數字化裝配技術概述

尤海潮

摘? 要：飛機部件數字化裝配作為一種裝配模式，綜合了測量、調姿、控制等技術。測量為條子提供數據支持，控制統領全局，對測量數據進行分析，確定裝配單元的初始狀態，根據比較結果校形，并規劃調姿路徑，驅動數控定位器按既定路徑運動，對裝配單元進行調姿，反復迭代后，確定裝配單元在飛機坐標系內符合設計數模要求，即進行定位和制孔連接。從而解決了裝配單元的定位和連接問題。

關鍵詞：飛機數字化裝配技術;測量;定位和連接問題

中圖分類號：V262.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）04-0161-02

Abstract： As a kind of assembly mode， digital assembly of aircraft parts integrates the technologies of measurement， attitude adjustment， control and so on. The measurement provides data support for the sliver， controls the overall situation， analyzes the measurement data， determines the initial state of the assembly unit， calibrates the shape according to the comparison results， plans the attitude adjustment path， and drives the CNC locator to move according to the given path. After repeated iterations， it is determined that the assembly unit meets the requirements of the design digital model in the aircraft coordinate system， that is， positioning and hole-making connection. As a result， the problem of positioning and connection of the assembly unit is solved.

Keywords： aircraft digital assembly technology; measurement; positioning and connection problems

1 裝配單元姿態的測量與評價技術

傳統裝配方式下裝配單元姿態主要依靠裝配單元與工裝型架的符合性進行評價，如外形的評價依據是外形卡板，交點的評價依據是交點定位器等。在數字化裝配的條件下，裝配單元的姿態是通過測量確定的。確定裝配單元的姿態主要通過測量實現，依據測量數據對裝配單元姿態進行評價，從而判定裝配單元與設計數模的符合性。

將裝配單元考慮成為一個剛性體，理論上只要確定這個剛性體上空間不共面的三個點即可定位這個剛體。但實際上裝配單元并非是剛體，所以需要采用更多的點來評價裝配單元的姿態。在數字化裝配的條件下，一般選用裝配單元上設定的基準來評價裝配單元的姿態。這些基準通常選用裝配單元的一些確定的點，且這些基準在裝配過程中是統一的，一致的。在裝配單元本身裝配過程中，這些基準點是裝配單元裝配的基準，在裝配單元姿態的評價過程中，這些點是裝配單元姿態評價的基準。以機身壁板為例，基準一般為機身框上取制的基準，這些孔是機身壁板裝配時框的定位基準，在機身總裝配過程中，各壁板的姿態通過安裝在這些孔上的激光測量靶標，評價壁板姿態。

在確定裝配單元評價的基準后，裝配單元姿態評價就是確定這些基準的空間坐標。在數字化裝配的條件下，一般采用激光跟蹤儀或I-GPS來確定這些基準的坐標。以激光跟蹤儀為例，在如數控定位器支撐和夾持飛機裝配單元后，在裝配單元的定位基準點上安裝光學靶球，通過激光跟蹤測量系統測量裝配單元上的光學目標點位置，獲得定位基準點位置信息，在數據處理系統里將該位置信息與產品工程數據集給出的基準點目標位置進行比對處理，得到裝配單元裝配位置的修正值，將修正值傳遞給運動控制系統，驅動多個機械隨動定位裝置協調調整裝配單元的位姿，直到裝配單元的位姿達到公差允許范圍內，從而實現裝配單元間的精確定位。

由于裝配單元并非是剛體，在實際裝配過程中，裝配單元在其裝配型架上因與型架連接，剛性較好，其姿態符合理論數模。考慮到裝配變形、裝配單元的剛性狀態、運輸轉站和吊裝的影響，裝配單元在其刑架上的狀態和下架后的狀態是有區別的，或多或少會產生一定得變形（而非形變）。為了使裝配單元加上狀態經下架后在數字化裝配系統內具有一致性，一般都需要校形的過程。手下在裝配單元下架前，需要測量其姿態，即測量相關基準的坐標值并記錄。在裝配單元進入裝配系統后，與數控定位器相連接，再一次測量其姿態，與其下架前的姿態進行比較。若符合其下架前的姿態，則說明裝配單元未變形，可以進行姿態調整，反之，則說明裝配單元發生變形，需要校形，使其符合下架前的狀態，才能進行姿態調整。

2 裝配單元空間六自由度調姿技術

將裝配單元考慮為一個剛體，可將其分解為無數相關聯的點，其中任何一點在空間坐標系內都具有確定的坐標X/Y/Z和α/β/γ三方向轉動的六自由度的任意組合，通過調整這一組合任意坐標值的變化，這一點的姿態就會發生變化，從而帶動相關聯點的變化，因此剛體的姿態就發生了變化。基于這種原理，剛體就從一個姿態到另一個姿態的變化可以通過X/Y/Z和α/β/γ的任意組合運動實現。

