飛機大部件數字化對接關鍵技術研究

摘要：飛機大部件數字化對接對于實現飛機總裝的柔性化、自動化及數字化有著重要的意義，能夠提升生產效率，提升對接質量，降低制造成本。基于此，文章從對接系統布局、大部件對接位姿調整、數字化測量和精確定位、集成控制、定位精度提升機安全設計六個方面研究了飛機大部件數字化對接的關鍵技術。

關鍵詞：飛機裝配；大部件對接；數字化；位姿調整；定位器 文獻標識碼：A

中圖分類號：V262 文章編號：1009-2374（2017）02-0012-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.006

飛機裝配是飛機制造過程中的關鍵環節，大部件數字化對接以數字量裝配協調為基礎，利用定位器、測量系統、集中控制系統等共同組成大部件數字化對接系統，以技術要求為根據，支撐大部件，調整大部件位姿，實現大部件的精確對接。飛機大部件數字化對接打破了傳統裝配方式的局限性，提升了對接自動化水平，對于實現飛機總裝柔性化、數字化有著重要的作用。就目前來看，我國飛機大部件數字化對接技術取得了一定的成果，但整體應用水平還比較低，需要進一步優化數字化對接技術。基于此，本文簡要研究了飛機大部件數字化對接的關鍵技術。

1 對接系統總體布局

飛機大部件數字化對接系統的整體布局是一項系統性的工程，涉及到的因素眾多，例如大部件對接工藝流程、飛機產品結構設計、裝配平臺安裝、對接系統安裝方式等，在布局的過程中，需要協調考慮上述因素，保證對接系統總體布局的合理性和科學性。一般來說，飛機大部件數字化對接系統包括兩種布局類型：

1.1 分散式對接系統

對于分散式對接系統來說，采用分散式布局方式進行數控定位器的布局，可以采用向上支撐及驅動的千斤頂式定位器，以工藝支撐來連接定位器和機體，通過伺服電動機驅動定位器在X、Y、Z三個坐標方向進行移動，通過對多臺定位器的協調聯動來支撐、調整及定位飛機大部件，從而實現飛機大部件的數字化對接裝配。

1.2 整體托架式對接系統

對于整體托架式對接系統來說，定位器與機體不直接相連，定位器通過托架與飛機部件連接，利用伺服電機驅動托架，以此來調整機體部件的位姿。整體托架式對接系統在調整的過程中，飛機部件受力均勻，產生的變形較小，有利于產品設計，生產線的移動十分方便。

2 調整大部件對接姿態

對接姿態調整的原理是利用定位器與控制軟件形成閉環控制回路，對飛機大部件的對接過程進行實時控制，以此來實時調整對接姿態。采用數字化測量系統精確的測量對接的飛機大部件位置，以此為依據，利用多軸數控系統對分布式定位器進行驅動，使其在X、Y、Z三個坐標方向進行移動和旋轉，將大部件移動到對接位置，并對部件對接姿態進行調整。

從實質上來講，定位器是一種多運動軸機床，將旋轉編碼器設置在伺服電機中，通過伺服電機來驅動定位器精確的運動。將測力傳感器設置在驅動機構中，測量對接部件受到的應力，對接過程中應力過大損壞部件。

對接部件姿態調整及驅動控制算法思路如下：物體位姿空間的自由度有6個，即通過6個軸就可以滿足物體位置和姿態的調整要求。對于飛機大部件數字對接系統來說，只需要確定6個驅動軸即可對多個定位器進行控制，以并聯機構運動學為基礎，根據實際情況選擇算法。如果給定各個軸的坐標值，則可以采用正解算法來計算飛機大部件的位置和姿態，如果給定飛機大部件位置和姿態，則可以利用反解算法計算出各個軸坐標值，從而確定大部件位姿空間與軸空間的對應關系，以此為基礎來實現數字對接系統的運動控制。

3 對接數字化測量及精確定位

對于飛機大部件對接來說，以數字化測量系統對大部件位置進行測量，例如激光跟蹤儀等，數字化測量系統與自動定位器一起形成實施閉環控制系統。數字化測量系統捕捉目標點信號，并對捕捉的信號進行處理，從而生成要對接的大部件位置信息，利用工業以太網，實現數字化測量系統與對接控制系統的通信，對接控制系統接收到位置信息之后，會對信息數據進行處理，以此來計算出對接大部件的實時位置及姿態，將計算結果與理論結果進行對比，得出位姿誤差，換算為定位器需要移動值，最后下達指令，調整定位器，以此來保證飛機大部件對合的精密性。

4 對接過程的集成控制

飛機大部件數字化對接中，對接過程的集成控制至關重要，需要依靠集成控制軟件來實現，即集成控制系統。集成控制系統中有機集合了多種模塊，主要包括測量系統接口模塊、模擬仿真模塊、數據庫模塊等，以此來保證飛機大部件數字化對接過程數據流的暢通流轉，提升對接流程的規范性，同時能夠對大部件空間位姿、定位器狀態進行實時檢測和調節，從而生成姿態調節路徑，在保證飛機部件安全的基礎上，利用定位器多個運動軸的聯動來準確定位部件。

