王 巍，叢瑋辰，王誠(chéng)鑫

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136）

0 引言

飛機(jī)產(chǎn)品尺寸大，數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證飛機(jī)產(chǎn)品的裝配精度，在飛機(jī)裝配過程中需要大量使用工裝。工裝調(diào)裝的準(zhǔn)確性對(duì)于飛機(jī)的裝配質(zhì)量有著重要影響。

當(dāng)前，飛機(jī)工裝主要有兩種形式：傳統(tǒng)的剛性工裝和柔性工裝[1]。剛性工裝占地面積大，裝配效率低，不利于連接其他自動(dòng)化設(shè)備使用。柔性工裝相比較于剛性工裝，具有數(shù)字化、可重構(gòu)性、自動(dòng)化等特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域。而柔性工裝由于這些特點(diǎn)，設(shè)備的檢測(cè)與調(diào)裝等問題更為困難，已成為飛機(jī)制造業(yè)的瓶頸[2]。

本文通過數(shù)字化測(cè)量技術(shù)與MBD技術(shù)的結(jié)合[3]，將飛機(jī)裝配工裝制造過程中的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，分析數(shù)字化測(cè)量技術(shù)對(duì)于工裝調(diào)裝的影響，對(duì)提高飛機(jī)裝配精度有著重要的意義。

1 工裝調(diào)裝技術(shù)總體方案

通過結(jié)合MBD技術(shù)，測(cè)量工裝工具球點(diǎn)，導(dǎo)入測(cè)量值，建立測(cè)量坐標(biāo)系，與工裝理論數(shù)模比較，用于工裝調(diào)裝。工裝型架上設(shè)有型架基準(zhǔn)點(diǎn)（MRP點(diǎn)），用于建立型架坐標(biāo)系。型架組件通過光學(xué)工具球點(diǎn)（OTP點(diǎn)）定位，根據(jù)六點(diǎn)定位原理[4]，限制空間六個(gè)自由度確定組件的位置。每個(gè)組件至少裝有三個(gè)不共線的OTP點(diǎn)，其中第一個(gè)OTP點(diǎn)控制三個(gè)坐標(biāo)方向，第二個(gè)OTP點(diǎn)控制兩個(gè)坐標(biāo)方向，最后一個(gè)OTP點(diǎn)控制一個(gè)坐標(biāo)方向，最終達(dá)到控制空間六個(gè)坐標(biāo)方向的作用，從而確定空間位置。

2 測(cè)量設(shè)備規(guī)劃與仿真

在測(cè)量工作開始之前，首先要確定測(cè)量設(shè)備的安放位置。在測(cè)量過程中，測(cè)量設(shè)備安放的位置應(yīng)該盡可能的檢測(cè)到所有待測(cè)元素，例如MRP點(diǎn)、OTP點(diǎn)、定位面等。如果不能一次完成完成測(cè)量，就需要增加測(cè)量設(shè)備或者轉(zhuǎn)站多次完成測(cè)量工作。然而這些方式都會(huì)造成工作效率、測(cè)量精度降低，測(cè)量成本的提高。通過測(cè)量仿真功能，保證測(cè)量設(shè)備能夠在精度允許的情況下通過使用盡可能少的設(shè)備測(cè)量到盡可能多的待測(cè)點(diǎn)。

仿真的核心在于“待測(cè)目標(biāo)可測(cè)性算法”，通過測(cè)量站位點(diǎn)和待測(cè)目標(biāo)之間建立連線，以連線長(zhǎng)度L為軸線構(gòu)造出地面半徑為R的圓錐，確定圓錐與待測(cè)目標(biāo)的可見面積，通過可視化連線表達(dá)出來(lái)。

通過導(dǎo)入待測(cè)數(shù)模和測(cè)量設(shè)備，模擬測(cè)量過程并對(duì)待測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算顯示不可視區(qū)域，如圖1所示。建立測(cè)量平臺(tái)，規(guī)劃測(cè)量站位。

圖1 站位測(cè)量仿真

3 數(shù)字化測(cè)量坐標(biāo)系建立方法與原理

數(shù)字化測(cè)量實(shí)際上是空間點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量，通過測(cè)量得到空間點(diǎn)坐標(biāo)值與理論坐標(biāo)值進(jìn)行分析比較，兩者的偏差即為實(shí)際位置與理論位置的偏差結(jié)果。理論值來(lái)自于工裝圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模型，即理論設(shè)計(jì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。測(cè)量值來(lái)自于空間數(shù)據(jù)測(cè)量，它是設(shè)備坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。設(shè)備坐標(biāo)系與理論坐標(biāo)系并不是同一個(gè)坐標(biāo)系，無(wú)法反應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際偏離位置。為了完成工裝的裝配裝調(diào)，需要將兩個(gè)坐標(biāo)系擬合在同一個(gè)坐標(biāo)系下，即測(cè)量坐標(biāo)系。三個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系

