大型飛機數(shù)字化裝配在線測量技術研究

沈陽航空航天大學航空航天工程學部 王 巍 俞鴻均 安宏喜 谷天慧

大型飛機數(shù)字化裝配技術實現(xiàn)自動化精準裝配，其主要特點是設計、制造和裝配都采用數(shù)字量協(xié)調；數(shù)字化三維模型、數(shù)字化測量設備和自動化裝配設備（工業(yè)機器人、自動鉆鉚機）集成應用，實現(xiàn)數(shù)字化裝配[1]。其中，數(shù)字化測量技術是大型飛機數(shù)字化制造的核心技術之一，能保證飛機裝配過程中零部件制造的符合性、定位精確性和裝配協(xié)調性。各項關鍵技術都離不開測量技術的輔助支撐。各大民用航空企業(yè)承擔國外大型飛機制造項目中，雖然已大量使用先進測量設備，但是對測量方法的研究較少，且對在線測量技術尚未完全掌握。相對于傳統(tǒng)剛性工裝裝配產品離線測量方式而言，在線測量技術實現(xiàn)了產品裝配、測量和誤差補償集成應用，其測量結果直接以實時數(shù)字量表征，對裝配過程中測量數(shù)據實時采集分析、傳輸、反饋和存儲。根據測量結果及時發(fā)現(xiàn)裝配誤差，快速解決問題，對提高我國飛機數(shù)字化裝配精度，縮短裝配周期，保證裝配效率，具有重要意義。

離線測量由于裝配與測量不在工裝上同步進行，對飛機大部件進行搬運、重復裝夾等操作，導致后期測量產生的誤差較多。如測量設備本身誤差、測量過程中操作誤差、重復定位誤差、本身重力引起誤差與飛機裝配誤差等，很難確定誤差引起的原因。因此，相比較離線測量方式，在線測量能實時跟蹤零部件裝配，保證產品裝配效率，提高裝配精度，在大型飛機數(shù)字化裝配中適用范圍更廣。

飛機數(shù)字化裝配在線測量軟硬件組成

大型飛機數(shù)字化裝配在線測量方式多種多樣。按照不同的測量方式研究測量設備系統(tǒng)構成，闡述在線測量設備組成，深化3種在線測量設備在飛機數(shù)字化裝配中的應用。

1 在線測量系統(tǒng)構成

數(shù)字化在線測量系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成。硬件系統(tǒng)主要包括計算機、控制器、驅動機構、執(zhí)行部分和輔助測量裝備等構成[2]。軟件系統(tǒng)采用便攜式跟蹤與測量三維圖形軟件集成于計算機平臺，實現(xiàn)設備控制和數(shù)據處理，所有實時監(jiān)測數(shù)據和指令均由計算機平臺輸出，最終反饋到計算機。計算機平臺通過軟件系統(tǒng)建立測量數(shù)據集，實現(xiàn)在線測量，最終完成在線測量報告，以供裝配人員參考。以激光跟蹤儀系統(tǒng)構成為例，如圖1所示。

圖1 在線測量系統(tǒng)構成

在激光跟蹤儀在線測量系統(tǒng)軟件中建立飛機坐標系，按照測量規(guī)劃將飛機理論數(shù)模導入軟件系統(tǒng)中，與實際裝配關鍵點理論數(shù)據對比分析，實現(xiàn)零部件裝配過程中在線測量，得出實時測量報告；硬件中，零部件裝配關鍵點實測值與理論值輸入計算機平臺，將測量反饋的數(shù)據實時傳輸?shù)接伤欧到y(tǒng)、定位器與控制系統(tǒng)集成的柔性工裝及輔助測量設備中，對測量過程中誤差標定及時反饋到軟件系統(tǒng)中補償，對補償誤差數(shù)據分析與處理，實現(xiàn)在線測量，最終完成實時測量報告。

2 在線測量設備組成

隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，航空業(yè)中測量技術從傳統(tǒng)的使用樣板、標準樣件等工具測量，已經發(fā)展為使用電子經緯儀、全站儀、機械關節(jié)臂、三坐標測量機、激光跟蹤儀、iGPS、激光雷達與數(shù)字照相儀等數(shù)字化測量設備進行測量。

