某大型飛機機翼翼盒數(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)開展了大型飛機的研制生產(chǎn)。大型飛機由于尺寸龐大、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，飛機裝配的工作量占整個飛機結(jié)構(gòu)制造總勞動量的一半左右，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，吸收國外先進飛機制造經(jīng)驗與技術(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)計制造數(shù)字化裝配系統(tǒng)。

實踐證明，數(shù)字化裝配技術(shù)對我國飛機制造發(fā)展起到了至關(guān)重要的促進作用，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制造效率和質(zhì)量，也能夠有效促進我國飛機生產(chǎn)觀念的改變，使我國飛機裝配中的薄弱環(huán)節(jié)得到有效的完善。大型飛機的機翼翼盒裝配技術(shù)是整機裝配的關(guān)鍵技術(shù)，因為相比于機身類部件，機翼承載著更多的載荷，所以對它的外形、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)在機翼翼盒裝配中的應(yīng)用與研究就變得十分迫切。本文針對某型機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)姿定位過程進行了詳細的介紹，研究并總結(jié)數(shù)字化裝配技術(shù)在機翼裝配過程中產(chǎn)生的效果與影響。

1 機翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)構(gòu)成

某大型飛機機翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)是為了實現(xiàn)外翼翼盒數(shù)字化裝配、自動化加工而設(shè)計制造，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外翼翼盒前后緣、上下壁板的自動化調(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、制孔等多項功能，整個加工過程涉及激光跟蹤儀、數(shù)控定位器、自動制孔等多種設(shè)備的相互協(xié)同，是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

2 數(shù)字化測量與調(diào)姿定位

某大型機機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)可實現(xiàn)固定前緣、固定后緣、上壁板、下壁板四個組件的數(shù)字化測量和調(diào)姿定位。在整個調(diào)姿定位過程中，數(shù)字化測量系統(tǒng)負責(zé)建立和執(zhí)行測量任務(wù)，由激光跟蹤儀測量調(diào)姿對象上的測量/監(jiān)控點在裝配系統(tǒng)內(nèi)的實測值數(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)通過實測值、理論值計算分析當(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)動多臺數(shù)控定位器對組件進行聯(lián)調(diào)。通過測量、分析、調(diào)姿過程的不斷迭代，最終實現(xiàn)大尺寸弱剛性組件的高精度調(diào)姿和定位，在整個過程中，信息流控制著整個裝配系統(tǒng)的快速精準運行。

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)的計算分析仿真模塊會對測量數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)工藝球頭的球心位置計算匹配出后緣調(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，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)的自動測量模塊測出布置在過渡托板上的OTP點，測量值反饋至工藝集成管理系統(tǒng)中，并與飛機坐標系下的理論值進行比較計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)控定位器對整個后緣組件進行支撐，保證了整個固定后緣在調(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。最后，將所有交點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、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，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行組合，然后將固定前緣轉(zhuǎn)接板工裝與固定前緣的加強隔板進行連接。

利用數(shù)字化測量系統(tǒng)的自動測量模塊對前緣上架輔助工裝上的工藝球頭在空間中的相對位置進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位置關(guān)系。

固定前緣組件上架時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，測量值與工藝集成管理系統(tǒng)中飛機坐標系下的理論值進行比較計算，最終擬合出一個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)的自動測量模塊對固定前緣產(chǎn)品上預(yù)先選取的測量點進行測量，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)姿定位軟件對固定前緣組件進行展向同步微調(diào)，以抵消固定前緣自身重力對定位精度的影響，可大幅提高固定前緣的定位精度，提高機翼翼盒組件整體的協(xié)調(diào)性。

2.3 機翼壁板組件的測量與調(diào)姿定位

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

機翼壁板上架完成后，對布置在壁板內(nèi)型面上的調(diào)姿測量點進行測量，系統(tǒng)根據(jù)測量點的空間位置與壁板在飛機坐標系下的理論位置進行比較計算，得出壁板在翼盒裝配系統(tǒng)中的最佳姿態(tài)，之后系統(tǒng)會對壁板調(diào)姿及對合過程中的路徑進行規(guī)劃，操作調(diào)姿軟件完成整個壁板的調(diào)姿定位。

機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翼整體壁板的高精度測量、調(diào)姿、保形技術(shù)難題，可以實現(xiàn)機翼壁板組件的快速高精度定位，可大幅減少機翼壁板調(diào)姿定位過程中的應(yīng)力集中，降低吊裝、定位安全風(fēng)險，對機翼裝配質(zhì)量有極大的提升促進作用。

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。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%，同時調(diào)姿定位的時間節(jié)約近一半。

表1 兩種裝配形式下前后緣及壁板調(diào)姿定位精度及時間

3 結(jié)語

某大型飛機機翼翼盒數(shù)字化裝配系統(tǒng)實現(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)相對于傳統(tǒng)裝配節(jié)約了近50%的時間，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。