沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部 王 巍 俞鴻均 安宏喜 谷天慧

大型飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化精準(zhǔn)裝配，其主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)、制造和裝配都采用數(shù)字量協(xié)調(diào)；數(shù)字化三維模型、數(shù)字化測量設(shè)備和自動化裝配設(shè)備（工業(yè)機(jī)器人、自動鉆鉚機(jī)）集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配[1]。其中，數(shù)字化測量技術(shù)是大型飛機(jī)數(shù)字化制造的核心技術(shù)之一，能保證飛機(jī)裝配過程中零部件制造的符合性、定位精確性和裝配協(xié)調(diào)性。各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)都離不開測量技術(shù)的輔助支撐。各大民用航空企業(yè)承擔(dān)國外大型飛機(jī)制造項(xiàng)目中，雖然已大量使用先進(jìn)測量設(shè)備，但是對測量方法的研究較少，且對在線測量技術(shù)尚未完全掌握。相對于傳統(tǒng)剛性工裝裝配產(chǎn)品離線測量方式而言，在線測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品裝配、測量和誤差補(bǔ)償集成應(yīng)用，其測量結(jié)果直接以實(shí)時(shí)數(shù)字量表征，對裝配過程中測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析、傳輸、反饋和存儲。根據(jù)測量結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配誤差，快速解決問題，對提高我國飛機(jī)數(shù)字化裝配精度，縮短裝配周期，保證裝配效率，具有重要意義。

離線測量由于裝配與測量不在工裝上同步進(jìn)行，對飛機(jī)大部件進(jìn)行搬運(yùn)、重復(fù)裝夾等操作，導(dǎo)致后期測量產(chǎn)生的誤差較多。如測量設(shè)備本身誤差、測量過程中操作誤差、重復(fù)定位誤差、本身重力引起誤差與飛機(jī)裝配誤差等，很難確定誤差引起的原因。因此，相比較離線測量方式，在線測量能實(shí)時(shí)跟蹤零部件裝配，保證產(chǎn)品裝配效率，提高裝配精度，在大型飛機(jī)數(shù)字化裝配中適用范圍更廣。

飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量軟硬件組成

大型飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量方式多種多樣。按照不同的測量方式研究測量設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成，闡述在線測量設(shè)備組成，深化3種在線測量設(shè)備在飛機(jī)數(shù)字化裝配中的應(yīng)用。

1 在線測量系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)字化在線測量系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、控制器、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行部分和輔助測量裝備等構(gòu)成[2]。軟件系統(tǒng)采用便攜式跟蹤與測量三維圖形軟件集成于計(jì)算機(jī)平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和數(shù)據(jù)處理，所有實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和指令均由計(jì)算機(jī)平臺輸出，最終反饋到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)平臺通過軟件系統(tǒng)建立測量數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)在線測量，最終完成在線測量報(bào)告，以供裝配人員參考。以激光跟蹤儀系統(tǒng)構(gòu)成為例，如圖1所示。

圖1 在線測量系統(tǒng)構(gòu)成

在激光跟蹤儀在線測量系統(tǒng)軟件中建立飛機(jī)坐標(biāo)系，按照測量規(guī)劃將飛機(jī)理論數(shù)模導(dǎo)入軟件系統(tǒng)中，與實(shí)際裝配關(guān)鍵點(diǎn)理論數(shù)據(jù)對比分析，實(shí)現(xiàn)零部件裝配過程中在線測量，得出實(shí)時(shí)測量報(bào)告；硬件中，零部件裝配關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)測值與理論值輸入計(jì)算機(jī)平臺，將測量反饋的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接伤欧到y(tǒng)、定位器與控制系統(tǒng)集成的柔性工裝及輔助測量設(shè)備中，對測量過程中誤差標(biāo)定及時(shí)反饋到軟件系統(tǒng)中補(bǔ)償，對補(bǔ)償誤差數(shù)據(jù)分析與處理，實(shí)現(xiàn)在線測量，最終完成實(shí)時(shí)測量報(bào)告。