但是，由于各方面因素，如測量設備的數(shù)量、測量方法的選擇與工裝設計等因素限制，國內很多企業(yè)對在線測量技術應用不多。特別對于大型飛機零組件數(shù)字化裝配而言，高精度的裝配方式、不穩(wěn)定的零件變形、高難度的柔性定位器誤差控制等都需要對飛機裝配過程進行周期測量，且需要更多測量設備集成實現(xiàn)零組件裝配過程在線測量。在線測量系統(tǒng)設備組成有：（1）激光跟蹤儀在線測量。激光跟蹤儀在飛機數(shù)字化裝配在線測量時可隨時轉站，同時可以多臺激光跟蹤儀并行測量，在局域網用一臺電腦可同時控制多臺儀器[3]。跟蹤儀本體可以連續(xù)地瞄準、跟蹤反射靶標返回激光束位置，由儀器的控制中樞發(fā)出指令與接受數(shù)據，并把數(shù)據傳遞到計算機平臺進行數(shù)據處理，實現(xiàn)零組件裝配多基站在線測量。（2）iGPS在線測量。iGPS能對空間分布的多個目標點高精度定位[4]。發(fā)射器通過旋轉激光發(fā)射出激光信號，在零組件和柔性定位器上增加傳感器用于接收光信號，接收器在360°測量空間內收集數(shù)據計算出準確位置，將當前傳感器的位置實時地傳輸給計算機平臺，自動校準裝配，裝配出現(xiàn)偏差時及時警告，解決偏差問題。同時，iGPS也可以和其他測量設備集成使用在線測量。（3）數(shù)字照相儀在線測量。數(shù)字照相測量通過一臺或多臺高分辨率的數(shù)字相機，測量前在零組件關鍵位置定標與貼片，對被測飛機零組件裝配關鍵位置進行多次、多角度拍攝照相，得到飛機零組件裝配關鍵位置或外形數(shù)字影像[5]。使用計算機平臺進行圖像匹配及相關數(shù)學公式轉化計算，得到被測零組件上關鍵測量點的空間坐標，獲得被測零組件外形等相關信息在線測量。

飛機數(shù)字化裝配在線測量技術

在線測量技術的實際應用體現(xiàn)在對零組件裝配過程實時監(jiān)測得到反饋數(shù)據，對理論數(shù)模與實際位置對比得出裝配誤差，通過控制系統(tǒng)對定位器微調，直到零組件裝配達到裝配精度要求。裝配過程中工裝起著支撐和定位的重要作用，研究剛性與柔性工裝在線測量技術，對飛機大部件最終測量結果提供誤差依據，縮短飛機交付周期。

1 剛性工裝在線測量技術

傳統(tǒng)的剛性工裝占地面積較大，數(shù)量較多，為便于飛機零組件快速裝配，使用激光跟蹤儀與iGPS結合實現(xiàn)在線測量。工裝上都有便于工裝設計、制造與維護相應的飛機坐標系理論點（TB1、TB2、TB3、TB4），對大飛機零組件裝配時需要多次轉站建立坐標系，在工裝的立柱、橫梁內側和地板及輔助地面布置測量基準點（ERS1、2、3、4、5、6），每次轉站可視化公共點5個左右，與工裝關鍵TB點建立飛機坐標系擬合誤差達到最小。采用iGPS 6個發(fā)射器，在工裝相應定位器與產品關鍵點上布置接受傳感器。測量點與設備的分布如圖2所示。

利用激光跟蹤儀根據工裝理論坐標點使用最佳擬合法或束調整方法建立飛機坐標系。將飛機與工裝理論數(shù)模在CATIA中轉化為stp格式，導入到激光跟蹤儀三維測量軟件中，在飛機坐標系下測量架下未裝配的飛機零組件關鍵點，通過飛機零組件測量關鍵點與理論坐標點最佳擬合，建立相對坐標系，在相對坐標系下再次測量飛機零組件裝配關鍵定位點的位置，使定位點導出保存計算機平臺。將坐標系重新轉換飛機坐標系，導入飛機零組件在相對坐標系下關鍵點的實測值，將實測值坐標點反饋到產品工裝關鍵位置進行標記。將標記的實測值傳輸?shù)絠GPS軟件系統(tǒng)中，通過發(fā)射器發(fā)出指定飛機零組件裝配關鍵點位置信號，分布在定位器上的接收器接收信號數(shù)據，將零組件裝配到指定位置。裝配過程中激光跟蹤儀與iGPS結合實時跟蹤飛機零組件在線測量。最終生成數(shù)據分析報告，為后續(xù)飛機大部件裝配提供精確的誤差數(shù)據，減少裝配誤差。

