基于精度控制的飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接技術(shù)

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司總裝廠 唐健鈞 張世炯 譚清中

飛機(jī)大部件對(duì)接是飛機(jī)總裝配的重要組成部分，主要包含翼身對(duì)接、垂尾對(duì)接等。其中，翼身對(duì)接的約束關(guān)系最為復(fù)雜，機(jī)翼承受的載荷也最大，對(duì)接質(zhì)量直接影響飛機(jī)的飛行安全和使用壽命。大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)能夠適應(yīng)飛機(jī)快速研制和低成本制造的要求，是數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過程中更深層次的應(yīng)用及延伸[1-3]。

20世紀(jì)90年代以來，國外飛機(jī)裝配技術(shù)迅速發(fā)展，以波音777、A380、C-17、F-35等為代表的新型軍民用飛機(jī)均采用大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接裝配。目前我國航空制造企業(yè)引進(jìn)了部分國外先進(jìn)的裝配測(cè)量設(shè)備，如電子經(jīng)緯儀（CAT）和激光跟蹤儀（LT）等應(yīng)用于飛機(jī)總裝配過程[4-5]。但是，在飛機(jī)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)方面的研究還比較零散，應(yīng)用程度較低。例如，在翼身對(duì)接方面，目前主要是通過絲桿調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)翼身對(duì)接，該過程以人工觀察和操作為主，難以實(shí)現(xiàn)裝配精度控制。

為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)翼身對(duì)接過程中機(jī)翼空間位姿的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量、控制與調(diào)整，提高翼身高精度對(duì)接的一次成功率，提出基于精度控制的飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接技術(shù)，以保證飛機(jī)翼身對(duì)接精度和對(duì)接質(zhì)量、提高對(duì)接效率、提高飛機(jī)的疲勞強(qiáng)度，滿足現(xiàn)代飛機(jī)高可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、長壽命、舒適性的要求。

1 飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接原理

基于精度控制的飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接技術(shù)是將計(jì)算機(jī)精確控制的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)和控制軟件等系統(tǒng)有機(jī)融合。通過自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐、定位和調(diào)整機(jī)翼；利用數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量機(jī)翼、機(jī)身的位置和姿態(tài)；結(jié)合實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過控制軟件完成部件位姿求解、對(duì)接部件調(diào)姿軌跡規(guī)劃、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軌跡求解等，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接。

1.1 飛機(jī)翼身對(duì)接過程

飛機(jī)翼身對(duì)接過程主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)身耳邊與機(jī)翼叉耳之間的一面兩孔定位，以及對(duì)應(yīng)的銷軸裝配。機(jī)翼自動(dòng)對(duì)接裝配的過程中，需要測(cè)量的主要參數(shù)是機(jī)身叉耳以及機(jī)翼耳邊的具體空間位置。翼身對(duì)接過程主要分為初始狀態(tài)標(biāo)定、粗定位和精定位3個(gè)階段，如圖1所示。

（1）初始狀態(tài)標(biāo)定。建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，通過測(cè)量系統(tǒng)對(duì)機(jī)身耳片、機(jī)翼叉耳、裝配機(jī)械臂基座與末端進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 飛機(jī)翼身對(duì)接過程Fig.1 Wing-body aircraft docking process

（2）根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整并聯(lián)平臺(tái)使兩者姿態(tài)一致，通過自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行兩者的對(duì)接裝配，即叉耳與耳片彼此靠近。

（3）利用測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)叉耳與耳片之間的相對(duì)位置，引導(dǎo)耳片以正確的矢量方向插入叉耳；當(dāng)叉耳與耳片的裝配孔部分重疊時(shí)，實(shí)時(shí)采樣機(jī)器視覺檢測(cè)裝置的圖像信息，實(shí)現(xiàn)最終定位。