2 在線測量設(shè)備組成

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，航空業(yè)中測量技術(shù)從傳統(tǒng)的使用樣板、標(biāo)準(zhǔn)樣件等工具測量，已經(jīng)發(fā)展為使用電子經(jīng)緯儀、全站儀、機(jī)械關(guān)節(jié)臂、三坐標(biāo)測量機(jī)、激光跟蹤儀、iGPS、激光雷達(dá)與數(shù)字照相儀等數(shù)字化測量設(shè)備進(jìn)行測量。

但是，由于各方面因素，如測量設(shè)備的數(shù)量、測量方法的選擇與工裝設(shè)計(jì)等因素限制，國內(nèi)很多企業(yè)對在線測量技術(shù)應(yīng)用不多。特別對于大型飛機(jī)零組件數(shù)字化裝配而言，高精度的裝配方式、不穩(wěn)定的零件變形、高難度的柔性定位器誤差控制等都需要對飛機(jī)裝配過程進(jìn)行周期測量，且需要更多測量設(shè)備集成實(shí)現(xiàn)零組件裝配過程在線測量。在線測量系統(tǒng)設(shè)備組成有：（1）激光跟蹤儀在線測量。激光跟蹤儀在飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量時(shí)可隨時(shí)轉(zhuǎn)站，同時(shí)可以多臺激光跟蹤儀并行測量，在局域網(wǎng)用一臺電腦可同時(shí)控制多臺儀器[3]。跟蹤儀本體可以連續(xù)地瞄準(zhǔn)、跟蹤反射靶標(biāo)返回激光束位置，由儀器的控制中樞發(fā)出指令與接受數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)零組件裝配多基站在線測量。（2）iGPS在線測量。iGPS能對空間分布的多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)高精度定位[4]。發(fā)射器通過旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射出激光信號，在零組件和柔性定位器上增加傳感器用于接收光信號，接收器在360°測量空間內(nèi)收集數(shù)據(jù)計(jì)算出準(zhǔn)確位置，將當(dāng)前傳感器的位置實(shí)時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī)平臺，自動校準(zhǔn)裝配，裝配出現(xiàn)偏差時(shí)及時(shí)警告，解決偏差問題。同時(shí)，iGPS也可以和其他測量設(shè)備集成使用在線測量。（3）數(shù)字照相儀在線測量。數(shù)字照相測量通過一臺或多臺高分辨率的數(shù)字相機(jī)，測量前在零組件關(guān)鍵位置定標(biāo)與貼片，對被測飛機(jī)零組件裝配關(guān)鍵位置進(jìn)行多次、多角度拍攝照相，得到飛機(jī)零組件裝配關(guān)鍵位置或外形數(shù)字影像[5]。使用計(jì)算機(jī)平臺進(jìn)行圖像匹配及相關(guān)數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)化計(jì)算，得到被測零組件上關(guān)鍵測量點(diǎn)的空間坐標(biāo)，獲得被測零組件外形等相關(guān)信息在線測量。

飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量技術(shù)

在線測量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用體現(xiàn)在對零組件裝配過程實(shí)時(shí)監(jiān)測得到反饋數(shù)據(jù)，對理論數(shù)模與實(shí)際位置對比得出裝配誤差，通過控制系統(tǒng)對定位器微調(diào)，直到零組件裝配達(dá)到裝配精度要求。裝配過程中工裝起著支撐和定位的重要作用，研究剛性與柔性工裝在線測量技術(shù)，對飛機(jī)大部件最終測量結(jié)果提供誤差依據(jù)，縮短飛機(jī)交付周期。

1 剛性工裝在線測量技術(shù)

傳統(tǒng)的剛性工裝占地面積較大，數(shù)量較多，為便于飛機(jī)零組件快速裝配，使用激光跟蹤儀與iGPS結(jié)合實(shí)現(xiàn)在線測量。工裝上都有便于工裝設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)相應(yīng)的飛機(jī)坐標(biāo)系理論點(diǎn)（TB1、TB2、TB3、TB4），對大飛機(jī)零組件裝配時(shí)需要多次轉(zhuǎn)站建立坐標(biāo)系，在工裝的立柱、橫梁內(nèi)側(cè)和地板及輔助地面布置測量基準(zhǔn)點(diǎn)（ERS1、2、3、4、5、6），每次轉(zhuǎn)站可視化公共點(diǎn)5個(gè)左右，與工裝關(guān)鍵TB點(diǎn)建立飛機(jī)坐標(biāo)系擬合誤差達(dá)到最小。采用iGPS 6個(gè)發(fā)射器，在工裝相應(yīng)定位器與產(chǎn)品關(guān)鍵點(diǎn)上布置接受傳感器。測量點(diǎn)與設(shè)備的分布如圖2所示。