通過導(dǎo)入型架理論MRP點(diǎn)，利用激光跟蹤儀測(cè)得理論MRP點(diǎn)的測(cè)量值，根據(jù)測(cè)量軟件Bestfit功能利用最小二乘法[5]擬合理論坐標(biāo)系和設(shè)備坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系下。

設(shè)型架上設(shè)MRP點(diǎn)有i個(gè)，基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值為Pi=（XiYiZi）T，其中i=1，2，…n.設(shè)型架測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值為Pi=（）T，i=1，2，…n.通過運(yùn)用最小二乘法求解目標(biāo)函數(shù)：

使得型架MRP點(diǎn)理論值與實(shí)際值建立的坐標(biāo)系有最優(yōu)解R和T.利用SVD算法[6]對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。

推導(dǎo)出利用R和T對(duì)理論坐標(biāo)值與實(shí)際坐標(biāo)值進(jìn)行擬合，建立測(cè)量坐標(biāo)系。其測(cè)量由于在實(shí)際工作中，溫度、光照、噪聲、壓強(qiáng)等因素會(huì)影響到測(cè)量數(shù)據(jù)，需要在擬合坐標(biāo)系的同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償，減少誤差[7]。

4 數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在柔性工裝調(diào)裝過程中的應(yīng)用

4.1 柔性工裝總體結(jié)構(gòu)分析

某型柔性工裝主要由主型架和左右兩個(gè)移動(dòng)型架構(gòu)成。該組裝型架用于垂尾方向舵組件組裝。用于裝配的零件有梁、鉸鏈接頭、作動(dòng)器接頭、根肋、端肋，內(nèi)部肋等。方向舵主型架為柔性工裝可以在裝配站位和自動(dòng)制孔站位進(jìn)行工作，站位主要組件如圖3所示。因此需要保證地面杯錐系統(tǒng)在生產(chǎn)線使用周期內(nèi)的重復(fù)定位精度。主型架同樣會(huì)在裝配左右壁板時(shí)同移動(dòng)型架發(fā)生影響，保證移動(dòng)型架外部結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性至關(guān)重要。移動(dòng)型架需要在裝配站位和銑切站位進(jìn)行工作，也需要保證重復(fù)定位精度。

圖3 主型架主要組件

4.2 測(cè)量站位仿真

通過利用Delmia仿真軟件，對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行仿真，建立測(cè)量平臺(tái)，確定測(cè)量站位，來(lái)保證測(cè)量精度和工作效率。

4.3 地面杯錐與氣動(dòng)夾具位置確定

傳統(tǒng)剛性工裝依靠頂絲固定于地面，該柔性工裝由于需要在多個(gè)站位進(jìn)行工作，采用杯錐系統(tǒng)取代頂絲，杯錐系統(tǒng)如圖4所示。通過測(cè)量設(shè)備添加檢測(cè)窗口調(diào)平杯錐，確保地面杯錐系統(tǒng)擬合的平面平面度控制在0.1 mm范圍內(nèi)，以保證主型架位于同一水平面。再通過理論數(shù)模將杯錐調(diào)整到理論位置，使位置度偏差在0.1 mm范圍內(nèi)，完成杯錐調(diào)裝工作。

圖4 地面杯錐系統(tǒng)

方向舵裝配過程中，左右兩個(gè)移動(dòng)型架裝載壁板靠近主型架，靠氣動(dòng)夾具（rohm系統(tǒng)）固定在主型架上，保證工裝的重復(fù)性和穩(wěn)定性。rohm系統(tǒng)由固定在移動(dòng)型架和主型架的六個(gè)表盤組成，如圖5所示，在裝配過程中，氣閥打開，移動(dòng)型架表盤里的鋼珠彈出，將氣動(dòng)夾具鎖死，保證定位精度。

圖5 氣動(dòng)夾具系統(tǒng)

由于該型架體積巨大，僅根據(jù)理論數(shù)模位置的調(diào)裝的方法由于系統(tǒng)誤差無(wú)法確定氣動(dòng)夾具的具體位置。通過在主型架和移動(dòng)型架rohm系統(tǒng)周圍粘貼臨時(shí)FLAT點(diǎn)，測(cè)量主型架和移動(dòng)型架在工作位置rohm系統(tǒng)沒有開啟時(shí)FLAT點(diǎn)位置，添加檢測(cè)窗口，比較rohm系統(tǒng)開啟時(shí)FLAT點(diǎn)位置，通過加減墊片的方法保證兩次測(cè)量值偏差在±0.1 mm之內(nèi)，保證工裝的重復(fù)性。

