飛機數字化裝配系統(tǒng)中工藝球頭入位測量方法研究

中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 劉 春

在飛機數字化裝配系統(tǒng)中，機身部件一般是通過多臺三坐標數控定位器構成的調姿單元來進行支撐的。機身部件上安裝與定位器同等數量的工藝球頭，數控定位器末端設置與之匹配的工藝球窩并具有松開鎖緊功能，通過行車吊裝機身部件將工藝球頭落入工藝球窩內并鎖緊，實現機身部件的支撐和固持，這個過程被稱為工藝球頭入位。

由于飛機部件裝配存在變形，部件上工藝球頭的安裝位置和理論位置之間存在著偏差。因此，工藝球頭的球心位置是無法準確預知的。吊裝入位時，需要保證機身上的工藝球頭準確地落入定位器末端的球窩中，如果定位器末端各球窩間的位置關系與機身上工藝球頭間的位置關系不能準確匹配，會導致球頭不能進入球窩或者產生較大的裝配應力，裝配質量嚴重削弱。因此，需要建立精確且簡潔有效的球頭入位方法來保證裝配質量[1]。

本文以飛機數字化裝配系統(tǒng)為研究對象，提出了基于激光跟蹤儀測量的工藝球頭入位方法，并設計了絕對和相對兩種球頭入位測量方法，根據實際應用情況分析兩種測量方法的優(yōu)劣，為工藝球頭入位測量方法的選擇提供了參考依據。

1 飛機數字化裝配系統(tǒng)簡介

在飛機數字化裝配系統(tǒng)中，機身部件由4臺數控定位器支撐。其中，機身部件適當位置安裝4個工藝球頭，數控定位器可沿X、Y、Z 3個相互垂直的方向運動，定位器末端設置與工藝球頭匹配的工藝球窩，機身部件通過行車吊裝使工藝球頭入位，工藝球頭與工藝球窩形成球鉸連接[2]，實現機身部件的4點支撐。

2 坐標系建立方法

為了確保機身部件在吊裝時，工藝球頭能夠準確地落入定位器末端的工藝球窩內，可通過激光跟蹤儀測量工藝球頭和工藝球窩的位置關系，因而需建立相應坐標系。

2.1 裝配坐標系建立

裝配坐標系是飛機數字化裝配系統(tǒng)測量和定位的基準，系統(tǒng)通過記錄公共觀測點在裝配坐標系下的位置來記錄和維護裝配坐標系信息[3]。

裝配坐標系建立方法如下：激光跟蹤儀測量公共觀測點，并進行絕對定位計算，即激光跟蹤儀測量軟件轉站功能，獲得測量坐標與裝配坐標系的轉換關系，設置坐標變換參數，測量結果直接變換為裝配坐標系下的坐標值，即完成裝配坐標系的建立。

2.2 數控定位器坐標系標定

為確定工藝球窩球心在裝配坐標系中的位置，需對數控定位器坐標系進行標定，標定方法如下：

（1）激光跟蹤儀轉站，建立裝配坐標系。

（2）通過主控系統(tǒng)控制數控定位器回到機械原點。

（3）測量工藝球窩球心位置，工藝球窩球心不能直接測量得到，需在工藝球窩內放置一個工藝球頭，球頭末端放置靶球，讓工藝球頭在球窩內轉動，多次測量，靶球球心的軌跡為一個球面，軌跡擬合可得到工藝球窩的球心在裝配坐標系下位置，如下：

3 球頭入位測量方法

3.1 測量方法確定

球頭入位測量方法可分為絕對測量法和相對測量法。

絕對測量法是通過激光跟蹤儀測量各工藝球頭的絕對球心坐標，然后通過主控系統(tǒng)計算，驅動數控定位器XYZ移動，使各工藝球窩球心分別移至工藝球頭球心位置，實現球頭入位。

相對測量法是通過激光跟蹤儀測量各工藝球頭的球心坐標，反饋至主控系統(tǒng)，計算出工藝球頭的相對位置關系，并驅動數控定位器沿X、Y、Z移動確保各工藝球窩的相對位置與工藝球頭的相對位置關系一致，然后通過吊裝將工藝球頭落入工藝球窩內。

由于數控定位器X、Y、Z三向行程均在600mm以內，采用絕對測量法時，機身部件需通過吊裝固定于定位器附近，否則超出定位器行程，定位器工藝球窩無法移動至工藝球頭球心位置。由于吊車懸掛機身部件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，測量難以進行；而且裝配現場工裝復雜，工藝球頭經常受工裝遮擋，激光跟蹤儀無法測量，從而影響機身吊裝進度。采用相對測量法，機身部件可放置在架外托架上進行測量，機身部件處于穩(wěn)定狀態(tài)且不受現場裝配工裝遮擋。

因此，根據生產實際，采用相對測量法完成球頭入位測量。

3.2 相對測量法計算模型

采用相對測量法，為確保各工藝球窩的相對位置與工藝球頭的相對位置關系一致，需計算出各數控定位器沿X、Y、Z移動的距離，其計算模型如下：

激光跟蹤儀測量各工藝球頭球心位置：

工藝球頭與工藝球窩分布如圖1所示，工藝球窩球心初始位置前述已知：

圖1 相對測量法計算示意圖Fig.1 Sketch map for comparative measuring method

設各數控定位器X、Y、Z移動后，各工藝球窩球心位置為：

假設工藝球頭入位時，數控定位器1不移動，即

則工藝球頭1進入工藝球窩1變換向量為：

同理，另外3個工藝球頭進入相應的工藝球窩均需經過同樣的向量變換，數控定位器移動后工藝球窩的目標位置為：

則各數控定位器沿X、Y、Z移動距離為：

即為各數控定位器沿XYZ移動的距離，當Δi超出數控定位器的移動行程時，需對4個數控定位器整體進行平移，設平移向量為 ，則最終各數控定位器沿X、Y、Z移動距離為：

其中，平移向量A有無窮解，當Δi小于數控定位器行程時，平移向量A即滿足要求。

4 控制軟件

工藝球頭測量入位時，應完成裝配坐標系建立、數控定位器標定、工藝球頭相對位置測量、數控定位器位置匹配等任務，測量入位流程如圖2所示。

圖2 工藝球頭測量入位流程圖Fig.2 Flow chart for ball-heads position-following

5 結束語

本文提出了一種基于激光跟蹤儀測量的工藝球頭測量入位方法，論述了現場裝配坐標系建立和數控定位器的標定方法，設計了絕對和相對球頭入位測量方法；根據生產實際應用，確定采用相對測量法完成工藝球頭入位測量，并建立相對測量法的計算模型；最后，設計了一套基于相對測量法的球頭入位測量流程。

[1] 張兵.飛機數字化裝配系統(tǒng)中浮動入位技術研究[D].浙江：浙江大學, 2010.

[2] 邱寶貴,蔣君俠,畢運波,等.大型飛機機身調姿與對接試驗系統(tǒng).航空學報, 2011, 5:908-919.

[3] 余慈君.飛機數字化裝配精度場的若干關鍵技術及應用研究[D].杭州:浙江大學, 2010.