基于iGPS的飛機(jī)部件對(duì)接測(cè)量點(diǎn)選取方法研究*

宋彰桓，趙 罡，孫占磊，邢宏文

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191；2.上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436）

飛機(jī)機(jī)體裝配是飛機(jī)制造過程中的重要環(huán)節(jié)，其工作復(fù)雜、難度大，是飛機(jī)制造的關(guān)鍵[1]。在飛機(jī)裝配中，對(duì)接是關(guān)鍵步驟之一。對(duì)接的效率直接決定整個(gè)裝配環(huán)節(jié)的效率，其精度、誤差對(duì)整個(gè)飛機(jī)的質(zhì)量有直接影響。測(cè)量是對(duì)接工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前大尺寸測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外航空制造業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。大尺寸測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)對(duì)接中主要用于部件位姿定位及裝配質(zhì)量檢測(cè)，是保證對(duì)接質(zhì)量的重要手段。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于飛機(jī)對(duì)接測(cè)量的研究多使用激光跟蹤儀作為測(cè)量工具[3-6]，但其存在轉(zhuǎn)站、斷光、僅能測(cè)量單點(diǎn)等缺點(diǎn)，不能很好地滿足飛機(jī)對(duì)接測(cè)量的要求。

iGPS全稱為Indoor GPS，是一種大尺寸空間測(cè)量技術(shù)，主要用于解決大尺寸室內(nèi)空間測(cè)量與定位問題。相比全站儀、準(zhǔn)直儀、激光跟蹤儀等測(cè)量工具，iGPS擁有測(cè)量范圍大、同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢(shì)，且具有較高的測(cè)量精度，足以滿足飛機(jī)對(duì)接的需要，在飛機(jī)對(duì)接領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)iGPS的研究多集中于其自身基礎(chǔ)性能的分析，例如精度分析、動(dòng)態(tài)性能，關(guān)于iGPS進(jìn)一步在實(shí)際工程應(yīng)用中的研究較少[7-9]。為了發(fā)揮iGPS測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，推廣其在飛機(jī)對(duì)接領(lǐng)域的應(yīng)用，迫切需要結(jié)合對(duì)接工藝和iGPS測(cè)量特點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)應(yīng)用研究。為了針對(duì)iGPS的測(cè)量特點(diǎn)選取有效的飛機(jī)部件對(duì)接測(cè)量點(diǎn)，正確反映對(duì)接要求，精簡(jiǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，提高測(cè)量效率，本文提出了基于測(cè)量關(guān)鍵特性的飛機(jī)部件對(duì)接iGPS測(cè)量點(diǎn)選取方法。

測(cè)量關(guān)鍵特性

測(cè)量關(guān)鍵特性的概念來源于關(guān)鍵特性（Key Characteristics，KC），它部分依存于產(chǎn)品關(guān)鍵特性樹，同時(shí)與實(shí)際對(duì)接工藝密切相關(guān)，是結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求和實(shí)際制造工藝的紐帶。

1 測(cè)量關(guān)鍵特性定義

關(guān)鍵特性是材料、零部件或過程的特性中對(duì)產(chǎn)品的互換協(xié)調(diào)影響最大的特性[10]。關(guān)鍵特性按照研制階段可分為產(chǎn)品關(guān)鍵特性、制造關(guān)鍵特性和裝配關(guān)鍵特性[11]。其中，裝配關(guān)鍵特性是指在各個(gè)裝配階段、零部件或工藝裝配配合中對(duì)產(chǎn)品的裝配質(zhì)量影響最為顯著的幾何特性（如尺寸、形狀、位置等）[12]，裝配關(guān)鍵特性又可以根據(jù)裝配級(jí)別分為頂級(jí)裝配關(guān)鍵特性和低級(jí)裝配關(guān)鍵特性。