各模塊功能如下：（1）裝配工藝規劃及數據管理模塊：主要功能包括用戶、任務的管理，制定大部件對接裝配流程、數據管理及生成工藝報表等；（2）測量模塊：主要功能包括擬合及構件對接現場裝配坐標系、空間測量點的測量及測量數據處理等；（3）算法模塊：主要功能包括位姿計算、規劃運動函數等；（4）仿真模塊：主要功能是進行飛機大部件在線對接裝配仿真、在線評估飛機大部件可裝配性等，同時能夠根據仿真結果和評估結果生成對接路徑；（5）對接過程處理模塊：主要功能是提供飛機大部件對接調姿手段，包括手動調姿和自動調姿兩個方面，例如原路返回、按照指定路徑進行調姿等；（6）運動控制模塊：主要功能是對定位器運動軸的運動進行控制。

5 對接系統定位精度

足夠的定位精度是保證飛機大部件精確對接的關鍵所在，用t來表示對接系統定位精度，其影響因素包括四個方面：（1）t1：測量系統測量誤差，指的是儀器本身測量誤差及測量轉站誤差等；（2）t2：定位器系統運動誤差；（3）t3：大部件變形修正誤差，指的是考慮飛機大部件自重對理論數據修正產生的誤差；（4）t4：算法模型誤差，指的是簡化處理對接調姿算法或參數標定等引起的誤差。對接系統定位精度公式如下：

測量系統測量誤差t1的主要來源包括：（1）s1：儀器測量誤差；（2）s2：測量目標安裝座定位誤差；（3）s3：測量轉站誤差；（4）s4：地基振動誤差。t1計算公式如下：

需要注意的是，上述兩個公式是對誤差空間時量關系的體現，由公式可知，要想提升定位精度，需要從以下兩個方面著手：（1）減少測量誤差：減少測量過程中的轉站、選擇精度高的測量系統，減少地基振動、保證目標安裝座定位的精確性；（2）提升定位器系統運動精度：優化設備結構設計、消除減速器間隙、軟件補償、提升光柵尺分辨率等。

對于飛機大部件對接系統來說，可采取力反饋控制及帶浮動軸等措施實現系統的自適應設計，從而提升定位精度。例如北京航空制造工程研究所就研制出了一種帶自適應設計的飛機大部件數字化對接系統，其重復定位精度能夠達到0.03mm。但需要注意的是，一些精密的飛機大部件對接要求定位精度達到0.01mm，例如火箭筒體的對接，常規數字化對接方案難以實現，此時可采用銷孔導向定位技術。

6 安全防護設計

6.1 負載裕度設計

為了滿足大部件入位、調整等產生的負荷，承受相關載荷，飛機大部件對接系統需要有著足夠的強度、剛度及抗沖擊負載能力。在設計定位器的時候，可以通過有限元分析及設計計算來進行負載裕度設計，在研制的過程中，通過負載試驗進行檢驗。

6.2 硬件限位

硬件限位對于保證設備安全有著重要的作用，以定位器各運動軸運動行程為基礎，設計行程開關，以此來實現位置限位。定位器運動軸運動到極限位置會自動停止并發出警報，運動控制系統智能判斷定位器是否到達給定位置，

是否出現電流超載等異常情況，以此來保證設備安全。

6.3 自適應設計

飛機大部件對接系統在帶動大部件調整位姿的過程中，系統產生驅動力，在驅動力的作用下，大部件及定位器運動軸的運動有著時間滯后，二者并不能完全同步，且會產生彈性形變，這就使得部件內部會產生內應力，內應力過大會使部件和設備損壞。針對這個問題，在定位器設計過程中可以設置一定數量浮動軸，以此來自適應彈性形變，提升定位精度，保證部件和設備安全。為了防止產品和定位器產生較大的力，可以進行力反饋控制，將三維力傳感器設置到定位器中，實時監測位姿調整過程中三個軸方向力的大小，并與理論數據進行對比，判斷各個軸方向力是否超出允許范圍，以此來保證設備安全。

6.4 人機工程設計及可靠性

飛機大部件數字化對接系統需要保證人員操作的安全性和便利性，可采用模擬件空載運行和負載運行試驗對系統可靠性進行驗證，及時發現問題，并進行設計優化。

6.5 工藝仿真驗證

對整個飛機大部件對接工藝流程、定位器運動軸移動過程及位姿調節路徑等進行仿真分析和參數驗證，并針對性地進行優化，以此來保證整個對接系統的安全性和可靠性。

7 結語

綜上所述，飛機大部件數字化對接是一項系統性的工程，需要考慮的因素眾多，整個技術流程相對復雜。在未來的發展中，應當積極研究飛機數字化對接關鍵技術，加強國內外技術交流，積極開展自主創新活動，以此來促進飛機大部件數字化對接技術的進一步應用和發展，從而提升我國的飛機制造水平。

參考文獻

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作者簡介：占建國（1979-），男，湖北紅安人，中航飛機股份有限公司西安飛機分公司工程師，研究方向：飛機裝配技術。

（責任編輯：黃銀芳）