1.2 飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接策略

在飛機(jī)翼身對(duì)接準(zhǔn)備過程中，機(jī)身與機(jī)翼部件通過吊裝固定在相應(yīng)的定位器上，它們的初始位置具有不確定性，控制軟件利用機(jī)身與機(jī)翼的初始位置實(shí)測(cè)坐標(biāo)求解其位姿，規(guī)劃機(jī)翼粗定位和精定位的運(yùn)動(dòng)軌跡，并求解出機(jī)翼定位器各向的驅(qū)動(dòng)軌跡。機(jī)翼在定位器的驅(qū)動(dòng)下從初始位姿調(diào)整到指定的目標(biāo)位姿，其自動(dòng)對(duì)接調(diào)姿策略如圖2所示。

圖2 翼身自動(dòng)對(duì)接調(diào)姿策略Fig.2 Wing-body automatic docking attitude adjustment policies

位姿標(biāo)定包括機(jī)身和機(jī)翼的位姿標(biāo)定，是根據(jù)機(jī)身和機(jī)翼的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)，求解出對(duì)應(yīng)的初始位姿。機(jī)身位姿標(biāo)定后鎖定機(jī)身位姿。機(jī)翼調(diào)姿過程包括4個(gè)階段：俯仰調(diào)姿、橫滾調(diào)姿、航向調(diào)姿、位置調(diào)整，分別完成機(jī)翼俯仰角、橫滾角、航向角和空間位置的調(diào)整。

2 飛機(jī)翼身對(duì)接過程的數(shù)字化檢測(cè)

2.1 翼身對(duì)接過程數(shù)字化檢測(cè)原理

飛機(jī)翼身對(duì)接過程中，初始狀態(tài)標(biāo)定、粗定位和精定位均需要數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，然而不同階段，由于測(cè)量對(duì)象不同，所使用的數(shù)字化檢測(cè)原理有所區(qū)別。

翼身初始狀態(tài)標(biāo)定是順利完成裝配操作的基礎(chǔ)，需要檢測(cè)機(jī)翼的初始位姿和裝配需要達(dá)到的目標(biāo)位姿。因?yàn)轱w機(jī)翼身裝配可以抽象為實(shí)現(xiàn)叉耳和耳片之間一面兩孔約束，所以機(jī)翼的初始位姿檢測(cè)的目標(biāo)定位叉耳精加工的兩個(gè)內(nèi)表面和孔。通過擬合運(yùn)算，可以求解出機(jī)翼的初始位姿。同理裝配需要達(dá)到的目標(biāo)位姿即為機(jī)身耳片精加工的外表面和孔。

機(jī)翼粗定位過程中，為了防止翼身之間發(fā)生碰撞，機(jī)翼裝配目標(biāo)位置為叉耳和耳片的中心線相互對(duì)齊，不用使叉耳裝入耳片中。為了監(jiān)控粗定位全過程，需要對(duì)機(jī)翼位姿進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并且利用測(cè)量反饋運(yùn)動(dòng)控制原理，求出下一時(shí)刻自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)6個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)該具有的轉(zhuǎn)角增量。經(jīng)過多步迭代，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼粗定位。

機(jī)翼精定位需要實(shí)現(xiàn)叉耳耳片之間兩側(cè)間隙相等，以及耳片和叉耳兩孔之間的軸線重合。即首先通過測(cè)量間隙距離，消除叉耳耳片之間軸向的位置偏差，如圖3所示。然后通過圖像中圓邊界的準(zhǔn)確提取以及圓孔幾何參數(shù)的正確擬合，使叉耳和耳片的軸線重合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的精定位。

圖3 機(jī)翼精定位檢測(cè)原理Fig.3 Wing precision positioning detection principle

2.2 測(cè)量反饋運(yùn)動(dòng)控制原理

圖4 測(cè)量反饋運(yùn)動(dòng)控制原理Fig.4 Measurement feedback motion control

在自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量零部件空間姿態(tài)，通過計(jì)算求出偏移量，獲得裝配空間路徑曲線，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，如圖4所示。