對(duì)接過程的測(cè)量關(guān)鍵特性屬于裝配關(guān)鍵特性。圖1表示對(duì)接過程中的測(cè)量關(guān)鍵特性在飛機(jī)關(guān)鍵特性樹中的位置。從零件制造到整機(jī)裝配完成，測(cè)量是貫穿始終的，針對(duì)制造和各級(jí)裝配的工藝特點(diǎn)，以及不同的測(cè)量方式，都應(yīng)有其相應(yīng)的測(cè)量關(guān)鍵特性。對(duì)接過程中的測(cè)量關(guān)鍵特性是為了正確反映對(duì)接過程的裝配關(guān)鍵特性，滿足對(duì)接測(cè)量要求而提取的一系列能夠通過現(xiàn)有測(cè)量手段進(jìn)行描述的特性。測(cè)量關(guān)鍵特性可以綜合考慮設(shè)計(jì)、制造及裝配中的多種因素，對(duì)工件整體進(jìn)行精簡(jiǎn)、抽象，提取出其中的某一特性作為代表，從而簡(jiǎn)化測(cè)量點(diǎn)選取的難度。本文面向使用iGPS作為測(cè)量工具的對(duì)接過程，對(duì)于建立飛機(jī)全生命周期的測(cè)量關(guān)鍵特性體系具有一定借鑒意義。

2 測(cè)量關(guān)鍵特性的分類

在基于iGPS測(cè)量的飛機(jī)部件自動(dòng)化對(duì)接中需要的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量多、用途多樣，為了有序地選取測(cè)量點(diǎn)，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和應(yīng)用，需要對(duì)測(cè)量關(guān)鍵特性進(jìn)行分類。本文基于對(duì)接工藝流程將測(cè)量關(guān)鍵特性分為以下4類：

（1）基準(zhǔn)特性。它是指用來建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)坐標(biāo)系的測(cè)量關(guān)鍵特性。

建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系是測(cè)量的首要工作。飛機(jī)有自身的設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，對(duì)接過程中各部件的正確位姿在設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下進(jìn)行描述，而測(cè)量工具擁有自己的測(cè)量坐標(biāo)系，基準(zhǔn)特性的作用就是實(shí)現(xiàn)這兩者的統(tǒng)一。

就iGPS而言，一般使用自由組網(wǎng)法建立測(cè)量坐標(biāo)系，通過求解坐標(biāo)系之間的齊次轉(zhuǎn)換矩陣實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)一，該轉(zhuǎn)換矩陣是坐標(biāo)系統(tǒng)一的關(guān)鍵，其數(shù)值變動(dòng)會(huì)對(duì)對(duì)接精度產(chǎn)生很大影響，因此可選作為基準(zhǔn)特性。

（2）調(diào)姿特性。它是指用來描述飛機(jī)部件位姿的測(cè)量關(guān)鍵特性。在對(duì)接過程的調(diào)姿階段，通過測(cè)量調(diào)姿特性判斷飛機(jī)部件姿態(tài)是否正確。

選取調(diào)姿特性需對(duì)飛機(jī)部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，了解各組成零部件設(shè)計(jì)理念、執(zhí)行的功能、制造工藝、使用材料等眾多信息，結(jié)合iGPS測(cè)量特點(diǎn)，譬如信號(hào)遮擋、表面涂料對(duì)信號(hào)的干擾等，進(jìn)行綜合考慮決定。

圖1 關(guān)鍵特性樹層級(jí)Fig.1 Hierarchy of KC tree

由于iGPS可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并且具有良好的動(dòng)態(tài)性能，因此，比較適合測(cè)量飛機(jī)部件的姿態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，在飛機(jī)部件上布置足夠多的接收器，并在配套軟件Surveyor中建立“Frame”，可以獲得一個(gè)固連于飛機(jī)部件的局部測(cè)量坐標(biāo)系，通過測(cè)量該坐標(biāo)系在全局坐標(biāo)系下的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)部件姿態(tài)的描述。因此，在基于iGPS的飛機(jī)部件對(duì)接中的調(diào)姿特性可以統(tǒng)一選取為部件固連的局部坐標(biāo)系。

（3）連接特性。它是指用于保證對(duì)接處質(zhì)量的測(cè)量關(guān)鍵特性。

飛機(jī)部件調(diào)姿完成后會(huì)沿坐標(biāo)軸平移到達(dá)目標(biāo)位置，然后通過鉚接等工藝將兩個(gè)獨(dú)立的部件連接為一個(gè)整體。連接特性的用途體現(xiàn)在裝配前的預(yù)處理及裝配后的質(zhì)量評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。前者通過對(duì)接處的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，預(yù)測(cè)對(duì)接處可能出現(xiàn)的問題，并采取相應(yīng)的規(guī)避措施；后者是在完成連接后通過測(cè)量數(shù)據(jù)評(píng)估連接質(zhì)量。