圖2 剛性工裝測量點與設備布局

2 柔性工裝在線測量技術

柔性工裝是一種數(shù)字化、柔性化與自動化工裝，主要依靠模塊化定位器定位零組件裝配，定位器的位置精度決定了零組件裝配精度。單獨使用激光跟蹤儀，iGPS與數(shù)字照相儀或兩者結合都可以實現(xiàn)在線測量，測量設備布局如圖3所示。

圖3 柔性工裝測量設備布局

（1）使用激光跟蹤儀可以對零組件裝配關鍵位置與柔性工裝定位器實時在線監(jiān)測。柔性工裝定位器是直接執(zhí)行零組件裝配定位的重要元件，也是測量點布局的重要位置，任何定位點微小的變形和誤差都會對整個飛機零組件裝配與在線測量產生影響，定位器通常聯(lián)動且在工裝內側。因此，柔性工裝在線測量采用多臺激光跟蹤儀集成在線測量系統(tǒng)，通過軟件接口連接一臺計算機控制多臺激光跟蹤儀，完成測量環(huán)境的建立。根據工裝的理論TB點建立飛機坐標系，在工裝動態(tài)定位器上放置測量工具球，用于實時跟蹤定位器的位置。將工裝與零組件數(shù)模導入測量軟件與實際位置對比，對工裝每一個定位測量點按照不同機型的正確位置進行校準，補償系統(tǒng)產生的誤差。對飛機零組件裝配關鍵位置實時監(jiān)測，將測量信息反饋到計算機平臺，通過控制系統(tǒng)對測量點的位置在線監(jiān)測自動調整，保證布局點重復定位和裝配零組件定位器同步協(xié)調精度，實現(xiàn)飛機數(shù)字化裝配在線測量。

（2）iGPS 在線測量系統(tǒng)綜合應用了集成傳感器、計算機、自動控制和圖像識別技術，不僅能夠對柔性工裝多個定位器同時監(jiān)測，而且每個接收器讀取它自己實際空間坐標，實現(xiàn)快速自動控制裝配產品。圖中使用了6個發(fā)射器，接收器放置于動態(tài)定位器與零組件關鍵點位置，每個接收器需接收不少于4 個發(fā)射器的信號，才能保證飛機零組件裝配精度最小。發(fā)射器數(shù)量取決于工作區(qū)域的大小，無需轉站，應避免阻擋障礙。在不同的坐標系下測得發(fā)射器方位值，對各發(fā)射器相對位置關系和空間布局進行標定，使所有發(fā)射器測得的目標點在同一個坐標系下，然后對測量結果進行計算分析，求得各發(fā)射器坐標系之間相對位置和姿態(tài)，建立飛機測量坐標系。將飛機零組件數(shù)模導入軟件與實際裝配位置比對，零組件上關鍵點與動態(tài)定位器的位置實時反饋計算機，由計算機發(fā)出信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)及時在線監(jiān)測調整，實現(xiàn)飛機數(shù)字化裝配在線測量。

（3）數(shù)字照相儀測量系統(tǒng)對飛機零組件裝配過程實時檢測，為便于拍攝飛機零組件外形點云數(shù)據的后置處理，對飛機零組件與工裝關鍵測量位置布置特征點進行標定。拍攝時對這些標記的特征點重點拍攝，對關鍵測量點的三維空間坐標計算轉換，完成照相儀拍攝坐標系轉換為飛機坐標系。將飛機理論數(shù)模導入到點云處理軟件與實際裝配位置對比，對飛機零組件裝配外形實時監(jiān)測調整，實現(xiàn)飛機數(shù)字化裝配在線測量。

圖4 后機身總裝工藝流程

按照測量規(guī)劃完成飛機零組件數(shù)字化裝配在線測量，將實時數(shù)據分析報告與大部件裝配完成下架測量數(shù)據報告對比，形成最終測量報告。

某型飛機后機身數(shù)字化裝配在線測量

在線測量技術在后機身組件裝配中的應用，為難裝配、難測量零組件提供可靠測量方案，也為后期終檢結果提供誤差數(shù)據。通過對后機身總裝工藝性分析，實現(xiàn)部分裝配工位在線測量，最終生成數(shù)據分析報告。

