某型飛機部件調姿對接系統(tǒng)設計與應用

穆志國 張博雅

摘要：大部件對接是結構集成中技術難度最大、安全風險最高、協(xié)調關系最為復雜的工藝過程，對飛機最終的裝配質量與生產(chǎn)周期具有重要的影響。大部件數(shù)字化定位調姿系統(tǒng)具有對接效率高、對接質量好、人員勞動強度低的優(yōu)良特點，在各類新型號飛機的大部件對接中取得了良好的應用效果。針對調姿對接系統(tǒng)構建、數(shù)控定位器的設計、測量場的構建技術進行研究，形成了一套滿足某型飛機部件對接的調姿系統(tǒng)并得到了良好的應用。

關鍵詞：數(shù)控定位器，調姿對接，激光跟蹤儀，Synqnet

1 引言

近年來，隨著激光跟蹤儀高精度測量設備、數(shù)控定位器調姿設備等設備、技術的引進或者突破，配套控制系統(tǒng)及軟件的開發(fā)，使得大部件數(shù)字化調姿對接成為可能，在各種新型號飛機的總裝配中越來越多的使用數(shù)字化調姿對接系統(tǒng)完成大部件的對接。與傳統(tǒng)情況下，通過目視觀察引導、人工調整姿態(tài)實現(xiàn)大部件對接相比，在裝配質量、裝配效率等方面有了較大的提高，較好的減少了大部件對接后的殘余應力。

2 主要研究內容

2.1 數(shù)字化調姿定位系統(tǒng)構建

某型飛機機身前段與機身中段數(shù)字化對接系統(tǒng)由測量設備、調姿設備、控制軟件平臺等三部分組成，其中測量系統(tǒng)用于機身前段與機身中段對接前姿態(tài)的測量、調姿測量點的測量以及對接過程中機身前段姿態(tài)的監(jiān)控;調姿設備由七個數(shù)控定位器組成，其中三個數(shù)控定位器呈三角形布局支撐機身中段，另外四個數(shù)控定位器成矩形布局用于支撐機身前段;控制軟件平臺獲取測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)完成機身前段與機身中段的可裝配性評價、生成調姿路徑以及各數(shù)控定位器的運動數(shù)據(jù)，驅動數(shù)控定位器完成機身前段的調姿與入位。

2.2 數(shù)字化調姿定位系統(tǒng)設計

2.2.1 數(shù)控定位器設計

數(shù)控定位器是大部件調姿對接系統(tǒng)的關鍵組成，在系統(tǒng)中發(fā)揮著大部件支撐定位、大部件調平、大部件姿態(tài)調整的作用，也是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構，數(shù)控定位器的功能以及技術參數(shù)直接決定著系統(tǒng)整體的運行效果。數(shù)控定位器主要包括安裝基座、支撐結構、伸縮缸體、縱橫托板、驅動電機、絲杠螺母運動副、蝸輪蝸桿減速器、光柵尺、球頭夾緊機構、力傳感器、位移傳感器等組成。

安裝基座通過錐杯實現(xiàn)與地面的固連，定位器吊裝到指定位置后，錐杯（凸頭）與零點（接頭）同時接觸錐杯（凹頭）與零點（夾持單元）。位于定位器下方的4只零點緊固接頭入位安裝于地面下方的零點（夾持單元）內（可傾斜一定角度入位），氣路關閉，碟簧完成緊固接頭鎖緊動作。

縱橫托板相對于基座沿水平方向移動，伺服電機驅動絲杠螺母副進行運動，通過光柵尺反饋定位器球頭實時的空間位置;伸縮缸體實現(xiàn)豎直方向運動，伺服電機驅動伺服電機驅動絲杠螺母副進行運動，通過光柵尺反饋定位器球頭實時的空間位置，并采用蝸輪蝸桿減速器，三個方向可以實現(xiàn)聯(lián)動同步控制。

