中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 劉 春

在飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)中，機(jī)身部件一般是通過(guò)多臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控定位器構(gòu)成的調(diào)姿單元來(lái)進(jìn)行支撐的。機(jī)身部件上安裝與定位器同等數(shù)量的工藝球頭，數(shù)控定位器末端設(shè)置與之匹配的工藝球窩并具有松開(kāi)鎖緊功能，通過(guò)行車(chē)吊裝機(jī)身部件將工藝球頭落入工藝球窩內(nèi)并鎖緊，實(shí)現(xiàn)機(jī)身部件的支撐和固持，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為工藝球頭入位。

由于飛機(jī)部件裝配存在變形，部件上工藝球頭的安裝位置和理論位置之間存在著偏差。因此，工藝球頭的球心位置是無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知的。吊裝入位時(shí)，需要保證機(jī)身上的工藝球頭準(zhǔn)確地落入定位器末端的球窩中，如果定位器末端各球窩間的位置關(guān)系與機(jī)身上工藝球頭間的位置關(guān)系不能準(zhǔn)確匹配，會(huì)導(dǎo)致球頭不能進(jìn)入球窩或者產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力，裝配質(zhì)量嚴(yán)重削弱。因此，需要建立精確且簡(jiǎn)潔有效的球頭入位方法來(lái)保證裝配質(zhì)量[1]。

本文以飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了基于激光跟蹤儀測(cè)量的工藝球頭入位方法，并設(shè)計(jì)了絕對(duì)和相對(duì)兩種球頭入位測(cè)量方法，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況分析兩種測(cè)量方法的優(yōu)劣，為工藝球頭入位測(cè)量方法的選擇提供了參考依據(jù)。

1 飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)中，機(jī)身部件由4臺(tái)數(shù)控定位器支撐。其中，機(jī)身部件適當(dāng)位置安裝4個(gè)工藝球頭，數(shù)控定位器可沿X、Y、Z 3個(gè)相互垂直的方向運(yùn)動(dòng)，定位器末端設(shè)置與工藝球頭匹配的工藝球窩，機(jī)身部件通過(guò)行車(chē)吊裝使工藝球頭入位，工藝球頭與工藝球窩形成球鉸連接[2]，實(shí)現(xiàn)機(jī)身部件的4點(diǎn)支撐。

2 坐標(biāo)系建立方法

為了確保機(jī)身部件在吊裝時(shí)，工藝球頭能夠準(zhǔn)確地落入定位器末端的工藝球窩內(nèi)，可通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量工藝球頭和工藝球窩的位置關(guān)系，因而需建立相應(yīng)坐標(biāo)系。

2.1 裝配坐標(biāo)系建立

裝配坐標(biāo)系是飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)測(cè)量和定位的基準(zhǔn)，系統(tǒng)通過(guò)記錄公共觀(guān)測(cè)點(diǎn)在裝配坐標(biāo)系下的位置來(lái)記錄和維護(hù)裝配坐標(biāo)系信息[3]。

裝配坐標(biāo)系建立方法如下：激光跟蹤儀測(cè)量公共觀(guān)測(cè)點(diǎn)，并進(jìn)行絕對(duì)定位計(jì)算，即激光跟蹤儀測(cè)量軟件轉(zhuǎn)站功能，獲得測(cè)量坐標(biāo)與裝配坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)置坐標(biāo)變換參數(shù)，測(cè)量結(jié)果直接變換為裝配坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，即完成裝配坐標(biāo)系的建立。

2.2 數(shù)控定位器坐標(biāo)系標(biāo)定

為確定工藝球窩球心在裝配坐標(biāo)系中的位置，需對(duì)數(shù)控定位器坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法如下：

（1）激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站，建立裝配坐標(biāo)系。

（2）通過(guò)主控系統(tǒng)控制數(shù)控定位器回到機(jī)械原點(diǎn)。

（3）測(cè)量工藝球窩球心位置，工藝球窩球心不能直接測(cè)量得到，需在工藝球窩內(nèi)放置一個(gè)工藝球頭，球頭末端放置靶球，讓工藝球頭在球窩內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，多次測(cè)量，靶球球心的軌跡為一個(gè)球面，軌跡擬合可得到工藝球窩的球心在裝配坐標(biāo)系下位置，如下：

3 球頭入位測(cè)量方法

3.1 測(cè)量方法確定

球頭入位測(cè)量方法可分為絕對(duì)測(cè)量法和相對(duì)測(cè)量法。

絕對(duì)測(cè)量法是通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量各工藝球頭的絕對(duì)球心坐標(biāo)，然后通過(guò)主控系統(tǒng)計(jì)算，驅(qū)動(dòng)數(shù)控定位器XYZ移動(dòng)，使各工藝球窩球心分別移至工藝球頭球心位置，實(shí)現(xiàn)球頭入位。

