王 巍，周天一，王誠(chéng)鑫

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，遼寧 沈陽(yáng)110136）

0 引言

飛機(jī)大部件對(duì)接是飛機(jī)裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為提高大部件對(duì)接的質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外各飛機(jī)制造企業(yè)均飛機(jī)大部件自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)進(jìn)行研制，如波音公司研制的波音787大部件自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了機(jī)械工裝，控制系統(tǒng)，數(shù)字化測(cè)量設(shè)備以及專門(mén)的優(yōu)化計(jì)算軟件[1]。還有F-35飛機(jī)的電子裝配對(duì)接系統(tǒng)（EMAS），該對(duì)接系統(tǒng)柔性好，精度高，可以對(duì)不同型號(hào)機(jī)型進(jìn)行裝配[2-3]。本文通過(guò)將激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)，工控機(jī)與反饋系統(tǒng)相結(jié)合，制定基于激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的翼身對(duì)接方案。

1 基于激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的翼身對(duì)接方案設(shè)計(jì)

翼身對(duì)接過(guò)程中，對(duì)接基準(zhǔn)的選擇尤為重要，對(duì)接基準(zhǔn)的選擇決定了對(duì)接工裝的設(shè)計(jì)與激光跟蹤儀測(cè)量方案的制定。翼身對(duì)接基準(zhǔn)點(diǎn)一般選在激光跟蹤儀靶球易于接觸到的地方，方便測(cè)量，并且使激光跟蹤儀能夠在一個(gè)站位上，測(cè)到所有基準(zhǔn)點(diǎn)，防止轉(zhuǎn)站帶來(lái)的誤差。對(duì)接準(zhǔn)確度的設(shè)定也是翼身對(duì)接的關(guān)鍵，翼身對(duì)接準(zhǔn)確度應(yīng)滿足飛機(jī)整體裝配容差要求。

如圖1所示，本文對(duì)翼身對(duì)接方案進(jìn)行制定，為保證翼身對(duì)接的質(zhì)量，在對(duì)接前，對(duì)激光跟蹤儀的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行選取，之后，對(duì)翼身對(duì)接工裝進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。并應(yīng)用激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)翼身對(duì)接過(guò)程進(jìn)行測(cè)量，最后，根據(jù)設(shè)定的對(duì)接準(zhǔn)確度判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)翼身對(duì)接結(jié)果進(jìn)行判斷。

圖1 翼身對(duì)接方案制定

其中，激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)翼身對(duì)接的測(cè)量分為兩個(gè)部分：（1）對(duì)機(jī)身測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并將實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行擬合，建立機(jī)身坐標(biāo)系；（2）激光跟蹤儀對(duì)機(jī)翼位置調(diào)整過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量軟件將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以檢測(cè)翼身對(duì)接質(zhì)量，如果滿足對(duì)接準(zhǔn)確度要求，則對(duì)接完成，生成測(cè)量報(bào)告，否則，繼續(xù)對(duì)機(jī)翼位置進(jìn)行調(diào)整。

2 對(duì)接基準(zhǔn)的選擇和對(duì)接工裝的設(shè)計(jì)

為了保證翼身對(duì)接的精度與質(zhì)量，在翼身對(duì)接過(guò)程前，需要對(duì)翼身調(diào)姿的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行選取。如圖2所示，機(jī)翼的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)一般選取在機(jī)翼的蒙皮上，并且至少要選取四個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖2 機(jī)翼測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)

如圖3所示，為方便激光跟蹤儀對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量，機(jī)身的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)一般選取在機(jī)身側(cè)壁板上，并且至少選取四個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖3 機(jī)身測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)

翼身對(duì)接前，首先要對(duì)機(jī)身進(jìn)行定位和調(diào)姿，圖4所示為機(jī)翼定位器，該機(jī)翼定位器可以對(duì)x、y、z三個(gè)方向進(jìn)行位置調(diào)整，對(duì)于X和Y方向，使用移動(dòng)滑軌進(jìn)行調(diào)節(jié)，且為了滑動(dòng)穩(wěn)定，設(shè)置了雙導(dǎo)軌。對(duì)于Z方向，則使用定位器的調(diào)節(jié)器對(duì)Z方向的位置進(jìn)行調(diào)整。此外，該定位器上還裝有伺服傳動(dòng)裝置，可以根據(jù)在線測(cè)量軟件傳遞來(lái)的信息對(duì)機(jī)身位置進(jìn)行微調(diào)[4]。