利用激光跟蹤儀根據(jù)工裝理論坐標(biāo)點(diǎn)使用最佳擬合法或束調(diào)整方法建立飛機(jī)坐標(biāo)系。將飛機(jī)與工裝理論數(shù)模在CATIA中轉(zhuǎn)化為stp格式，導(dǎo)入到激光跟蹤儀三維測量軟件中，在飛機(jī)坐標(biāo)系下測量架下未裝配的飛機(jī)零組件關(guān)鍵點(diǎn)，通過飛機(jī)零組件測量關(guān)鍵點(diǎn)與理論坐標(biāo)點(diǎn)最佳擬合，建立相對坐標(biāo)系，在相對坐標(biāo)系下再次測量飛機(jī)零組件裝配關(guān)鍵定位點(diǎn)的位置，使定位點(diǎn)導(dǎo)出保存計(jì)算機(jī)平臺。將坐標(biāo)系重新轉(zhuǎn)換飛機(jī)坐標(biāo)系，導(dǎo)入飛機(jī)零組件在相對坐標(biāo)系下關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)測值，將實(shí)測值坐標(biāo)點(diǎn)反饋到產(chǎn)品工裝關(guān)鍵位置進(jìn)行標(biāo)記。將標(biāo)記的實(shí)測值傳輸?shù)絠GPS軟件系統(tǒng)中，通過發(fā)射器發(fā)出指定飛機(jī)零組件裝配關(guān)鍵點(diǎn)位置信號，分布在定位器上的接收器接收信號數(shù)據(jù)，將零組件裝配到指定位置。裝配過程中激光跟蹤儀與iGPS結(jié)合實(shí)時(shí)跟蹤飛機(jī)零組件在線測量。最終生成數(shù)據(jù)分析報(bào)告，為后續(xù)飛機(jī)大部件裝配提供精確的誤差數(shù)據(jù)，減少裝配誤差。

圖2 剛性工裝測量點(diǎn)與設(shè)備布局

2 柔性工裝在線測量技術(shù)

柔性工裝是一種數(shù)字化、柔性化與自動化工裝，主要依靠模塊化定位器定位零組件裝配，定位器的位置精度決定了零組件裝配精度。單獨(dú)使用激光跟蹤儀，iGPS與數(shù)字照相儀或兩者結(jié)合都可以實(shí)現(xiàn)在線測量，測量設(shè)備布局如圖3所示。

圖3 柔性工裝測量設(shè)備布局

（1）使用激光跟蹤儀可以對零組件裝配關(guān)鍵位置與柔性工裝定位器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。柔性工裝定位器是直接執(zhí)行零組件裝配定位的重要元件，也是測量點(diǎn)布局的重要位置，任何定位點(diǎn)微小的變形和誤差都會對整個(gè)飛機(jī)零組件裝配與在線測量產(chǎn)生影響，定位器通常聯(lián)動且在工裝內(nèi)側(cè)。因此，柔性工裝在線測量采用多臺激光跟蹤儀集成在線測量系統(tǒng)，通過軟件接口連接一臺計(jì)算機(jī)控制多臺激光跟蹤儀，完成測量環(huán)境的建立。根據(jù)工裝的理論TB點(diǎn)建立飛機(jī)坐標(biāo)系，在工裝動態(tài)定位器上放置測量工具球，用于實(shí)時(shí)跟蹤定位器的位置。將工裝與零組件數(shù)模導(dǎo)入測量軟件與實(shí)際位置對比，對工裝每一個(gè)定位測量點(diǎn)按照不同機(jī)型的正確位置進(jìn)行校準(zhǔn)，補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。對飛機(jī)零組件裝配關(guān)鍵位置實(shí)時(shí)監(jiān)測，將測量信息反饋到計(jì)算機(jī)平臺，通過控制系統(tǒng)對測量點(diǎn)的位置在線監(jiān)測自動調(diào)整，保證布局點(diǎn)重復(fù)定位和裝配零組件定位器同步協(xié)調(diào)精度，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量。

