飛機大部件數(shù)字化對接關(guān)鍵技術(shù)研究

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

關(guān)鍵詞：飛機裝配；大部件對接；數(shù)字化；位姿調(diào)整；定位器 文獻標(biāo)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，大部件數(shù)字化對接以數(shù)字量裝配協(xié)調(diào)為基礎(chǔ)，利用定位器、測量系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)等共同組成大部件數(shù)字化對接系統(tǒng)，以技術(shù)要求為根據(jù)，支撐大部件，調(diào)整大部件位姿，實現(xiàn)大部件的精確對接。飛機大部件數(shù)字化對接打破了傳統(tǒng)裝配方式的局限性，提升了對接自動化水平，對于實現(xiàn)飛機總裝柔性化、數(shù)字化有著重要的作用。就目前來看，我國飛機大部件數(shù)字化對接技術(shù)取得了一定的成果，但整體應(yīng)用水平還比較低，需要進一步優(yōu)化數(shù)字化對接技術(shù)。基于此，本文簡要研究了飛機大部件數(shù)字化對接的關(guān)鍵技術(shù)。

1 對接系統(tǒng)總體布局

飛機大部件數(shù)字化對接系統(tǒng)的整體布局是一項系統(tǒng)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配平臺安裝、對接系統(tǒng)安裝方式等，在布局的過程中，需要協(xié)調(diào)考慮上述因素，保證對接系統(tǒng)總體布局的合理性和科學(xué)性。一般來說，飛機大部件數(shù)字化對接系統(tǒng)包括兩種布局類型：

1.1 分散式對接系統(tǒng)

對于分散式對接系統(tǒng)來說，采用分散式布局方式進行數(shù)控定位器的布局，可以采用向上支撐及驅(qū)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(qū)動定位器在X、Y、Z三個坐標(biāo)方向進行移動，通過對多臺定位器的協(xié)調(diào)聯(lián)動來支撐、調(diào)整及定位飛機大部件，從而實現(xiàn)飛機大部件的數(shù)字化對接裝配。

1.2 整體托架式對接系統(tǒng)

對于整體托架式對接系統(tǒng)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(qū)動托架，以此來調(diào)整機體部件的位姿。整體托架式對接系統(tǒng)在調(diào)整的過程中，飛機部件受力均勻，產(chǎn)生的變形較小，有利于產(chǎn)品設(shè)計，生產(chǎn)線的移動十分方便。

2 調(diào)整大部件對接姿態(tài)

對接姿態(tài)調(diào)整的原理是利用定位器與控制軟件形成閉環(huán)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(diào)整對接姿態(tài)。采用數(shù)字化測量系統(tǒng)精確的測量對接的飛機大部件位置，以此為依據(jù)，利用多軸數(shù)控系統(tǒng)對分布式定位器進行驅(qū)動，使其在X、Y、Z三個坐標(biāo)方向進行移動和旋轉(zhuǎn)，將大部件移動到對接位置，并對部件對接姿態(tài)進行調(diào)整。

從實質(zhì)上來講，定位器是一種多運動軸機床，將旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)置在伺服電機中，通過伺服電機來驅(qū)動定位器精確的運動。將測力傳感器設(shè)置在驅(qū)動機構(gòu)中，測量對接部件受到的應(yīng)力，對接過程中應(yīng)力過大損壞部件。

對接部件姿態(tài)調(diào)整及驅(qū)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(tài)的調(diào)整要求。對于飛機大部件數(shù)字對接系統(tǒng)來說，只需要確定6個驅(qū)動軸即可對多個定位器進行控制，以并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)實際情況選擇算法。如果給定各個軸的坐標(biāo)值，則可以采用正解算法來計算飛機大部件的位置和姿態(tài)，如果給定飛機大部件位置和姿態(tài)，則可以利用反解算法計算出各個軸坐標(biāo)值，從而確定大部件位姿空間與軸空間的對應(yīng)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)來實現(xiàn)數(shù)字對接系統(tǒng)的運動控制。

3 對接數(shù)字化測量及精確定位

對于飛機大部件對接來說，以數(shù)字化測量系統(tǒng)對大部件位置進行測量，例如激光跟蹤儀等，數(shù)字化測量系統(tǒng)與自動定位器一起形成實施閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)字化測量系統(tǒng)捕捉目標(biāo)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(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)字化測量系統(tǒng)與對接控制系統(tǒng)的通信，對接控制系統(tǒng)接收到位置信息之后，會對信息數(shù)據(jù)進行處理，以此來計算出對接大部件的實時位置及姿態(tài)，將計算結(jié)果與理論結(jié)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(diào)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(shù)字化對接中，對接過程的集成控制至關(guān)重要，需要依靠集成控制軟件來實現(xiàn)，即集成控制系統(tǒng)。集成控制系統(tǒng)中有機集合了多種模塊，主要包括測量系統(tǒng)接口模塊、模擬仿真模塊、數(shù)據(jù)庫模塊等，以此來保證飛機大部件數(shù)字化對接過程數(shù)據(jù)流的暢通流轉(zhuǎn)，提升對接流程的規(guī)范性，同時能夠?qū)Υ蟛考臻g位姿、定位器狀態(tài)進行實時檢測和調(diào)節(jié)，從而生成姿態(tài)調(diào)節(jié)路徑，在保證飛機部件安全的基礎(chǔ)上，利用定位器多個運動軸的聯(lián)動來準(zhǔn)確定位部件。