在基于iGPS的飛機(jī)部件對(duì)接中，由于連接處多樣、連接工藝不同，而且還存在保證整機(jī)氣動(dòng)外形和保證對(duì)接面的協(xié)調(diào)問題，因此并不能確定一個(gè)統(tǒng)一的連接特性，在選取時(shí)需要針對(duì)具體情況，綜合考慮多種因素，進(jìn)行折衷優(yōu)化處理。

（4）工裝特性。它是指描述對(duì)接過程中所用工裝夾具位姿信息的測(cè)量關(guān)鍵特性。

傳統(tǒng)的飛機(jī)對(duì)接裝配中使用的工裝型架一旦安置到位一般不需要時(shí)刻測(cè)量工裝位姿。在基于iGPS的飛機(jī)部件對(duì)接中使用POGO柱等柔性工裝，其位姿正確與否不僅關(guān)系對(duì)接質(zhì)量，還涉及到對(duì)接過程的安全性問題，因此需要通過測(cè)量進(jìn)行監(jiān)控。工裝特性包括兩類：一類是工裝在工位的定位信息，例如POGO柱底座位姿；另一類是可活動(dòng)工裝部件的位置信息，例如POGO柱接頭位置。

測(cè)量點(diǎn)選取方法

iGPS有VectorBar、IProbe等多種接收器，選取測(cè)量點(diǎn)，在其上布置合適的接收器是iGPS測(cè)量的重要環(huán)節(jié)。

在基于iGPS的飛機(jī)部件對(duì)接中，測(cè)量關(guān)鍵特性反映對(duì)接要求，指導(dǎo)測(cè)量點(diǎn)的選取。而選取測(cè)量點(diǎn)的目的在于通過確定單點(diǎn)位置、測(cè)量點(diǎn)數(shù)目、各點(diǎn)之間的幾何關(guān)系等因素實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)測(cè)量關(guān)鍵特性的正確描述。

1 測(cè)量點(diǎn)選取流程

基于iGPS的飛機(jī)部件對(duì)接測(cè)量點(diǎn)選取方法主要包括確定測(cè)量關(guān)鍵特性和確定測(cè)量點(diǎn)兩步。

（1）確定測(cè)量關(guān)鍵特性。如圖2所示，首先在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段應(yīng)當(dāng)根據(jù)顧客要求、設(shè)計(jì)要求等因素選取產(chǎn)品關(guān)鍵特性，制定產(chǎn)品關(guān)鍵特性樹；在制造裝配階段，以產(chǎn)品關(guān)鍵特性為準(zhǔn)，結(jié)合歷史經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)工藝能力，選取符合生產(chǎn)實(shí)際的裝配關(guān)鍵特性，并通過尺寸鏈傳遞等手段將頂級(jí)裝配關(guān)鍵特性分解為更加具體的低級(jí)裝配關(guān)鍵特性[13-14]；最后，針對(duì)具體的低級(jí)裝配關(guān)鍵特性，同時(shí)考慮對(duì)接工藝、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及iGPS測(cè)量特點(diǎn)分類選取測(cè)量關(guān)鍵特性。

測(cè)量關(guān)鍵特性的選取涉及到從設(shè)計(jì)到對(duì)接的多個(gè)階段，是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程。在實(shí)際選取時(shí)，一般只需要知道低級(jí)裝配關(guān)鍵特性，并熟知iGPS測(cè)量特點(diǎn)，然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境即可以確定測(cè)量關(guān)鍵特性。

（2）選取測(cè)量點(diǎn)。確定測(cè)量關(guān)鍵特性后就可以結(jié)合測(cè)量環(huán)境和測(cè)量工具選取最終的測(cè)量點(diǎn)，具體流程如圖3所示。第一步確定初步方案，考慮如何在理論分析層面正確描述測(cè)量關(guān)鍵特性，包括點(diǎn)的數(shù)目、相互間的幾何關(guān)系；第二步結(jié)合實(shí)際應(yīng)用問題對(duì)選取方案做進(jìn)一步優(yōu)化；第三步是考慮iGPS測(cè)量特點(diǎn)及實(shí)際的飛機(jī)對(duì)接部件，確定每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的安放位置，并選用合適的iGPS接收器；第四步需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),并對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，對(duì)方案進(jìn)行修改，直至滿足對(duì)接要求。

2 測(cè)量點(diǎn)選取原則

在實(shí)際選取測(cè)量點(diǎn)的時(shí)候還需要考慮多方面的因素，要遵循以下幾個(gè)原則：

（1）可用性。測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)信息能夠直接或者間接反映測(cè)量關(guān)鍵特性。