（2）iGPS 在線測量系統(tǒng)綜合應(yīng)用了集成傳感器、計(jì)算機(jī)、自動控制和圖像識別技術(shù)，不僅能夠?qū)θ嵝怨ぱb多個(gè)定位器同時(shí)監(jiān)測，而且每個(gè)接收器讀取它自己實(shí)際空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)快速自動控制裝配產(chǎn)品。圖中使用了6個(gè)發(fā)射器，接收器放置于動態(tài)定位器與零組件關(guān)鍵點(diǎn)位置，每個(gè)接收器需接收不少于4 個(gè)發(fā)射器的信號，才能保證飛機(jī)零組件裝配精度最小。發(fā)射器數(shù)量取決于工作區(qū)域的大小，無需轉(zhuǎn)站，應(yīng)避免阻擋障礙。在不同的坐標(biāo)系下測得發(fā)射器方位值，對各發(fā)射器相對位置關(guān)系和空間布局進(jìn)行標(biāo)定，使所有發(fā)射器測得的目標(biāo)點(diǎn)在同一個(gè)坐標(biāo)系下，然后對測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，求得各發(fā)射器坐標(biāo)系之間相對位置和姿態(tài)，建立飛機(jī)測量坐標(biāo)系。將飛機(jī)零組件數(shù)模導(dǎo)入軟件與實(shí)際裝配位置比對，零組件上關(guān)鍵點(diǎn)與動態(tài)定位器的位置實(shí)時(shí)反饋計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)發(fā)出信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)及時(shí)在線監(jiān)測調(diào)整，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量。

（3）數(shù)字照相儀測量系統(tǒng)對飛機(jī)零組件裝配過程實(shí)時(shí)檢測，為便于拍攝飛機(jī)零組件外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后置處理，對飛機(jī)零組件與工裝關(guān)鍵測量位置布置特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。拍攝時(shí)對這些標(biāo)記的特征點(diǎn)重點(diǎn)拍攝，對關(guān)鍵測量點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)計(jì)算轉(zhuǎn)換，完成照相儀拍攝坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為飛機(jī)坐標(biāo)系。將飛機(jī)理論數(shù)模導(dǎo)入到點(diǎn)云處理軟件與實(shí)際裝配位置對比，對飛機(jī)零組件裝配外形實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量。

圖4 后機(jī)身總裝工藝流程

按照測量規(guī)劃完成飛機(jī)零組件數(shù)字化裝配在線測量，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析報(bào)告與大部件裝配完成下架測量數(shù)據(jù)報(bào)告對比，形成最終測量報(bào)告。

某型飛機(jī)后機(jī)身數(shù)字化裝配在線測量

在線測量技術(shù)在后機(jī)身組件裝配中的應(yīng)用，為難裝配、難測量零組件提供可靠測量方案，也為后期終檢結(jié)果提供誤差數(shù)據(jù)。通過對后機(jī)身總裝工藝性分析，實(shí)現(xiàn)部分裝配工位在線測量，最終生成數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

1 后機(jī)身數(shù)字化裝配工藝性分析

后機(jī)身由上部壁板組件、左側(cè)壁板組件、右側(cè)壁板組件、壓力隔框、后機(jī)身艙門（包括服務(wù)門、貨艙門等）、背鰭組件、地板組件等7部分組成。后機(jī)身總裝工藝流程如圖4所示。

首先，由上半殼零件（蒙皮、長桁和框角片）初定位組成壁板，在自動鉆鉚機(jī)系統(tǒng)上編制鉆鉚工藝裝配為壁板組件。由零組件裝配服務(wù)門口框，對門口框架下補(bǔ)鉚，應(yīng)用在線測量技術(shù)完成門口框與組件壁板裝配形成上半殼裝配；第二步下半殼零件初定位組成壁板，自動鉆鉚機(jī)裝配形成壁板組件。由零組件裝配貨艙門口框，對門口框架下補(bǔ)鉚，應(yīng)用在線測量技術(shù)完成門口框與組件壁板裝配形成下半殼裝配；第三步后機(jī)身地板組件裝配，架外補(bǔ)鉚，應(yīng)用在線測量技術(shù)完成地板組件與下半殼機(jī)身裝配；第四步應(yīng)用在線測量技術(shù)完成后機(jī)身上半殼組件與下半殼組件環(huán)向?qū)?；最終應(yīng)用在線測量技術(shù)對后機(jī)身部分零部件裝配完成總裝，按照測量計(jì)劃架外測量后與在線測量數(shù)據(jù)對比形成數(shù)據(jù)分析報(bào)告，完成噴漆。