相對(duì)測(cè)量法是通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量各工藝球頭的球心坐標(biāo)，反饋至主控系統(tǒng)，計(jì)算出工藝球頭的相對(duì)位置關(guān)系，并驅(qū)動(dòng)數(shù)控定位器沿X、Y、Z移動(dòng)確保各工藝球窩的相對(duì)位置與工藝球頭的相對(duì)位置關(guān)系一致，然后通過(guò)吊裝將工藝球頭落入工藝球窩內(nèi)。

由于數(shù)控定位器X、Y、Z三向行程均在600mm以?xún)?nèi)，采用絕對(duì)測(cè)量法時(shí)，機(jī)身部件需通過(guò)吊裝固定于定位器附近，否則超出定位器行程，定位器工藝球窩無(wú)法移動(dòng)至工藝球頭球心位置。由于吊車(chē)懸掛機(jī)身部件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)量難以進(jìn)行；而且裝配現(xiàn)場(chǎng)工裝復(fù)雜，工藝球頭經(jīng)常受工裝遮擋，激光跟蹤儀無(wú)法測(cè)量，從而影響機(jī)身吊裝進(jìn)度。采用相對(duì)測(cè)量法，機(jī)身部件可放置在架外托架上進(jìn)行測(cè)量，機(jī)身部件處于穩(wěn)定狀態(tài)且不受現(xiàn)場(chǎng)裝配工裝遮擋。

因此，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，采用相對(duì)測(cè)量法完成球頭入位測(cè)量。

3.2 相對(duì)測(cè)量法計(jì)算模型

采用相對(duì)測(cè)量法，為確保各工藝球窩的相對(duì)位置與工藝球頭的相對(duì)位置關(guān)系一致，需計(jì)算出各數(shù)控定位器沿X、Y、Z移動(dòng)的距離，其計(jì)算模型如下：

激光跟蹤儀測(cè)量各工藝球頭球心位置：

工藝球頭與工藝球窩分布如圖1所示，工藝球窩球心初始位置前述已知：

圖1 相對(duì)測(cè)量法計(jì)算示意圖Fig.1 Sketch map for comparative measuring method

設(shè)各數(shù)控定位器X、Y、Z移動(dòng)后，各工藝球窩球心位置為：

假設(shè)工藝球頭入位時(shí)，數(shù)控定位器1不移動(dòng)，即

則工藝球頭1進(jìn)入工藝球窩1變換向量為：

同理，另外3個(gè)工藝球頭進(jìn)入相應(yīng)的工藝球窩均需經(jīng)過(guò)同樣的向量變換，數(shù)控定位器移動(dòng)后工藝球窩的目標(biāo)位置為：

則各數(shù)控定位器沿X、Y、Z移動(dòng)距離為：

即為各數(shù)控定位器沿XYZ移動(dòng)的距離，當(dāng)Δi超出數(shù)控定位器的移動(dòng)行程時(shí)，需對(duì)4個(gè)數(shù)控定位器整體進(jìn)行平移，設(shè)平移向量為 ，則最終各數(shù)控定位器沿X、Y、Z移動(dòng)距離為：

其中，平移向量A有無(wú)窮解，當(dāng)Δi小于數(shù)控定位器行程時(shí)，平移向量A即滿(mǎn)足要求。

4 控制軟件

工藝球頭測(cè)量入位時(shí)，應(yīng)完成裝配坐標(biāo)系建立、數(shù)控定位器標(biāo)定、工藝球頭相對(duì)位置測(cè)量、數(shù)控定位器位置匹配等任務(wù)，測(cè)量入位流程如圖2所示。

圖2 工藝球頭測(cè)量入位流程圖Fig.2 Flow chart for ball-heads position-following

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于激光跟蹤儀測(cè)量的工藝球頭測(cè)量入位方法，論述了現(xiàn)場(chǎng)裝配坐標(biāo)系建立和數(shù)控定位器的標(biāo)定方法，設(shè)計(jì)了絕對(duì)和相對(duì)球頭入位測(cè)量方法；根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，確定采用相對(duì)測(cè)量法完成工藝球頭入位測(cè)量，并建立相對(duì)測(cè)量法的計(jì)算模型；最后，設(shè)計(jì)了一套基于相對(duì)測(cè)量法的球頭入位測(cè)量流程。

[1] 張兵.飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)中浮動(dòng)入位技術(shù)研究[D].浙江：浙江大學(xué), 2010.

[2] 邱寶貴,蔣君俠,畢運(yùn)波,等.大型飛機(jī)機(jī)身調(diào)姿與對(duì)接試驗(yàn)系統(tǒng).航空學(xué)報(bào), 2011, 5:908-919.

[3] 余慈君.飛機(jī)數(shù)字化裝配精度場(chǎng)的若干關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2010.