基于數字化測量技術工裝杯錐系統研究

王巍，劉燾

（沈陽航空航天大學航空宇航學院，沈陽 110136）

0 引言

傳統的工裝具有固定式、不可移動的特點，當成批量生產飛機零部件時，需要在同一廠房里復制多套工裝，顯然固定式的工裝無法在緊湊的生產線布局中應用。若是新建廠房布置工裝，這無疑是一筆巨大的花費，并且耗時過長，不適應現代飛機生產模式。傳統固定式工裝對結構本身裝配精度要求不高，在每架飛機生產完成時，只是對工裝上產品的定位組件進行定檢測量，而無法檢查工裝整體結構狀態，其工裝有可能已經傾斜，發生重心偏移等問題。尤其需要多個工裝協同工作時，累積的裝配誤差很難監測。

近幾年來，柔性工裝設計方案越來越多地應用到飛機裝配生產線上，大大提高了飛機制造業的產能與效率。林明路等[1]對飛機工裝制造效率提升進行研究，在工裝設計與返修、工裝工藝設計與采購、工裝生產與外協、工裝的物理信息全覆蓋及系統融合這五大部分中，針對工裝制造效率低下的問題，提出提升效率的方法與展望。王珉等[2]對航空整體結構件加工變形的快速在線測量方法進行研究，將結構件劃分為若干個區域，每個區域可視為薄板結構，推導出薄板在典型變形下的變形函數，通過仿真驗證變形函數的準確性，從而得到整體結構件的變形函數和評價方法，提出整體結構件的在線測量方法。孟俊濤等[3]對機身壁板裝配數字化定位系統設計與實現進行研究，設計一套針對機身壁板裝配的數字化定位系統，該系統由計算機控制定位過程，通過分析影響該定位系統準確度的因素，提出合適的補償方法。

因此，本文提出數字化測量技術工裝杯錐系統研究方案，基于工裝制造效率、測量方法、精準定位等多方面進行系統分析，設計4組高精度配合的上下結構定位件，并通過激光跟蹤儀自重水平儀建立大地坐標系，測量并調整底面平板，以保證底面平板相對大地是水平的，保證工裝高穩定特性的同時，解決了工裝可移動式、重復定位精度高的技術難題，同時該結構設計可應用于有復制工裝需求的生產線中，加大飛機生產速率。

1 數字化測量技術

數字化測量技術是以數字化建模仿真與優化為特征的“數字化制造”，并以硬件系統和軟件系統為依托，實現實時監控制造過程的先進技術。本文按照不同的測量方式研究測量設備系統構成，闡述在線測量設備組成，深化多種在線測量設備在飛機數字化裝配中的應用。

1.1 數字化測量系統

數字化測量系統主要由硬件設備和軟件系統組成。硬件設備包括電腦、控制器、驅動機構、執行部分和輔助測量裝備等。軟件系統則依托計算機輔助工藝過程設計（Computer Aided Process Planning，CAPP）技術，將設計信息轉換成實時加工數據，完成現場裝配任務。數字化測量系統如圖1所示。

圖1 數字化測量系統

在航空制造業高速發展的時代，多種高精度測量設備廣泛應用于航空制造領域中。從最初的電子經緯儀、全站儀發展到三坐標測量機、機械關節臂、室內GPS、數字照相機、激光雷達測量機、激光跟蹤儀等數字化測量設備。其中大尺寸測量為主的激光跟蹤儀設備，以瑞典Leica產品、美國API公司、美國Faro公司生產的激光跟蹤儀為主流使用設備[4]。通過將設計信息轉換為實時裝配信息，將CAPP技術充分地應用于實際生產中。方便操作人員工作的同時，提高產品裝配精度、減少裝配誤差累積，在改善航空產品質量中起著決定性作用。數字化測量設備如圖2所示。