（2）穩(wěn)固性。測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于測(cè)量對(duì)象的位置應(yīng)當(dāng)固定不變或者變動(dòng)量在誤差允許范圍內(nèi)。由于飛機(jī)部件是弱剛體，受自身重力等因素影響極易產(chǎn)生變形，有些情況下變形量產(chǎn)生的誤差足以干擾測(cè)量精度，造成測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)位置與理論位置無法匹配的問題。

（3）可測(cè)性。測(cè)量點(diǎn)的選取必須考慮iGPS測(cè)量特點(diǎn)，具體指iGPS組網(wǎng)布局方式、測(cè)量信號(hào)遮擋、iGPS接收器形式。

iGPS的測(cè)量點(diǎn)選取應(yīng)與其組網(wǎng)布局互相協(xié)調(diào)，組網(wǎng)標(biāo)定完成后發(fā)射器相對(duì)位置既已固定，不允許在測(cè)量過程中發(fā)生移動(dòng)。

iGPS使用的測(cè)量信號(hào)是兩束激光扇面，雖然可以覆蓋整個(gè)測(cè)量對(duì)象外表面，但是機(jī)身內(nèi)部卻測(cè)量不到。針對(duì)這一情況主要有兩種解決方案：一是在足以描述測(cè)量關(guān)鍵特性的基礎(chǔ)上盡量選用外表面測(cè)量點(diǎn)，二是采用輔助測(cè)量工裝。

不同的iGPS接收器其應(yīng)用方式不同，對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)也不同。VectorBar適合對(duì)單個(gè)固定點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，應(yīng)用時(shí)需要固定在飛機(jī)部件上，而IProbe是手持式的接收器，適合對(duì)點(diǎn)的單次測(cè)量。

應(yīng)用示例

本文以某型號(hào)民機(jī)的前、中機(jī)身對(duì)接為例，介紹基于iGPS的飛機(jī)部件對(duì)接測(cè)量點(diǎn)選取方案，見圖4。

（1）基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)。如前所述，首先選取坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換齊次矩陣為測(cè)量關(guān)鍵特性。根據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法最少需要3個(gè)不共線公共點(diǎn)以求取該轉(zhuǎn)換矩陣[15]，因此初步確定基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)為3個(gè)不共線公共點(diǎn)；但是，在實(shí)際的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換中，為了提高轉(zhuǎn)換精度，一般需要多于3個(gè)公共點(diǎn)進(jìn)行冗余計(jì)算，所以優(yōu)化方案為4個(gè)或以上測(cè)量點(diǎn)，并且任意3個(gè)點(diǎn)不得共線。由于是統(tǒng)一坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)，因此其精度要求比較高，選用飛機(jī)部件上的點(diǎn)可能因變形或振動(dòng)影響轉(zhuǎn)換精度，在飛機(jī)對(duì)接廠房的工位地板上一般安裝有固定的基準(zhǔn)點(diǎn)，其在飛機(jī)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值是已知的，因此確定4個(gè)不共線的工位固定點(diǎn)為基準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)，在相應(yīng)位置布置VectorBar或者使用IProbe手動(dòng)測(cè)量。

（2）調(diào)姿測(cè)量點(diǎn)。前機(jī)身和中機(jī)身的姿態(tài)是低級(jí)裝配關(guān)鍵特性，而部件固連的局部坐標(biāo)系能夠完整描述部件姿態(tài)，因此，局部坐標(biāo)系是調(diào)姿特性。

圖2 測(cè)量關(guān)鍵特性的提取Fig.2 MKC pick-up

圖3 測(cè)量點(diǎn)選取流程Fig.3 Measurement point selection process

如圖5所示，初步方案確定不共線的3個(gè)點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn)，可唯一確定一個(gè)右手坐標(biāo)系。飛機(jī)中機(jī)身是一種弱剛體，調(diào)姿過程中易產(chǎn)生變形，進(jìn)而影響測(cè)量精度，因此測(cè)量點(diǎn)布置在剛度較強(qiáng)的地板滑軌上。由于iGPS測(cè)量信號(hào)會(huì)被機(jī)身壁板遮擋，因此3個(gè)點(diǎn)應(yīng)分布在滑軌兩端或者采用測(cè)量輔助工裝。由于調(diào)姿過程需要實(shí)時(shí)測(cè)量、反復(fù)迭代，因此選用固定式的VectorBar接收器。

