數字化對接在修理中的應用研究

■ 宋悅 王文濤 李勝國 焦梅素/石家莊海山實業發展總公司

0 引言

數字化對接是基于數字量的協調裝配方法，是借助由數控定位器、激光測量系統和集成控制系統組成的數字化對接系統，按照技術要求，將部件支撐定位、調姿、對接成下一級裝配件或整機的過程。數字化對接分為部件間對接、翼身對接和頭中尾三段對接等。本文以某型飛機數字化對接裝配系統為例，完成飛機的數字化對接工作，并滿足數字化對接裝配中的激光測量、數字化定位、工藝管理和集成控制等關鍵技術要求，構建對接平臺，分析解決修理中常見的故障難點。數字化對接裝配協調原理如圖1所示。

圖1 數字化對接裝配協調原理

1 數字化對接的關鍵技術

1.1 激光測量技術

激光測量系統由現場激光跟蹤儀及測量工作站組成。系統通過測量安裝在飛機部件檢測點上的光學標靶，得到飛機部件在現場裝配坐標系下的空間位置，為生成調姿路徑、評價部件姿態提供依據，并實時監控整個調姿過程，對調姿誤差進行評價分析。激光測量坐標系設置界面如圖2所示。

圖2 激光測量坐標系設置界面

1.2 數字化定位技術

三軸數控定位器是數字化協調的最終執行機構，定位器除支撐對接部件外，還需完成移動、定位、調姿、固定、夾緊等工作。激光跟蹤儀作為位置測定反饋裝置，與自動定位器等機構組成實時閉環控制系統。激光跟蹤儀為數字化測量系統捕捉目標點信號并進行處理，生成位置信息，與對接控制系統通過以太網進行通信。控制系統對來自各部件基準點或測量點的位置數據進行處理，計算部件的實時位置和姿態，并與部件對接的理論位姿進行比較，得出部件的位置姿態誤差，從而計算出部件各個定位器所需的移動指令值，最后發送給定位器進行姿態調整，實現精密對合。數字化測量系統軟件界面如圖3所示。

圖3 數字化測量系統軟件界面

1.3 工藝管理技術

主控系統對測量數據進行處理，計算出機身在現場裝配坐標系下的位置姿態，并進行調姿路徑的仿真分析。確認其安全可行后，將調整量發送給控制系統。

1.4 集成控制技術

在控制系統驅動下，執行機構多定位器協同工作，快速靈活地完成飛機部件的姿態調整。控制系統硬件由控制工作站、伺服電機、控制器等組成。集成控制軟件系統將測量系統接口、姿態數據生成、模擬仿真、監視系統和數據庫等模塊結合起來，保證整個對接過程數據流的暢通。規范對接流程，實時檢測部件空間位姿以及對接系統各個定位器的當前狀態，接收由主控系統發出的控制指令，生成調姿路徑，帶動相應的伺服電機驅動定位器，實現部件位置姿態調整與準確定位。

2 數字化對接的技術要求

2.1 設備技術要求

1）定位器

定位器用來支撐調整部件實現對接，并滿足剛度和安全性要求。實現三個坐標方向的自動化聯動和操作單步驅動。數控系統驅動定位器在X、Y、Z方向移動和旋轉，將部件移動到準確的對接位置并調整好對接姿態，技術要求如下：

a.最低高度：滿足飛機通過性要求并預留安全通過距離；

b.行程：X向（航向）、Y向（翼展方向）和Z向（垂直X、Y方向向上）移動均滿足測量范圍；

c.承載能力：保證整體支撐，并滿足剛度和安全性。

要求X、Y、Z向單坐標運動分辨率、定位精度和重復定位精度在行程范圍內滿足對接的調整要求；三坐標空間定位精度、多個定位器協同運動精度和調姿定位精度在對接調整范圍內，滿足對接的調整精度要求。

2）激光跟蹤儀系統

激光跟蹤儀系統由跟蹤儀主體、靶球等附件組成（見圖4），用于飛機的調平、對接和水平的測量。

圖4 激光跟蹤儀系統圖

激光跟蹤儀利用軟件進行跟蹤儀測量、遠程控制軟件和校靶測量，并由校準功能的軟件Emscon控制，使測量范圍、精度指標、工作條件均滿足要求。Emscon測量操作界面如圖5所示。

圖5 Emscon測量操作界面

3）工作平臺

按照符合人機工程規范的一體化工作平臺要求，建立以精簡工裝和數字設備融合的大部件對接裝配平臺體系，以靈活準確、高效地完成對接裝配工作，同時考慮人機工程及操作的安全性、可達性，并確立三維建模工作。

2.2 軟件技術要求

1）調姿對合控制軟件

控制定位器完成大部件的調整，實現對接，并具有防誤操作、中斷安全處理功能；具有對定位器運行狀態的實時監控，及時發布和預報運行狀態，實施故障報警、診斷和記錄的功能；調姿對接過程保持定位器的平穩運動，滿足協同性。

