基于激光跟蹤儀測量系統的翼身對接技術研究

王 巍，周天一，王誠鑫

（沈陽航空航天大學航空航天工程學部，遼寧 沈陽110136）

0 引言

飛機大部件對接是飛機裝配的關鍵環節，為提高大部件對接的質量，國內外各飛機制造企業均飛機大部件自動化對接系統進行研制，如波音公司研制的波音787大部件自動對接系統，該系統集成了機械工裝，控制系統，數字化測量設備以及專門的優化計算軟件[1]。還有F-35飛機的電子裝配對接系統（EMAS），該對接系統柔性好，精度高，可以對不同型號機型進行裝配[2-3]。本文通過將激光跟蹤儀測量系統，工控機與反饋系統相結合，制定基于激光跟蹤儀測量系統的翼身對接方案。

1 基于激光跟蹤儀測量系統的翼身對接方案設計

翼身對接過程中，對接基準的選擇尤為重要，對接基準的選擇決定了對接工裝的設計與激光跟蹤儀測量方案的制定。翼身對接基準點一般選在激光跟蹤儀靶球易于接觸到的地方，方便測量，并且使激光跟蹤儀能夠在一個站位上，測到所有基準點，防止轉站帶來的誤差。對接準確度的設定也是翼身對接的關鍵，翼身對接準確度應滿足飛機整體裝配容差要求。

如圖1所示，本文對翼身對接方案進行制定，為保證翼身對接的質量，在對接前，對激光跟蹤儀的測量基準點進行選取，之后，對翼身對接工裝進行數字化設計。并應用激光跟蹤儀測量系統，對翼身對接過程進行測量，最后，根據設定的對接準確度判斷標準，對翼身對接結果進行判斷。

圖1 翼身對接方案制定

其中，激光跟蹤儀測量系統對翼身對接的測量分為兩個部分：（1）對機身測量基準點進行測量，并將實測值與理論值進行擬合，建立機身坐標系；（2）激光跟蹤儀對機翼位置調整過程進行實時測量，測量軟件將實測數據進行分析處理，以檢測翼身對接質量，如果滿足對接準確度要求，則對接完成，生成測量報告，否則，繼續對機翼位置進行調整。

2 對接基準的選擇和對接工裝的設計

為了保證翼身對接的精度與質量，在翼身對接過程前，需要對翼身調姿的測量基準點進行選取。如圖2所示，機翼的測量基準點一般選取在機翼的蒙皮上，并且至少要選取四個測量基準點。

圖2 機翼測量基準點

如圖3所示，為方便激光跟蹤儀對測量基準點的測量，機身的測量基準點一般選取在機身側壁板上，并且至少選取四個測量基準點。

圖3 機身測量基準點

翼身對接前，首先要對機身進行定位和調姿，圖4所示為機翼定位器，該機翼定位器可以對x、y、z三個方向進行位置調整，對于X和Y方向，使用移動滑軌進行調節，且為了滑動穩定，設置了雙導軌。對于Z方向，則使用定位器的調節器對Z方向的位置進行調整。此外，該定位器上還裝有伺服傳動裝置，可以根據在線測量軟件傳遞來的信息對機身位置進行微調[4]。

圖4 機翼定位器

如圖5所示，對于機身的定位與調姿共設置四個定位器，將四個工藝接頭固定在四個定位器上，來保證機身位置的準確性。其中四個定位器可以通過滑軌和調節器來改變其位置。工藝接頭與定位器連接，機身固定在工藝接頭上，工藝接頭對機身起到定位和裝夾的作用。并且定位器中裝有伺服裝置，可以通過控制系統對其進行控制。

圖5 機身定位器

3 翼身對接測量方法的制定

如圖6所示，為基于激光跟蹤儀測量系統的翼身對接系統結構圖，該翼身對接系統主要以激光跟蹤儀測量系統作為數據源，通過激光跟蹤儀測量得到的部件調整數據和定位器調整數據，來對翼身對接過程進行控制。

圖6 基于激光跟蹤儀測量系統的大部件對接系統結構圖

本文翼身對接主要采用激光跟蹤儀測量系統對翼身對接過程進行跟蹤測量，具體測量方法與流程如圖7所示。首先，對機身上的測量基準點進行測量，測量軟件會采集測量基準點的實測值，并將實測值與理論值擬合建立機身坐標系[5]。之后，在建立的機身坐標系下，通過工控機對機翼定位器進行控制，將機翼位置進行調整，激光跟蹤儀會對機翼的位置進行跟蹤測量，測量軟件會將機翼測量基準點的實測值與理論值進行分析，如果滿足機翼對接準確度要求，則對接完成，如果沒有達到標準，則繼續對機翼位置進行調整，直到滿足要求為止。如圖7所示，激光跟蹤儀測量系統工作流程。

圖7 激光跟蹤儀測量系統工作流程

翼身對接主要應用激光跟蹤儀和在線測量控制系統。其中在線測量控制系統是對通過激光跟蹤儀采集的點數據進行分析，并將數字量轉化為控制信號，來對裝有接收器的工裝進行控制的系統[6]。

首先，應用激光跟蹤儀對機身上的測量基準點的坐標值進行測量，并應用測量得到的實際坐標值與理論坐標值進行擬合建立機身坐標系。擬合過程如下[7]。

設機身上的測量基準點有i個，其測量基準點的理論值為Pi=（XiYiZi）T，其中i=1，2，……n.