（3）連接測(cè)量點(diǎn)。如圖6所示，筒段對(duì)接中的連接主要包括機(jī)身蒙皮連接和長(zhǎng)桁的連接，機(jī)艙氣密性、機(jī)身氣動(dòng)性能及連接強(qiáng)度是該處需要考慮的裝配關(guān)鍵特性，前后機(jī)身連接處的筒段輪廓度關(guān)系到氣密性和氣動(dòng)外形，因此選取為連接特性。另外，長(zhǎng)桁是主要的承力結(jié)構(gòu)，前后機(jī)身長(zhǎng)桁在連接時(shí)的相對(duì)位置是影響連接強(qiáng)度的重要因素，因此長(zhǎng)桁相對(duì)位置也是連接特性。

由于筒段輪廓不是標(biāo)準(zhǔn)的圓形，而且可能存在變形問題，因此選定輪廓掃描點(diǎn)為連接測(cè)量點(diǎn)，由于掃描點(diǎn)數(shù)目多，并且不需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此選用IProbe進(jìn)行測(cè)量。長(zhǎng)桁相對(duì)位置可以通過端部工藝孔的位置進(jìn)行描述，因此選取端部工藝孔圓心作為連接測(cè)量點(diǎn)，同樣使用IProbe進(jìn)行測(cè)量。

（4）工裝測(cè)量點(diǎn)。在基于iGPS的飛機(jī)部件對(duì)接中，選用POGO柱作為部件定位器，POGO柱姿態(tài)與接頭位移增量是低級(jí)裝配關(guān)鍵特性，因此可以確定POGO柱自身坐標(biāo)系及接頭球心坐標(biāo)為工裝特性。在實(shí)際應(yīng)用中為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般要求POGO柱自身坐標(biāo)系三坐標(biāo)軸與飛機(jī)設(shè)計(jì)坐標(biāo)系分別平行。

POGO柱底座為矩形結(jié)構(gòu)，并且矩形邊與其自身坐標(biāo)系X、Y軸平行，因此可以選取任意3個(gè)底座腳點(diǎn)為工裝測(cè)量點(diǎn)，使用IProbe進(jìn)行測(cè)量。

POGO柱接頭球心本身可以作為工裝測(cè)量點(diǎn)，但是由于接頭位置不便安放iGPS接收器，且可能產(chǎn)生遮擋問題，因此采用輔助測(cè)量工裝，選取輔助測(cè)量工裝上的工藝孔圓心為工裝測(cè)量點(diǎn)（圖7），在其上布置VectorBar進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖4 前、中機(jī)身對(duì)接測(cè)量點(diǎn)Fig.4 Measurement points of fuselage docking

圖5 座椅滑軌上的調(diào)姿測(cè)量點(diǎn)Fig.5 Pose position measurement points on seat slide

圖6 長(zhǎng)桁和機(jī)身輪廓上的連接測(cè)量點(diǎn)Fig.6 Jointing measurement points on stringers and fuselage contour

圖7 輔助測(cè)量工裝上的測(cè)量點(diǎn)Fig.7 Measurement points on assisted measuring jig

結(jié)束語

iGPS測(cè)量范圍大、實(shí)時(shí)性好、精度較高，是一種新興的大尺寸測(cè)量技術(shù)，在飛機(jī)裝配領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。本文提出了飛機(jī)部件對(duì)接過程中的測(cè)量關(guān)鍵特性概念。依托飛機(jī)產(chǎn)品關(guān)鍵特性樹，并結(jié)合iGPS測(cè)量特點(diǎn)確定測(cè)量關(guān)鍵特性，在此基礎(chǔ)上選取合適的測(cè)量點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)部件姿態(tài)的正確測(cè)量。通過某型號(hào)民機(jī)的前、中機(jī)身對(duì)接實(shí)例，說明本文方法的可行性，給出一種對(duì)接測(cè)量中選取iGPS測(cè)量點(diǎn)的方法，有較強(qiáng)的實(shí)用性，可在以iGPS為測(cè)量工具的飛機(jī)對(duì)接生產(chǎn)線上推廣應(yīng)用，且對(duì)于全機(jī)測(cè)量關(guān)鍵特性樹的建立以及通用測(cè)量點(diǎn)選取具有一定的借鑒意義。

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