楊婧

摘要：飛機部件數(shù)字化裝配作為一種裝配模式，綜合了測量、調(diào)姿、控制等技術(shù)。測量為條子提供數(shù)據(jù)支持，控制統(tǒng)領(lǐng)全局，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定裝配單元的初始狀態(tài)，根據(jù)比較結(jié)果校形，并規(guī)劃調(diào)姿路徑，驅(qū)動數(shù)控定位器按既定路徑運動，對裝配單元進(jìn)行調(diào)姿，反復(fù)迭代后，確定裝配單元在飛機坐標(biāo)系內(nèi)符合設(shè)計數(shù)模要求，即進(jìn)行定位和制孔連接。從而解決了裝配單元的定位和連接問題。

關(guān)鍵詞：飛機部件；數(shù)字化；裝配

1.裝配單元姿態(tài)的測量與評價技術(shù)

傳統(tǒng)裝配方式下裝配單元姿態(tài)主要依靠裝配單元與工裝型架的符合性進(jìn)行評價，如外形的評價依據(jù)是外形卡板，交點的評價依據(jù)是交點定位器等。在數(shù)字化裝配的條件下，裝配單元的姿態(tài)是通過測量確定的。 確定裝配單元的姿態(tài)主要通過測量實現(xiàn)，依據(jù)測量數(shù)據(jù)對裝配單元姿態(tài)進(jìn)行評價，從而判定裝配單元與設(shè)計數(shù)模的符合性。

將裝配單元考慮成為一個剛性體，理論上只要確定這個剛性體上空間不共面的三個點即可定位這個剛體。但實際上裝配單元并非是剛體，所以需要采用更多的點來評價裝配單元的姿態(tài)。在數(shù)字化裝配的條件下，一般選用裝配單元上設(shè)定的基準(zhǔn)來評價裝配單元的姿態(tài)。這些基準(zhǔn)通常選用裝配單元的一些確定的點，且這些基準(zhǔn)在裝配過程中是統(tǒng)一的，一致的。在裝配單元本身裝配過程中，這些基準(zhǔn)點是裝配單元裝配的基準(zhǔn)，在裝配單元姿態(tài)的評價過程中，這些點是裝配單元姿態(tài)評價的基準(zhǔn)。

在確定裝配單元評價的基準(zhǔn)后，裝配單元姿態(tài)評價就是確定這幾基準(zhǔn)的空間坐標(biāo)。在數(shù)字化裝配的條件下，一般采用激光跟蹤儀或I-GPS來確定這些基準(zhǔn)的坐標(biāo)。以激光跟蹤儀為例，在如數(shù)控定位器支撐和夾持飛機裝配單元后，在裝配單元的定位基準(zhǔn)點上安裝光學(xué)靶球，通過激光跟蹤測量系統(tǒng)測量裝配單元上的光學(xué)目標(biāo)點位置，獲得定位基準(zhǔn)點位置信息，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)里將該位置信息與產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)集給出的基準(zhǔn)點目標(biāo)位置進(jìn)行比對處理，得到裝配單元裝配位置的修正值，將修正值傳遞給運動控制系統(tǒng)，驅(qū)動多個機械隨動定位裝置協(xié)調(diào)調(diào)整裝配單元的位姿，直到裝配單元的位姿達(dá)到公差允許范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)裝配單元間的精確定位。

在實際工作中，根據(jù)系統(tǒng)布局設(shè)計要求，采用激光跟蹤儀和增強參考系統(tǒng)構(gòu)成裝配系統(tǒng)的空間測量場，增強參考點一般布局在裝配現(xiàn)場的地面或工裝上，主要用于確定跟蹤儀的位置，使測量坐標(biāo)系與現(xiàn)場裝配坐標(biāo)系一致。由于跟蹤儀是移動測量設(shè)備，其測量坐標(biāo)系跟隨跟蹤儀的移動而變化。跟蹤儀通過測量并匹配這些增強參考點確定跟蹤儀當(dāng)前的位置和姿態(tài)，從而使在不同站位或不同跟蹤儀的測量值具有統(tǒng)一的坐標(biāo)系，以利于裝配單元、裝配系統(tǒng)的位置和姿態(tài)評價。

2.裝配單元空間六自由度調(diào)姿技術(shù)