設機身測量基準點實際測量坐標值為Pi=（）T，i=1，2，……n.利用最小二乘法求解目標函數：

使得機身測量基準點的理論值與實際值建立的坐標系有最優解和。利用SVD算法對目標函數進行求解。

推導出：

利用R和T對理論坐標值與實際坐標值進行擬合，建立飛機坐標系。

在坐標系下，對機翼進行跟蹤測量，在線測量軟件會將測量的數據進行處理，并向伺服裝置發出調整命令，定位器會對機翼位置進行調整，調整后，激光跟蹤儀會對基準點進行再次測量，檢測對接是否滿足要求，如果滿足準確度要求，則對接完成，如果沒有到達對接準確度要求，則繼續進行調整，直到滿足準確度要求為止。圖8為測量點的排布。

圖8 測量點位排布

如圖9所示，該翼身對接過程對激光跟蹤儀設置一個站位，對機身與機翼的測量基準點進行測量[8]。

圖9 翼身對接仿真

4 翼身對接準確度

大型客機翼身對接是飛機裝配中的一個重要環節，前期機身與機翼的零件制造，部件裝配，都是為了翼身對接做準備。因為翼身對接過程中，存在著機身和機翼零部件制造誤差，定位器的調整誤差以及跟蹤測量裝置的測量誤差等，導致翼身對接過程存在偏差，所以在機身與機翼對接完成后，需要對機身與機翼對接的偏差進行判斷，判斷對接是否滿足容差標準。如果翼身對接偏差在容差要求的范圍內，則完成翼身對接工作。如果翼身對接的偏差未能滿足容差要求，則機翼的測量點的實際坐標值進入反饋系統，反饋系統將數據傳遞給在線測量軟件，在線測量軟件會對數據進行分析和處理，并向伺服裝置發出調姿命令，伺服裝置收到調姿命令后，會驅動機翼定位器在方向進行微調，以該種方式對機翼位置進行反復修正，直到符合容差要求為止。

利用在機身坐標系下，測得的機翼蒙皮上的基準點的實際坐標值與理論坐標值對比，得出在X、Y、Z方向上各基準點所產生偏差，并將偏差與允許偏差進行對比。判斷翼身對接是否滿足判斷標準。

其中，設 Xi、Yi、Zi為基準點的理論坐標值，Xi′、Yi′、Zi′為基準點的實際坐標值則裝配質量的判斷標準的計算過程如下[9]：

最后對△X，△Y，△Z是否滿足容差要求進行判斷。

5 實例驗證

現以某型客機翼身對接實例，來驗證該對接方法的可行性和實用性。如圖10所示，為該機型機翼身對接過程。

圖10 翼身對接

該翼身對接，要求機翼的容差為±0.7.在翼身對接過程中，首先，對機身測量基準點進行測量，在線測量軟件會對基準點實測值與理論值進行擬合建立機身坐標系。

在飛機坐標系下，對機翼位置進行實時調整，并應用激光跟蹤儀測量系統對每一次調整后機翼的位置進行跟蹤測量，若未達到容差要求，則繼續調整，直到滿足容差要求為止，激光跟蹤儀會根據滿足容差要求的測量基準點的測量值，生成測量報告。圖11是調整后，滿足容差要求的測量基準點的測量報告。根據測量報告可知，測量基準點的誤差均在容差要求范圍內。經過該實例驗證，本文制定的基于激光跟蹤儀測量系統的翼身對接方案，有效可行。

圖11 翼身對接測量報告

6 總結

本文對基于激光跟蹤儀測量系統的翼身對接技術進行了研究，通過建立機身坐標系，并在該坐標系下，對機翼的位置進行實時調整和在線測量，來完成翼身對接。該翼身對接方法雖然可以將偏差控制在容差要求范圍內，但是仍然有許多不足之處，有些環節仍需要人工工作，如定位器的位置設置，激光跟蹤儀的位置排布。這不但增加任務工作量，耽誤工期，有時由于人工操作而導致誤差。

目前國內采用數字化飛機裝配的方式，盡管較傳統的裝配方式，在工人工作量，精確度，裝配效率，裝配安全性等方面有了很大程度的提高，但仍有許多環節需要完善，并且有待于設計出包括飛機測量系統，控制系統，驅動系統在內的飛機數字化與自動化的裝配生產線。