4.4 數(shù)字化測(cè)量坐標(biāo)系建立

根據(jù)柔性型架機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，確定建立型架坐標(biāo)系方法，以達(dá)到減少誤差的目的。通過測(cè)量MRP點(diǎn)和理論MRP值進(jìn)行擬合，在擬合過程中加入溫度和材料補(bǔ)償，減少測(cè)量誤差，建立型架坐標(biāo)系，擬合結(jié)果如圖6所示，作為調(diào)整組件的的基準(zhǔn)。從圖中結(jié)果分析，型架坐標(biāo)系的擬合結(jié)果測(cè)量值與理論值偏差在0.1 mm以內(nèi)，保證后續(xù)組件的調(diào)裝在公差范圍之內(nèi)。在測(cè)量過程中，應(yīng)盡量將所有MRP點(diǎn)測(cè)量值與理論值進(jìn)行擬合，以確定型架坐標(biāo)系。因?yàn)楸敬窝芯康娜嵝怨ぱb型架尺寸大，組件多，在某一站位可能無(wú)法將所有MRP點(diǎn)全部測(cè)到，應(yīng)保證測(cè)量到的MRP點(diǎn)將整個(gè)型架包圍，在需要的情況下粘貼臨時(shí)增強(qiáng)FLAT點(diǎn)，確保建立的型架坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性。

圖6 擬合坐標(biāo)系結(jié)果

建立型架坐標(biāo)系之后需要測(cè)試型架的重復(fù)定位精度，分別測(cè)量三次主型架和移動(dòng)型架MRP點(diǎn)值，確保偏差在0.1 mm范圍內(nèi)。由于柔性工裝需要在不同站位工作，主型架和移動(dòng)型架除了需要在裝配站位測(cè)量還需要分別在制孔站位和銑切站位進(jìn)行測(cè)量，確保型架坐標(biāo)系建立的準(zhǔn)確性。

在調(diào)整某些組件的過程中，使用世界坐標(biāo)系無(wú)法直接得到在組件所在平面的偏差值，需要建立與之相對(duì)于的坐標(biāo)系方便調(diào)整組件位置。通過組件三個(gè)面建立坐標(biāo)系，或者通過點(diǎn)線面建立坐標(biāo)系來(lái)完成組件的調(diào)裝工作。

4.5 組件的裝調(diào)和型架定位器的安裝

將型架數(shù)模和OTP點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入測(cè)量軟件中，先調(diào)整定位面的位置。通過添加監(jiān)測(cè)窗口，監(jiān)測(cè)定位面測(cè)量值與理論值之間的偏差△d，通過加減墊片將定位面調(diào)整到理論位置，使規(guī)定誤差≥d，并確保平面度在公差范圍0.1 mm內(nèi)。再監(jiān)測(cè)定位面的軸線OTP點(diǎn)，監(jiān)測(cè)實(shí)際與理論偏差（△X，△Y，△Z），測(cè)量軸線需要使用測(cè)量附件和雙矢量靶座。通過調(diào)整定位器的位置，將OTP點(diǎn)調(diào)整到理論位置，保證規(guī)定誤差ε≥（△X，△Y，△Z），即可確定組件的位置。最后調(diào)整鉆模板的位置，每個(gè)鉆模板上有三個(gè)不共線的OTP點(diǎn)，根據(jù)六點(diǎn)定位原理，將這三個(gè)OTP點(diǎn)調(diào)整到理論位置，確保誤差在公差范圍之內(nèi)，即可確定鉆模板的位置。在確定所有組件位置之后，用螺栓將定位器固定。

4.6 數(shù)據(jù)分析報(bào)告

完成工裝調(diào)裝工作之后，使用Spatial Analyzer測(cè)量軟件生成測(cè)量報(bào)告。如圖7所示，從測(cè)量報(bào)告數(shù)據(jù)分析可知，定位面調(diào)裝后的實(shí)際位置與理論位置偏差都在±0.1 mm范圍內(nèi)，OTP點(diǎn)在x，z方向上偏差都在±0.2 mm范圍內(nèi)，y方向由于是軸向方向，不影響裝配，故不做精度要求，滿足工裝調(diào)裝精度要求。

圖7 測(cè)量報(bào)告

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的工裝調(diào)裝方式，實(shí)現(xiàn)了調(diào)裝過程的數(shù)字化、便捷化與可視化。通過對(duì)基于數(shù)字化測(cè)量的柔性工裝調(diào)裝技術(shù)的研究，著重分析了調(diào)裝的關(guān)鍵性技術(shù)，制定了調(diào)裝的具體方案，保證了柔性工裝的重復(fù)定位精度。目前，國(guó)內(nèi)柔性工裝調(diào)裝技術(shù)已經(jīng)取得明顯進(jìn)步，但調(diào)裝效率和精度仍和國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距，需要進(jìn)一步的研究提高調(diào)裝能力，以保證飛機(jī)裝配的準(zhǔn)確性。