將裝配單元考慮為一個剛體，可將其分解為無數(shù)相關(guān)聯(lián)的點，其中任何一點在空間坐標(biāo)系內(nèi)都具有確定的坐標(biāo)X/Y/Z和α/β/γ三方向轉(zhuǎn)動的六自由度的任意組合，通過調(diào)整這一組合任意坐標(biāo)值的變化，這一點的姿態(tài)就會發(fā)生變化，從而帶動相關(guān)聯(lián)點的變化，因此剛體的姿態(tài)就發(fā)生了變化?；谶@種原理，剛體就從一個姿態(tài)到另一個姿態(tài)的變化可以通過X/Y/Z和α/β/γ的任意組合運動實現(xiàn)。如圖1所示。

按照上述調(diào)姿原理，在對裝配單元調(diào)姿過程中，僅需要對裝配單元施加一定的外力，使其能按照既定的調(diào)姿路徑運動，根據(jù)并聯(lián)機構(gòu)逆運動原理，可將裝配單元的這種運動分解到三坐標(biāo)方向運動的定位支撐上，這種支撐裝置就是數(shù)控定位器，通過工藝接頭與裝配單元連接，形成并聯(lián)機構(gòu)。

對于剛體而言，在其上確認(rèn)不共面的三點即能定位這個剛體，即理論上上一個剛體通過不共面的三點支撐且這三點能夠運動即能是這個剛體的姿態(tài)發(fā)生變化。但實際上，裝配單元并非是一個剛體，所以，在裝配單元進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的過程中，需要考慮過約束的問題，使其在運動過程中保持相對的剛性狀態(tài)。在實踐上，一般采用四點或六點支撐，或者輔以相應(yīng)的保形設(shè)施，這些支撐點與其連接的支撐裝置（數(shù)控定位器）形成一個并聯(lián)機構(gòu)，通過每一個支撐點的三坐標(biāo)運動，使裝配單元在各支撐點復(fù)合運動的過程中進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

裝配單元空間六自由度調(diào)姿即基于上述機理分析，對裝配單元的姿態(tài)在裝配系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整的過程。在數(shù)字化裝配條件下，裝配單元空間六自由度調(diào)姿就是在對裝配單元在裝配系統(tǒng)中姿態(tài)評價的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)裝配單元自動化調(diào)姿定位。

3.裝配單元空間六自由度調(diào)姿路徑規(guī)劃技術(shù)

裝配單元空間六自由度調(diào)姿的目的是為了定位，即確定裝配單元在飛機坐標(biāo)系內(nèi)的位子。確定裝配單元在飛機坐標(biāo)系內(nèi)的位姿后，需要將該姿態(tài)與設(shè)計數(shù)模進(jìn)行比較，以確定其姿態(tài)的符合性。若裝配單元實際測量的姿態(tài)不符合設(shè)計數(shù)模，則需要就其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其符合數(shù)模。從一個姿態(tài)到另一個姿態(tài)的變化，裝配單元需要運動一定的路徑。將裝配單元想象成為一個質(zhì)點，從一點到另外一點可以通過多個路徑實現(xiàn)，其中一條路徑是最優(yōu)化的，選擇這條最優(yōu)化路徑的過程就是調(diào)姿路徑規(guī)劃。一般說來，調(diào)姿路徑規(guī)劃的約束條件包括裝配單元空間位置幾何關(guān)系的約束，各軸驅(qū)動力最小，且驅(qū)動力平衡，運動速度快且平穩(wěn)。路徑規(guī)劃的算法需要考慮各軸的進(jìn)給量、運動速度、加速度、加加速度。

按上述分析，裝配單元的空間六自由度調(diào)姿過程是一個反復(fù)迭代的過程，使裝配單元的實際姿態(tài)無限接近理論數(shù)模，在規(guī)范和誤差許可的范圍內(nèi)，可認(rèn)為裝配單元調(diào)姿結(jié)果符合要求。在調(diào)姿完畢后，將數(shù)控定位器鎖死，是裝配單元保持調(diào)姿后的姿態(tài)即定位后，就可以連接。

4.數(shù)字化裝配系統(tǒng)集成控制技術(shù)

集成控制技術(shù)的核心是軟件系統(tǒng)。根據(jù)功能分類，其軟件系統(tǒng)包含集成管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)客戶端、調(diào)姿定位控制系統(tǒng)、數(shù)字化測量系統(tǒng)等等。各個子系統(tǒng)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接。

根據(jù)功能需求，以及實際需要，可將集成管理系統(tǒng)劃分為工藝流程管理模塊、現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)采集模塊、計算分析與仿真模塊、過程監(jiān)控模塊、異常處理模塊與用戶接口模塊等，構(gòu)成整個控制系統(tǒng)軟件體系。

（作者單位：中航飛機股份有限公司）