各模塊功能如下：（1）裝配工藝規(guī)劃及數(shù)據(jù)管理模塊：主要功能包括用戶、任務(wù)的管理，制定大部件對接裝配流程、數(shù)據(jù)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(gòu)件對接現(xiàn)場裝配坐標(biāo)系、空間測量點的測量及測量數(shù)據(jù)處理等；（3）算法模塊：主要功能包括位姿計算、規(guī)劃運動函數(shù)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(jù)仿真結(jié)果和評估結(jié)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(diào)姿手段，包括手動調(diào)姿和自動調(diào)姿兩個方面，例如原路返回、按照指定路徑進行調(diào)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(tǒng)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(guān)鍵所在，用t來表示對接系統(tǒng)定位精度，其影響因素包括四個方面：（1）t1：測量系統(tǒng)測量誤差，指的是儀器本身測量誤差及測量轉(zhuǎn)站誤差等；（2）t2：定位器系統(tǒng)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(shù)據(jù)修正產(chǎn)生的誤差；（4）t4：算法模型誤差，指的是簡化處理對接調(diào)姿算法或參數(shù)標(biāo)定等引起的誤差。對接系統(tǒng)定位精度公式如下：

測量系統(tǒng)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(biāo)安裝座定位誤差；（3）s3：測量轉(zhuǎn)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(guān)系的體現(xiàn)，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(zhuǎn)站、選擇精度高的測量系統(tǒng)，減少地基振動、保證目標(biāo)安裝座定位的精確性；（2）提升定位器系統(tǒng)運動精度：優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)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(tǒng)來說，可采取力反饋控制及帶浮動軸等措施實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)設(shè)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(yīng)設(shè)計的飛機大部件數(shù)字化對接系統(tǒng)，其重復(fù)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(guī)數(shù)字化對接方案難以實現(xiàn)，此時可采用銷孔導(dǎo)向定位技術(shù)。

6 安全防護設(shè)計

6.1 負載裕度設(shè)計

為了滿足大部件入位、調(diào)整等產(chǎn)生的負荷，承受相關(guān)載荷，飛機大部件對接系統(tǒng)需要有著足夠的強度、剛度及抗沖擊負載能力。在設(shè)計定位器的時候，可以通過有限元分析及設(shè)計計算來進行負載裕度設(shè)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(shè)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(chǔ)，設(shè)計行程開關(guān)，以此來實現(xiàn)位置限位。定位器運動軸運動到極限位置會自動停止并發(fā)出警報，運動控制系統(tǒng)智能判斷定位器是否到達給定位置，

是否出現(xiàn)電流超載等異常情況，以此來保證設(shè)備安全。

6.3 自適應(yīng)設(shè)計

飛機大部件對接系統(tǒng)在帶動大部件調(diào)整位姿的過程中，系統(tǒng)產(chǎn)生驅(qū)動力，在驅(qū)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(chǎn)生彈性形變，這就使得部件內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力過大會使部件和設(shè)備損壞。針對這個問題，在定位器設(shè)計過程中可以設(shè)置一定數(shù)量浮動軸，以此來自適應(yīng)彈性形變，提升定位精度，保證部件和設(shè)備安全。為了防止產(chǎn)品和定位器產(chǎn)生較大的力，可以進行力反饋控制，將三維力傳感器設(shè)置到定位器中，實時監(jiān)測位姿調(diào)整過程中三個軸方向力的大小，并與理論數(shù)據(jù)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(shè)備安全。

6.4 人機工程設(shè)計及可靠性

飛機大部件數(shù)字化對接系統(tǒng)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(tǒng)可靠性進行驗證，及時發(fā)現(xiàn)問題，并進行設(shè)計優(yōu)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(diào)節(jié)路徑等進行仿真分析和參數(shù)驗證，并針對性地進行優(yōu)化，以此來保證整個對接系統(tǒng)的安全性和可靠性。

7 結(jié)語

綜上所述，飛機大部件數(shù)字化對接是一項系統(tǒng)性的工程，需要考慮的因素眾多，整個技術(shù)流程相對復(fù)雜。在未來的發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)積極研究飛機數(shù)字化對接關(guān)鍵技術(shù)，加強國內(nèi)外技術(shù)交流，積極開展自主創(chuàng)新活動，以此來促進飛機大部件數(shù)字化對接技術(shù)的進一步應(yīng)用和發(fā)展，從而提升我國的飛機制造水平。

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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(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）