2 后機(jī)身數(shù)字化裝配在線測量

在后機(jī)身組件數(shù)字化裝配過程中，對組件裝配基于激光跟蹤儀在線測量。通過工裝理論點(diǎn)與空間布置的ERS點(diǎn)，用一臺激光跟蹤儀進(jìn)行轉(zhuǎn)站實(shí)現(xiàn)組件裝配在線測量。將零組件與工裝數(shù)模導(dǎo)入測量軟件系統(tǒng)中，對關(guān)鍵測量點(diǎn)的理論數(shù)據(jù)導(dǎo)入測量軟件。組件裝配在線測量規(guī)劃實(shí)施如圖5所示。

按照站位的布局，布置的ERS點(diǎn)與工裝理論TB點(diǎn)使用最佳擬合法建立飛機(jī)坐標(biāo)系。在裝配過程中實(shí)時(shí)測量零組件裝配關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)零組件測量關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)偏差時(shí)，將測量工具球放在工裝關(guān)鍵定位器的位置實(shí)時(shí)調(diào)整測量，完成部分零組件數(shù)字化裝配。

將激光跟蹤儀放置在后機(jī)身組件裝配可視化位置，通過儀器束調(diào)整或JUMP法轉(zhuǎn)站調(diào)整儀器位置，對組件裝配過程在線測量，安裝另一組件裝配時(shí)，根據(jù)導(dǎo)入軟件當(dāng)中關(guān)鍵點(diǎn)的理論值，將激光指定到該組件裝配的位置，添加點(diǎn)到面監(jiān)視測量窗口，完成部分組件的裝配，隨時(shí)生成測量分析報(bào)告，后機(jī)身79框裝配在線測量分析報(bào)告如圖6所示。從圖中的數(shù)據(jù)分析可知，空間坐標(biāo)系下蒙皮外形理論與實(shí)際偏差值都在±0.1mm左右，x，y，z方向偏差最大分別為0.0150mm，-0.0685mm，0.0265mm，滿足飛機(jī)蒙皮外形測量值要求。后機(jī)身組件裝配過程中實(shí)現(xiàn)在線測量，提高后機(jī)身裝配精度，減少超差位置，出現(xiàn)超差點(diǎn)可按在線測量報(bào)告實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，便于工藝與檢測人員參考，對縮短飛機(jī)交付周期具有重要意義。

結(jié)束語

大型飛機(jī)數(shù)字化裝配在線測量技術(shù)基于飛機(jī)大部件數(shù)字化裝配過程，實(shí)現(xiàn)了對零組件裝配過程實(shí)時(shí)跟蹤測量，快速準(zhǔn)確地檢測裝配件外形輪廓度及位置度，成功控制尺寸偏差，降低裝配誤差及人為誤差，提高飛機(jī)產(chǎn)品裝配質(zhì)量。本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，介紹在線測量設(shè)備組成，研究剛性與柔性工裝在線測量技術(shù)，并基于某型飛機(jī)后機(jī)身裝配過程驗(yàn)證基于激光跟蹤儀在線測量系統(tǒng)的可行性。數(shù)字化在線測量技術(shù)突破傳統(tǒng)飛機(jī)測量模式，為飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式解決關(guān)鍵技術(shù)難題，提高了飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性，增強(qiáng)了飛機(jī)的制造精度與研制水平，對快速提升現(xiàn)代大飛機(jī)數(shù)字化裝配質(zhì)量和效率具有重要意義。

圖5 后機(jī)身數(shù)字化裝配在線測量站位布局

圖6 數(shù)據(jù)分析報(bào)告