按照上述調姿原理，在對裝配單元調姿過程中，僅需要對裝配單元施加一定的外力，使其能按照既定的調姿路徑運動，根據并聯機構逆運動原理，可將裝配單元的這種運動分解到三坐標方向運動的定位支撐上，這種支撐裝置就是數控定位器，通過工藝接頭與裝配單元連接，形成并聯機構。

對于剛體而言，在其上確認不共面的三點即能定位這個剛體，即理論上上一個剛體通過不共面的三點支撐且這三點能夠運動即能使這個剛體的姿態發生變化。但實際上，裝配單元并非是一個剛體，所以，在裝配單元進行姿態調整的過程中，需要考慮過約束的問題，使其在運動過程中保持相對的剛性狀態。在實踐上，一般采用四點或六點支撐，或者輔以相應的保形設施，這些支撐點與其連接的支撐裝置（數控定位器）形成一個并聯機構，通過每一個支撐點的三坐標運動，使裝配單元在各支撐點復合運動的過程中進行姿態調整。

裝配單元空間六自由度調姿即基于上述機理分析，對裝配單元的姿態在裝配系統中進行調整的過程。在數字化裝配條件下，裝配單元空間六自由度調姿就是在對裝配單元在裝配系統中姿態評價的基礎上，實現裝配單元自動化調姿定位。

3 裝配單元空間六自由度調姿路徑規劃技術

裝配單元空間六自由度調姿的目的是為了定位，即確定裝配單元在飛機坐標系內的位子。確定裝配單元在飛機坐標系內的位姿后，需要將該姿態與設計數模進行比較，以確定其姿態的符合性。若裝配單元實際測量的姿態不符合設計數模，則需要就其姿態進行調整，使其符合數模。從一個姿態到另一個姿態的變化，裝配單元需要運動一定的路徑。將裝配單元想象成為一個質點，從一點到另外一點可以通過多個路徑實現，其中一條路徑是最優化的，選擇這條最優化路徑的過程就是調姿路徑規劃。一般說來，調姿路徑規劃的約束條件包括裝配單元空間位置幾何關系的約束，各軸驅動力最小，且驅動力平衡，運動速度快且平穩。

按上述分析，裝配單元的空間六自由度調姿過程是一個反復迭代的過程，使裝配單元的實際姿態無限接近理論數模，在規范和誤差許可的范圍內，可認為裝配單元調姿結果符合要求。在調姿完畢后，將數控定位器鎖死，是裝配單元保持調姿后的姿態即定位后，就可以連接。

4 裝配單元姿態測量技術

在飛機數字化裝配系統中，一般采用激光跟蹤儀或I-GPS對裝配單元的姿態進行測量。其原理是利用激光跟蹤儀或I-GPS建立飛機坐標系，測量裝配單元在裝配系統中的適時姿態，并將測量數據反饋給控制系統進行姿態分析和調姿路徑規劃。飛機數字化裝配測量系統總體上分為三個子系統，即激光跟蹤測量系統、數據處理系統、實時動態仿真系統。

激光跟蹤儀測量系統是飛機數字化裝配測量系統的重要組成部分，其主要功能是負責激光跟蹤儀與計算機之間的通信，激光跟蹤儀初始化，激光跟蹤儀靜、動態數據采集，前視、后視檢查等。該子系統是基于激光跟蹤測量儀進行開發的。激光跟蹤測量儀與計算機之間的通信采用串口通信。

數據處理系統是飛機數字化裝配測量系統最重要的子系統，系統大部分的計算工作在這里完成。其主要功能是將激光跟蹤測量系統測量的基準點信息轉化為模型的位姿信息，并與產品數據集的數字模型進行比對，求出位姿誤差，并給出裝配件當前的位姿以及裝配件的位姿調整方向。在各種位姿轉換的過程中，坐標轉換是重要的內容。

5 數字化裝配系統集成控制技術

集成控制技術是研究如何實現裝配單元姿態的自動化測量與評價以及空間六自由度自動化調姿的技術。在此技術研究的基礎上構建集成控制系統，包含相關硬件設施和軟件系統，對整個裝配系統進行集成控制，實現飛機部件裝配時裝配單元的自動化測量和自動化調姿。

集成控制技術的核心是軟件系統。根據功能分類，其軟件系統包含集成管理系統、數據客戶端、調姿定位控制系統、數字化測量系統等等。各個子系統之間通過工業以太網連接。其網絡拓撲圖如圖1所示。

集成管理系統與數據庫服務器之間主要進行數據存取與交互，集成管理系統各個調姿定位控制系統，數字化測量系統和自動化加工系統之間通過特定的協議進行連接和通訊。

根據功能需求，以及實際需要，可將集成管理系統劃分為工藝流程管理模塊、現場過程數據采集模塊、計算分析與仿真模塊、過程監控模塊、異常處理模塊與用戶接口模塊等，構成整個控制系統軟件體系。

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