2）數字化測量軟件

數字化測量軟件控制激光跟蹤儀實現翼身調整及對接過程的自動測量和數據提示。測量軟件界面如圖6所示。

圖6 測量軟件界面

技術要求如下：

a.軟件運行穩定可靠，具有防誤操作、中斷安全處理、飛機姿態和全機水平測量計算的功能；

b.具有將測量的計算結果通過接口軟件傳遞至共享數據庫功能；

c.根據測量的工藝要求，提供可視化操作界面，指導操作按指定步驟完成測量任務。

3 修理中轉站過程

3.1 飛機地標基站的建立

將白水泥稀釋到一定程度，然后把4個地標塊固定在飛機周圍地面上，并注意以下事項：

1）4個地標點一定要固定牢固，在整個測量過程中不能晃動；

2）4個地標點均勻分布在飛機左右兩側，且不能共線；

3）4個地標點按順序編號（1、2、3、4）。

3.2 飛機坐標系的建立

1）建立站點1，將激光跟蹤儀置于飛機右側，選擇合適位置，保證跟蹤儀可以測到所有的地標點，并可以測到飛機右側所有的點。

2）創建站點1和站點2，并將對應位置點命名為R11、R57、L11、L57、M11、M21、M54等。

3）選擇創建按鈕，選中R11、R57、L11、L57，用來創建一個平面。

4）選中M21、M54兩點，用來創建一條直線。

5）將M11投影到創建的平面上。

6）在狀態欄中選擇創建幾何坐標系，點開后出現界面，包含已自動選擇的新坐標系、改變的坐標軸，可選擇以前已做出的在平面上的投影點為原點，也可將坐標原點進行平移。

7）Y向（高度方向）確定：利用激光跟蹤儀測得飛機上的L11、L57、R11、R57這4個點，構造飛機水平面，其法線作為裝配坐標系的Y向，向上為正向。

8）X向（逆航向方向）確定：利用激光跟蹤儀測得飛機上的M11及M54兩點，構造一條直線，將直線投影到飛機水平面上，即為飛機的軸線，定義為裝配坐標系的X向，機頭指向機尾方向為正。

9）坐標系原點確定：根據某全機水平測量圖構造原點O11，激光跟蹤儀測得飛機上的M11點，投影到飛機水平面上，即為4框飛機軸線上的點，向X軸反方向平移Amm，即為坐標原點O11。

10）構造完成的坐標系在右側顯示窗口顯示。

4 修理中常見故障及問題難點

4.1 對接系統的定位精度

數字化對接的精準直接影響對接精準度，飛機轉站中地標的建立，雷達天線面板底座安裝（俯仰誤差即安裝面與飛機構造水平面的誤差、方位誤差即雷達天線安裝平面與飛機對稱面的垂直度誤差），光電轉塔底座平臺的安裝（俯仰角、橫滾角、方位角及極性的判斷），慣導航向測定等。而精確對接需要對接系統有足夠的定位精度，保證精度需要控制對接系統定位精度的各個影響因素。

影響對接系統定位精度t的因素包括測量系統測量誤差t1、定位器系統運動誤差t2、部件變形修正誤差t3和算法模型誤差t4等幾個方面。其中，部件變形修正誤差是指在大部件對接狀態下，由于考慮大部件自重引起的變形而對理論數據進行修正產生的誤差；算法模型誤差則是由對接調姿算法模型的簡化處理和參數標定等因素引起的。

4.2 對接精度和誤差的計算分析

1）方位角誤差計算

雷達天線安裝平面與飛機對稱面的垂直度誤差，為方位角誤差（飛機坐標系，向右取正值、向左取負值）。因此，雷達天線安裝平面的方位角即為雷達天線面板與飛機對稱面中心面的夾角。可將面與面的夾角轉換為線與線的夾角進行計算。

利用雷達天線面板平面LDPM與坐標系XOZ平面構造一條交線，命名FWL，則FWL與Z軸的夾角即為方位角。

方向的判斷：方位線與Z軸做交點，判斷焦點的Z坐標值。若交點的Z坐標值為正，則為右偏，方位角為正；若焦點的Z坐標值為負，則為左偏，方位角為負。如圖7所示。

圖7 方位誤差計算示意圖

2）慣導方位角精度計算

利用激光跟蹤儀對慣導工裝上的測量點OTP1、OTP2、OTP3進行測量，得到三點在飛機坐標系的坐標OTP1（X1，Y1，Z1），OTP2（X2，Y2，Z2），則慣導方位角的計算可參考公式：Θ方 位=arctan（X1-X2）/（Z1-Z2）[1]，通過測量精度，應用不確定度公式、靈敏度公式、靈敏系數公式計算出方位偏差的不確定度是否在規定范圍內。

5 結束語

通過對數字化對接關鍵技術、技術要求、常見問題及難點進行探討，能為修理中數字化對接的應用和排故提供參考。對接定位精度是一個難點，計算錯誤往往會出現應力，導致故障出現。借鑒本文方法可以防止類似偏差的出現。對于數字化對接這種較新的技術而言，還需要在今后的實踐應用中積極探討，以便充分掌握并運用好這項技術，不斷完善數字化對接體系，提高修理裝配的高度。