測(cè)量反饋運(yùn)動(dòng)控制的詳細(xì)過程如下：

（1）采用檢測(cè)設(shè)備獲取零部件邊緣形貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)：利用激光跟蹤儀測(cè)量自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)末端空間位置姿態(tài)；利用自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)末端的輪廓傳感器測(cè)量零部件邊緣與該機(jī)構(gòu)末端的偏移量；將上述數(shù)據(jù)疊加獲得零部件邊緣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（2）利用增量運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與理論數(shù)模進(jìn)行對(duì)比，獲得進(jìn)給路徑曲線數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)進(jìn)給路徑曲線數(shù)據(jù)計(jì)算出自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)缸進(jìn)給量。自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)攜帶機(jī)翼精確進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量反饋運(yùn)動(dòng)控制。

3 基于精度控制的飛機(jī)翼身對(duì)接

飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接能夠保證機(jī)翼裝配過程的位姿精度，但是翼身對(duì)接能否實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的裝配約束，能否滿足設(shè)計(jì)精度，需要在裝配工藝準(zhǔn)備過程中進(jìn)行合理的裝配容差分配和裝配精度仿真。

目前，飛機(jī)研制企業(yè)實(shí)現(xiàn)了全三維的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)MBD模型發(fā)給工藝部門，工藝部門結(jié)合設(shè)計(jì)要求和企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行工藝規(guī)劃。為了提高飛機(jī)翼身對(duì)接的一次成功率，需要基于機(jī)翼叉耳和機(jī)身耳片的實(shí)際偏差進(jìn)行裝配精度仿真，提前對(duì)裝配精度進(jìn)行全程控制，以及結(jié)合工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行整體的裝配容差分配和工藝優(yōu)化，基于精度控制的飛機(jī)翼身對(duì)接總體技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 基于精度控制的飛機(jī)翼身對(duì)接技術(shù)路線Fig.5 Aircraft wing-body docking technology roadmap based on precision control

在設(shè)計(jì)階段，通過三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)建設(shè)計(jì)MBD模型；在工藝設(shè)計(jì)階段，通過工藝規(guī)劃和裝配容差分配，構(gòu)建工藝MBD模型和精度MBD模型；在脈動(dòng)生產(chǎn)階段，通過在線測(cè)量、數(shù)據(jù)處理，借助自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝配過程的精度控制。如果不能實(shí)現(xiàn)精度控制，則需要通過容差分配模型優(yōu)化，重新完成裝配容差分配。因?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)身結(jié)構(gòu)存在變形，所以對(duì)于某些不能滿足裝配精度的情況，可以通過選配修配保證最終的裝配精度。

4 實(shí)例分析

以某型飛機(jī)翼身對(duì)接為例，建立了基于精度控制的飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接實(shí)例，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Aircraft wing-body automatic docking system architecture

其中，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由POGO柱、工裝和控制柜構(gòu)成：POGO柱帶動(dòng)調(diào)姿工裝平臺(tái)靠近機(jī)身，并為機(jī)翼位姿調(diào)整提供固定基礎(chǔ)；工裝具有六自由度，調(diào)整機(jī)翼位姿，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的自動(dòng)化裝配操作?？刂乒袢菁{控制系統(tǒng)硬件元器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)姿工裝的控制。

測(cè)量系統(tǒng)由激光跟蹤儀、激光測(cè)距儀和智能相機(jī)組成：激光跟蹤儀測(cè)量機(jī)翼、機(jī)身、調(diào)姿工裝位姿；激光測(cè)距儀測(cè)量機(jī)身耳片和機(jī)翼叉耳之間間隙的大??；智能相機(jī)用于精定位過程中測(cè)量機(jī)身耳片孔和機(jī)翼叉耳孔是否重合。

在實(shí)際裝配之前，以裝配工藝為輸入，通過裝配容差分配、裝配精度仿真和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)裝配精度控制。在確認(rèn)設(shè)計(jì)可行的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際裝配。