圖4 機(jī)翼定位器

如圖5所示，對(duì)于機(jī)身的定位與調(diào)姿共設(shè)置四個(gè)定位器，將四個(gè)工藝接頭固定在四個(gè)定位器上，來(lái)保證機(jī)身位置的準(zhǔn)確性。其中四個(gè)定位器可以通過(guò)滑軌和調(diào)節(jié)器來(lái)改變其位置。工藝接頭與定位器連接，機(jī)身固定在工藝接頭上，工藝接頭對(duì)機(jī)身起到定位和裝夾的作用。并且定位器中裝有伺服裝置，可以通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。

圖5 機(jī)身定位器

3 翼身對(duì)接測(cè)量方法的制定

如圖6所示，為基于激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的翼身對(duì)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該翼身對(duì)接系統(tǒng)主要以激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)源，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量得到的部件調(diào)整數(shù)據(jù)和定位器調(diào)整數(shù)據(jù)，來(lái)對(duì)翼身對(duì)接過(guò)程進(jìn)行控制。

圖6 基于激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的大部件對(duì)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文翼身對(duì)接主要采用激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)翼身對(duì)接過(guò)程進(jìn)行跟蹤測(cè)量，具體測(cè)量方法與流程如圖7所示。首先，對(duì)機(jī)身上的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量軟件會(huì)采集測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值，并將實(shí)測(cè)值與理論值擬合建立機(jī)身坐標(biāo)系[5]。之后，在建立的機(jī)身坐標(biāo)系下，通過(guò)工控機(jī)對(duì)機(jī)翼定位器進(jìn)行控制，將機(jī)翼位置進(jìn)行調(diào)整，激光跟蹤儀會(huì)對(duì)機(jī)翼的位置進(jìn)行跟蹤測(cè)量，測(cè)量軟件會(huì)將機(jī)翼測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行分析，如果滿足機(jī)翼對(duì)接準(zhǔn)確度要求，則對(duì)接完成，如果沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)對(duì)機(jī)翼位置進(jìn)行調(diào)整，直到滿足要求為止。如圖7所示，激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)工作流程。

圖7 激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)工作流程

翼身對(duì)接主要應(yīng)用激光跟蹤儀和在線測(cè)量控制系統(tǒng)。其中在線測(cè)量控制系統(tǒng)是對(duì)通過(guò)激光跟蹤儀采集的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，來(lái)對(duì)裝有接收器的工裝進(jìn)行控制的系統(tǒng)[6]。

首先，應(yīng)用激光跟蹤儀對(duì)機(jī)身上的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行測(cè)量，并應(yīng)用測(cè)量得到的實(shí)際坐標(biāo)值與理論坐標(biāo)值進(jìn)行擬合建立機(jī)身坐標(biāo)系。擬合過(guò)程如下[7]。

設(shè)機(jī)身上的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)有i個(gè)，其測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值為Pi=（XiYiZi）T，其中i=1，2，……n.

設(shè)機(jī)身測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量坐標(biāo)值為Pi=（）T，i=1，2，……n.利用最小二乘法求解目標(biāo)函數(shù)：

使得機(jī)身測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值與實(shí)際值建立的坐標(biāo)系有最優(yōu)解和。利用SVD算法對(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，建立飛機(jī)坐標(biāo)系。

在坐標(biāo)系下，對(duì)機(jī)翼進(jìn)行跟蹤測(cè)量，在線測(cè)量軟件會(huì)將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并向伺服裝置發(fā)出調(diào)整命令，定位器會(huì)對(duì)機(jī)翼位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后，激光跟蹤儀會(huì)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行再次測(cè)量，檢測(cè)對(duì)接是否滿足要求，如果滿足準(zhǔn)確度要求，則對(duì)接完成，如果沒(méi)有到達(dá)對(duì)接準(zhǔn)確度要求，則繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，直到滿足準(zhǔn)確度要求為止。圖8為測(cè)量點(diǎn)的排布。

圖8 測(cè)量點(diǎn)位排布

如圖9所示，該翼身對(duì)接過(guò)程對(duì)激光跟蹤儀設(shè)置一個(gè)站位，對(duì)機(jī)身與機(jī)翼的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量[8]。