1 后機身數(shù)字化裝配工藝性分析

后機身由上部壁板組件、左側壁板組件、右側壁板組件、壓力隔框、后機身艙門（包括服務門、貨艙門等）、背鰭組件、地板組件等7部分組成。后機身總裝工藝流程如圖4所示。

首先，由上半殼零件（蒙皮、長桁和框角片）初定位組成壁板，在自動鉆鉚機系統(tǒng)上編制鉆鉚工藝裝配為壁板組件。由零組件裝配服務門口框，對門口框架下補鉚，應用在線測量技術完成門口框與組件壁板裝配形成上半殼裝配；第二步下半殼零件初定位組成壁板，自動鉆鉚機裝配形成壁板組件。由零組件裝配貨艙門口框，對門口框架下補鉚，應用在線測量技術完成門口框與組件壁板裝配形成下半殼裝配；第三步后機身地板組件裝配，架外補鉚，應用在線測量技術完成地板組件與下半殼機身裝配；第四步應用在線測量技術完成后機身上半殼組件與下半殼組件環(huán)向對接；最終應用在線測量技術對后機身部分零部件裝配完成總裝，按照測量計劃架外測量后與在線測量數(shù)據對比形成數(shù)據分析報告，完成噴漆。

2 后機身數(shù)字化裝配在線測量

在后機身組件數(shù)字化裝配過程中，對組件裝配基于激光跟蹤儀在線測量。通過工裝理論點與空間布置的ERS點，用一臺激光跟蹤儀進行轉站實現(xiàn)組件裝配在線測量。將零組件與工裝數(shù)模導入測量軟件系統(tǒng)中，對關鍵測量點的理論數(shù)據導入測量軟件。組件裝配在線測量規(guī)劃實施如圖5所示。

按照站位的布局，布置的ERS點與工裝理論TB點使用最佳擬合法建立飛機坐標系。在裝配過程中實時測量零組件裝配關鍵點，當零組件測量關鍵點出現(xiàn)偏差時，將測量工具球放在工裝關鍵定位器的位置實時調整測量，完成部分零組件數(shù)字化裝配。

將激光跟蹤儀放置在后機身組件裝配可視化位置，通過儀器束調整或JUMP法轉站調整儀器位置，對組件裝配過程在線測量，安裝另一組件裝配時，根據導入軟件當中關鍵點的理論值，將激光指定到該組件裝配的位置，添加點到面監(jiān)視測量窗口，完成部分組件的裝配，隨時生成測量分析報告，后機身79框裝配在線測量分析報告如圖6所示。從圖中的數(shù)據分析可知，空間坐標系下蒙皮外形理論與實際偏差值都在±0.1mm左右，x，y，z方向偏差最大分別為0.0150mm，-0.0685mm，0.0265mm，滿足飛機蒙皮外形測量值要求。后機身組件裝配過程中實現(xiàn)在線測量，提高后機身裝配精度，減少超差位置，出現(xiàn)超差點可按在線測量報告實時分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，便于工藝與檢測人員參考，對縮短飛機交付周期具有重要意義。

結束語

大型飛機數(shù)字化裝配在線測量技術基于飛機大部件數(shù)字化裝配過程，實現(xiàn)了對零組件裝配過程實時跟蹤測量，快速準確地檢測裝配件外形輪廓度及位置度，成功控制尺寸偏差，降低裝配誤差及人為誤差，提高飛機產品裝配質量。本文結合現(xiàn)場實際工作經驗，介紹在線測量設備組成，研究剛性與柔性工裝在線測量技術，并基于某型飛機后機身裝配過程驗證基于激光跟蹤儀在線測量系統(tǒng)的可行性。數(shù)字化在線測量技術突破傳統(tǒng)飛機測量模式，為飛機數(shù)字化設計制造模式解決關鍵技術難題，提高了飛機整體結構的可靠性與安全性，增強了飛機的制造精度與研制水平，對快速提升現(xiàn)代大飛機數(shù)字化裝配質量和效率具有重要意義。

圖5 后機身數(shù)字化裝配在線測量站位布局

圖6 數(shù)據分析報告