zhi-guo

中圖分類號：V262.4+2

文獻標識碼：B

文章編號：1009-0134（2016）05-0107-04

收稿日期：2016-01-04

作者簡介：王巍（1965 -），女，教授，博士，研究方向為數字化飛機制造技術、飛機裝配工裝的通用性及模塊化設計。