在裝配過程中，為了防止機(jī)翼叉耳和機(jī)身耳片出現(xiàn)卡塞，需要六維力傳感器對(duì)裝配過程中的力進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控。六維力傳感器配套1個(gè)八通道信號(hào)放大器，1個(gè)多通道智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以及定制的操作控制軟件。六維力傳感器及放大器為德國ME的FK6D68-20KN和ME 的八通道放大器GSV-1A8，如圖7所示。

在翼身對(duì)接粗定位過程中，需要測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)翼的位姿狀態(tài)，激光跟蹤儀能夠?qū)崿F(xiàn)該功能。通過測(cè)量自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上3個(gè)標(biāo)志球的空間位置，獲得自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的空間位置，再測(cè)量機(jī)翼上3個(gè)標(biāo)志球獲得機(jī)翼的實(shí)時(shí)空間坐標(biāo)。通過增量運(yùn)動(dòng)學(xué)原理計(jì)算出機(jī)翼的運(yùn)動(dòng)路徑，相應(yīng)地計(jì)算出自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量。標(biāo)志球位置如圖8所示。

圖8 機(jī)翼支撐框架標(biāo)志球分布Fig.8 Wing supporting frame flag ball distribution

激光跟蹤儀的測(cè)量過程是在待測(cè)位置上安裝一個(gè)反射鏡，由激光發(fā)射器發(fā)出的激光射到反射鏡后按原路返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)以一定的速度移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭實(shí)時(shí)調(diào)整激光束方向以繼續(xù)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。激光跟蹤儀通過自身的角度編碼器測(cè)量激光束的水平方位角和垂直方位角，利用激光絕對(duì)測(cè)距儀測(cè)量反射鏡球心到跟蹤儀旋轉(zhuǎn)中心的距離，從而得到空間點(diǎn)的坐標(biāo)。

在翼身對(duì)接精定位過程中，利用激光測(cè)距儀及智能相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)叉耳和耳片相對(duì)位置的精確檢測(cè)，引導(dǎo)系統(tǒng)完成準(zhǔn)確對(duì)接定位。

智能相機(jī)是一種高度集成化的微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)，其將圖像的采集、處理與通信功能集成與單一相機(jī)內(nèi)，具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，如圖9所示。其測(cè)量對(duì)象包括：測(cè)量物體的幾何機(jī)構(gòu)（孔、邊緣和表面等），幾何體之間的間距，幾何體表面，鉚釘識(shí)別與重定位等。

圖9 智能相機(jī)Fig.9 Smart Cameras

在翼身對(duì)接精定位叉耳精確入位的過程中，利用智能相機(jī)的幾何圖案搜尋技術(shù)，定位叉耳和耳片孔的位置，并對(duì)其進(jìn)行高精度測(cè)量，確保兩孔軸線重合，最終實(shí)現(xiàn)高精度的翼身對(duì)接。

綜合裝配容差分配、自動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)接和數(shù)字化測(cè)量等技術(shù)手段，可以有效監(jiān)控翼身對(duì)接過程，并保證翼身對(duì)接質(zhì)量。該技術(shù)具有高柔性、高精度、高可靠性等特點(diǎn)，可以進(jìn)一步應(yīng)用到飛機(jī)其他大部件自動(dòng)對(duì)接過程。

5 結(jié)論

本文針對(duì)飛機(jī)翼身對(duì)接精度要求高，裝配過程不易控制等問題，綜合應(yīng)用裝配容差分配、自動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)接和數(shù)字化測(cè)量等技術(shù)，提出了一種基于精度控制的飛機(jī)翼身自動(dòng)對(duì)接技術(shù)。通過裝配容差分配和裝配精度仿真對(duì)翼身對(duì)接精度進(jìn)行分析，提高了對(duì)接的一次成功率；再結(jié)合激光跟蹤儀、激光測(cè)距儀和智能相機(jī)等數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備，以及自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在控制軟件的作用下，共同實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)翼身的高精度對(duì)接。

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