數(shù)控定位器上方設置球頭鎖緊機構，鎖緊機構采用手動模式、機械鎖緊，通過微動開關狀態(tài)感知與狀態(tài)指示燈一起形成閉環(huán)控制。鎖緊時，旋轉手柄帶動內部變直徑導軌做旋轉運動，變徑導軌運動中頂撞頂頭從而帶動頂頭伸出實現(xiàn)對球頭的鎖緊。

2.2.2 數(shù)控定位器控制系統(tǒng)設計

為了提高機身前段與機身中段對接時的效率以及安全性，采用基于Synqnet實時現(xiàn)場總線實現(xiàn)多個數(shù)控定位器協(xié)同運動的控制技術，實現(xiàn)多臺數(shù)控定位器的聯(lián)動同步運行，更好的完成機身前段的姿態(tài)調整。系統(tǒng)采用3個由美國丹納赫公司生產(chǎn)的ZMP型32軸運動控制器實現(xiàn)全部定位器的運動控制，定位器采用絕對式直線光柵作為反饋元件實現(xiàn)每個軸的全閉環(huán)控制。因此對數(shù)控定位器的運動控制實質上是對其X、Y及Z軸方向上的伺服電機的運動控制，而每個伺服電機對應著一個伺服驅動器。其中工業(yè)控制計算機與ZMP運動控制卡通過PCI插槽相連，利用PCI總線進行數(shù)據(jù)交換，ZMP控制卡與各個定位器軸之間組成了SynqNet網(wǎng)絡，通過尋找網(wǎng)絡節(jié)點（Node）的方式實現(xiàn)對各個定位器不同軸的運動控制。

2.3 裝配測量場構建

機身前段與機身中段吊裝完成后，使用激光跟蹤儀構建裝配測量場，實現(xiàn)激光跟蹤儀、數(shù)控定位器兩者X軸、Y軸、Z軸方向的一致性。裝配測量場構建是通過地面預設的ERS點實現(xiàn)的，數(shù)控定位器現(xiàn)場安裝時必須保證多臺數(shù)控定位器的X軸、Y軸、Z軸三軸相互平行，確保在接受調姿軟件運動指令后多臺數(shù)控定位器的運動方向一致，防止由于運動方向不一致導致的產(chǎn)品撕裂、拉傷等現(xiàn)象。數(shù)控定位器現(xiàn)場安裝時通過激光跟蹤儀進行空間相對位置標定，標定完成后同步在地面預設ERS點，此時ERS點與數(shù)控定位器處于同一個坐標系下，在此坐標系下實測ERS點的空間坐標值作為后續(xù)裝配測量場構建的理論值。在每一架次機身前段與中段對接時使用激光跟蹤儀測量地面ERS點并將實測值與理論值擬合計算后即可實現(xiàn)裝配測量場的構建。

完成實測值后通過調姿測量軟件實現(xiàn)兩者的坐標轉換，實現(xiàn)兩者坐標方向的一致性。

2.4 大部件調姿對接

機身前段與機身中段調姿對接時，以機身中段為目標對象，通過調姿軟件計算機身前段調姿測量點到機身中段調姿測量點的變換矩陣，從而求得兩者之間的調姿路徑。依據(jù)調姿路徑解算出機身前段四臺數(shù)控定位器的運動參數(shù)，在數(shù)控定位器的執(zhí)行下完成機身前段的姿態(tài)調整，使得對接要素達到理論位置。

3 總結

針對某型飛機機身前段與機身中段對接，提出并設計了一套大部件數(shù)字化調姿對接系統(tǒng)，針對系統(tǒng)的總體架構、數(shù)控定位器結構設計與控制模式、測量場的構建進行深入研究，最終形成了一套完善的數(shù)字化調姿對接系統(tǒng)，已成功應用于該型飛機機身前段與機身后段的大部件對接，對接故障量較以前降低了38%，對接周期較以前縮短了27%，工人數(shù)量降低了15%，取得了良好的應用效果。

參考文獻

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