圖2 數字化測量設備

但是，受到激光技術難、設備昂貴、人才緊缺等多方面因素的限制，大多數國內企業對數字化測量設備接觸少，技術層面熟知度不夠，嚴重影響數字化制造進程，尤其對高技術的航空制造領域影響較深。若要提高飛機產品的整體制造精度，需要更多的測量人員投入其中，深入研究數字化測量技術，掌握高精度裝配、高柔性工裝定位方法[5]。

本文以激光跟蹤儀測量設備為基礎，實現工裝杯錐系統數字化測量，保證其工裝高精度裝配。利用激光跟蹤儀自身精度高、大尺寸測量、激光自動追蹤、便攜式等性能，結合CAD、CAM軟件技術，實現飛機坐標系與實際坐標系的擬合轉換，通過分析實際裝配過程中的數據偏差，提前找到解決偏差來源的方案，減少裝配的累計誤差。此技術方案還可以通過建立計算機與測量設備之間的局域網，利用網絡傳輸路徑，實時進行數據監測，提高操作人員的工作效率，改善工裝的裝配質量。

1.2 系統精度分析

系統精度包含測量設備本身系統誤差及裝配公差要求。數字化柔性工裝設計一般采用浮動調整方式，能夠有效提高產品的定位精度，并且減少制造難度和節約生產成本[6]。因此最終系統精度包含測量設備系統誤差Dev1、工裝和產品之間的配合公差Dev2、浮動工裝安裝時的校準測量誤差Dev3。

1）測量設備系統誤差。如圖3所示，以LEICA激光跟蹤儀為例，4 m內跟蹤儀角度誤差為15 μm+6 μm/m×4 m=0.039 mm，ADM 距離精度為0.010 mm，即激光跟蹤儀最大允許誤差為±0.04026 mm，反射球補償精度為0.005 mm，反射球同心度為0.010 mm，即反射球總精度為最終計算出測量設備系統誤差±0.042 mm。

圖3 LEICA激光跟蹤儀

2）工裝和產品之間的配合公差（理論要求）。零件裝配誤差Dev2=±0.03 mm。

3）浮動工裝安裝時的校準測量誤差。通過RSS均方根法配合蒙特卡洛法進行系統誤差分析，考慮到所有公差均符合正態分布，少數的零件尺寸接近上下限公差值，大部分零件尺寸接近中間值，故設定過程能力指數Cpk=1（拉依達準則-3σ），如圖4所示。即取0.27%的失效率。

圖4 過程能力指數Cpk=1（拉依達準則-3σ）

所有輸入公差考慮3σ，T為過程統計量的技術規格的公差幅度，σ為過程統計量的綜合偏差，可以在過程處于穩態時得到。Cpk=T/（3σ），由于輸入的過程能力指數相同，取Cpk=1時，σ=T/3，即σ2=T2/9，得出

綜合偏差計算公式可以簡化統計為

計算得出，浮動工裝安裝時的校準測量誤差Dev3=，工裝和產品之間的配合公差為±0.03 mm。

4）系統精度。最終系統誤差Uxyz=±（0.084052+0.032）1/2=±0.08924 mm（一般工裝的裝配公差為±0.1 mm，滿足技術需求）。

2 工裝杯錐系統

工裝杯錐系統是工裝整體結構的一部分，由上下兩個結構組成。上部分與工裝整體結構連接，下部分與地面相連接。通過激光跟蹤儀對其進行在線測量與調整，可保證其上下結構配合的準確性[7]。通過對工裝的裝配工藝分析，解決定位重復性精度低的問題，從而大大提高工裝的裝配精度。工裝杯錐系統的研究對效率工裝的成功應用也具有重大借鑒意義。

2.1 工裝結構分析

工裝整體結構是由杯錐系統、承重立柱、定位工裝3部分組成，其主要材料選用的是Q235B。杯錐系統作為其主要連接部位，實現工裝與地面之間的分離。為了提高產品產量和效率，只需滿足杯錐系統的外形結構尺寸一致性，就可實現多功能工裝之間的互換。承重立柱是產品定位組件與杯錐系統相連接的組件，用來保證工裝整體結構的穩定性[15]。定位工裝是保證產品各零部件定位準確性的組件，根據產品的結構不同，也會設計一些小的定位器，也可設計產品制孔鉆模板的定位組件，屬于產品裝配環節的功能性組件[8]。