圖9 翼身對(duì)接仿真

4 翼身對(duì)接準(zhǔn)確度

大型客機(jī)翼身對(duì)接是飛機(jī)裝配中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，前期機(jī)身與機(jī)翼的零件制造，部件裝配，都是為了翼身對(duì)接做準(zhǔn)備。因?yàn)橐砩韺?duì)接過(guò)程中，存在著機(jī)身和機(jī)翼零部件制造誤差，定位器的調(diào)整誤差以及跟蹤測(cè)量裝置的測(cè)量誤差等，導(dǎo)致翼身對(duì)接過(guò)程存在偏差，所以在機(jī)身與機(jī)翼對(duì)接完成后，需要對(duì)機(jī)身與機(jī)翼對(duì)接的偏差進(jìn)行判斷，判斷對(duì)接是否滿足容差標(biāo)準(zhǔn)。如果翼身對(duì)接偏差在容差要求的范圍內(nèi)，則完成翼身對(duì)接工作。如果翼身對(duì)接的偏差未能滿足容差要求，則機(jī)翼的測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值進(jìn)入反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳遞給在線測(cè)量軟件，在線測(cè)量軟件會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并向伺服裝置發(fā)出調(diào)姿命令，伺服裝置收到調(diào)姿命令后，會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼定位器在方向進(jìn)行微調(diào)，以該種方式對(duì)機(jī)翼位置進(jìn)行反復(fù)修正，直到符合容差要求為止。

利用在機(jī)身坐標(biāo)系下，測(cè)得的機(jī)翼蒙皮上的基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值與理論坐標(biāo)值對(duì)比，得出在X、Y、Z方向上各基準(zhǔn)點(diǎn)所產(chǎn)生偏差，并將偏差與允許偏差進(jìn)行對(duì)比。判斷翼身對(duì)接是否滿足判斷標(biāo)準(zhǔn)。

其中，設(shè) Xi、Yi、Zi為基準(zhǔn)點(diǎn)的理論坐標(biāo)值，Xi′、Yi′、Zi′為基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值則裝配質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算過(guò)程如下[9]：

最后對(duì)△X，△Y，△Z是否滿足容差要求進(jìn)行判斷。

5 實(shí)例驗(yàn)證

現(xiàn)以某型客機(jī)翼身對(duì)接實(shí)例，來(lái)驗(yàn)證該對(duì)接方法的可行性和實(shí)用性。如圖10所示，為該機(jī)型機(jī)翼身對(duì)接過(guò)程。

圖10 翼身對(duì)接

該翼身對(duì)接，要求機(jī)翼的容差為±0.7.在翼身對(duì)接過(guò)程中，首先，對(duì)機(jī)身測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在線測(cè)量軟件會(huì)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行擬合建立機(jī)身坐標(biāo)系。

在飛機(jī)坐標(biāo)系下，對(duì)機(jī)翼位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并應(yīng)用激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)每一次調(diào)整后機(jī)翼的位置進(jìn)行跟蹤測(cè)量，若未達(dá)到容差要求，則繼續(xù)調(diào)整，直到滿足容差要求為止，激光跟蹤儀會(huì)根據(jù)滿足容差要求的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量值，生成測(cè)量報(bào)告。圖11是調(diào)整后，滿足容差要求的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量報(bào)告。根據(jù)測(cè)量報(bào)告可知，測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的誤差均在容差要求范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)該實(shí)例驗(yàn)證，本文制定的基于激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的翼身對(duì)接方案，有效可行。

圖11 翼身對(duì)接測(cè)量報(bào)告

6 總結(jié)

本文對(duì)基于激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的翼身對(duì)接技術(shù)進(jìn)行了研究，通過(guò)建立機(jī)身坐標(biāo)系，并在該坐標(biāo)系下，對(duì)機(jī)翼的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和在線測(cè)量，來(lái)完成翼身對(duì)接。該翼身對(duì)接方法雖然可以將偏差控制在容差要求范圍內(nèi)，但是仍然有許多不足之處，有些環(huán)節(jié)仍需要人工工作，如定位器的位置設(shè)置，激光跟蹤儀的位置排布。這不但增加任務(wù)工作量，耽誤工期，有時(shí)由于人工操作而導(dǎo)致誤差。

目前國(guó)內(nèi)采用數(shù)字化飛機(jī)裝配的方式，盡管較傳統(tǒng)的裝配方式，在工人工作量，精確度，裝配效率，裝配安全性等方面有了很大程度的提高，但仍有許多環(huán)節(jié)需要完善，并且有待于設(shè)計(jì)出包括飛機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的飛機(jī)數(shù)字化與自動(dòng)化的裝配生產(chǎn)線。