以某型號飛機工裝的結構為例，此工裝整體質量約為1.3 t，尺寸約為2 m×2 m×4 m，工裝結構形式如圖5所示。

圖5 工裝結構形式

工裝作為加載產品的主要生產依據，可提供各類夾具接口，設計時需考慮工裝的整體強度及剛度是否滿足生產需求，通過對工裝整體結構進行FEMA分析，保證其設計的合理性[11]。

基于CYPE 3D的鋼結構有限元分析，證明目前設計方案中的工裝整體結構強度完全能夠滿足結構技術需求。有限元分析載荷分布如圖6所示。

圖6 有限元分析載荷分布

在數據分析過程中，根據實際生產需求，將加載以下方面的載荷數據：1）鋼結構自重及其安裝在結構上其他零組件重力為13.6 kN；2）操作人員重力×1.5倍安全系數，載荷為1.12 kN；3）操作人員手動制孔的水平推力，取最危險位置載荷為0.6 kN；4）加載產品和其可拆卸組件的重力，非均勻分布載荷，載荷為4.8 kN。

操作人員進行產品裝配時，受到自重、產品工裝分布載荷、操作人員重力時，工裝最大撓度為0.14 mm，得出工裝整體剛度滿足技術要求。工裝撓度分布如圖7所示。

圖7 工裝撓度分布

由所有載荷最大結構應力分布分析可知，平均使用應力不超過37 MPa，為Q235B材料屈服強度的16.05%，最大局部應力使用25.36%。所有應力分布如圖8所示。

圖8 所有應力分布

通過以上計算分析，此工裝整體結構設計滿足技術要求，符合航空設計標準，可進行制造實施，并在現場安裝后再次驗證其各項技術指標。

2.2 杯錐系統在線測量

杯錐系統下部構件由4個平板加上2個杯錐頭構成，上部構件由2個杯錐盤及2個平板組成。工裝坐標系以其中一個杯錐頭的圓心作為原點，此原點指向另一個杯錐頭作為X軸，在平板的平面上垂直X軸的方向為Y軸，按笛卡爾坐標系法則垂直平板的方向為Z軸。立柱作為整個工裝的承重結構，也作為與杯錐系統對接的主要構件。定位板主要負責支撐產品壁板的型面，保證產品的理論外形。當利用可視化軟件對實際坐標系與理論坐標系擬合轉化后，可實現對定位板的監測，保證其型面在公差范圍內。構件分析如圖9所示。

圖9 構件分析

3 某型飛機工裝杯錐系統數字化在線測量

數字化在線測量技術的實際應用體現在裝配過程中，可視化實時監測與反饋測量數據，通過理論數模與實際裝配測量數據的對比，計算出被測物體的位置偏差，根據偏差值對實際零部件的位姿進行調整，直至偏差值達到所要求的公差范圍內。在線測量技術在某型飛機工裝杯錐系統安裝過程中的成功應用[9]，為飛機產品高精度裝配提供了可靠測量方案，實現裝配過程的數字化實時監測，并保留裝配過程中各零部件的位置信息，對飛機產品最終檢測結果提供誤差依據，縮短飛機交付周期[10]。

3.1 在線測量技術流程

杯錐系統是柔性工裝的重要組成，在安裝過程中采用數字化協調，實現模塊化的連接組件精準定位與裝配[11]?；诩す飧檭x對杯錐系統模塊化的監測與實際空間位置調整，提高杯錐系統上部構件與下部構件配合的準確性，保證了重復定位的可靠性[12]。

激光跟蹤儀集成三維數字化分析軟件SpatialAnalyzer，實現數字化協調與可視化分析[13]。軟件通過激光反射回的數據，計算設備與工裝之間相對位置，并通過與理論數據進行對比分析，得出實際零部件與理論零部件的位置偏差值，操作員可以根據其偏差值對零部件位置進行相應調整，實現在線測量與分析，大大提高了產品裝配的準確性與效率。而在測量過程中，對關鍵零部件的監測是對整個工裝裝配過程的數字化測量，屬于過程監測[14]。

利用點線面建立三維坐標系，擬合理論坐標系與實際坐標系，并分析出偏差值。理論坐標系的元素提取依據是三維數字化模型，而實際坐標的選取元素是在實際被測物體上找到與理論數模相對應的位置，通過測量設備采集數據點，并通過軟件建立實際被測物體的點線面。兩個坐標系的空間幾何變換公式為Pt=RPr+T。其中Pt為理論坐標系，Pr為實際坐標系，R為旋轉矩陣，T為平移矩陣。坐標系轉化過程如圖10所示。

圖10 坐標系轉化過程

工裝杯錐系統在線測量技術基于激光跟蹤儀硬件及集成的數據分析軟件，通過對真實零件采集的數據分析后，建立實際坐標系，并與理論模型坐標系進行擬合轉化，實現坐標系的統一。利用可視化窗口實時監測在工裝坐標系下其他零組件的相對位置關系，并對偏差值進行調整，實現精準裝配。在線測量流程如圖11所示。

圖11 在線測量流程

3.2 工裝杯錐系統數字化測量

在工裝杯錐系統裝配過程中，利用激光跟蹤儀對杯錐系統進行在線監測與實時調整。首先通過實際坐標系與理論坐標系的擬合轉化，得出工裝坐標系。轉化矩陣算法如圖12所示。

圖12 轉化矩陣算法

經過計算調整，測量設備處于工裝坐標系下，將實際測量的零組件位置反饋給測量軟件，計算出真實零組件的空間位置，并通過實時監測的偏差值將每個組件的空間位置調整到公差范圍內[15]。坐標系擬合轉化結果如圖13所示。

圖13 坐標系擬合轉化結果

利用激光跟蹤儀對杯錐系統進行監測，首先保證4個杯錐的底板相對大地的高度是一致的，當上部結構與下部結構配合后，工裝整體結構相對大地是垂直的，從而保證整個工裝結構的重心平穩，減少結構變形量。在測量過程中，通過激光跟蹤儀自重水平儀建立大地坐標系，實時監測杯錐系統底面平板Z方向的偏差值，使杯錐系統整體高度滿足公差要求，可通過計算底板平面的平面度來實現高度，一般平面度公差要求0.05 mm。平面度及垂直方向數值分析報告如圖14所示。

圖14 平面度及垂直方向分析報告

杯錐系統的安裝技術指標滿足公差后，開始驗證工裝重復定位精度是否滿足需求。在工裝的周圍選擇4個固定點（P01～P04）進行數字化監測，將第1次測量數據記錄下來。并通過吊裝形式對工裝的杯錐系統進行剝離與再定位，重復5次。通過5組數據的分析對比，可得出其偏差值，其偏差值就是整體工裝的重復定位精度。重復定位精度數據如圖15所示。

通過6組測量數據的對比分析，其偏差值可以滿足公差±0.05 mm要求，從而確定工裝杯錐系統重復定位精度滿足生產需求，工裝杯錐系統滿足飛機生產需求。

4 結語

基于數字化測量技術工裝杯錐系統研究是以激光測量技術及三維分析軟件為依托，通過對杯錐系統測量數據分析，從而在線跟蹤調整其零組件的數字化裝配過程[16]。模塊化的工裝杯錐系統設計，實現工裝的可移動性與穩定性[17]。通過工裝實際坐標系與理論坐標系的擬合轉換，對比其數據偏差值，找到偏差來源，從而減小偏差。然后測量杯錐系統地面平板的水平高度，保證整體結構相對大地是水平的，實現工裝整體結構的穩定性。最后驗證杯錐系統重復定位精度，滿足高精度重復定位需求。該技術研究的成功應用對整個飛機制造過程的成本節約及效率提升具有重要意義。