基于關(guān)鍵測(cè)量特性的飛機(jī)裝配工裝在線檢測(cè)

王 巍，高雪松，俞鴻均，穆志國(guó)

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)　航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136）

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基于關(guān)鍵測(cè)量特性的飛機(jī)裝配工裝在線檢測(cè)

王 巍，高雪松，俞鴻均，穆志國(guó)

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136）

摘 要：現(xiàn)代飛機(jī)裝配工裝在裝配一定數(shù)量的產(chǎn)品后需要進(jìn)行檢測(cè)，以確定該工裝是否還能滿(mǎn)足使用要求?，F(xiàn)行的工裝檢測(cè)方法無(wú)法檢測(cè)出工裝定位型面的磨損，且檢測(cè)效率較低。通過(guò)基于關(guān)鍵特性測(cè)量的飛機(jī)裝配工裝在線檢測(cè)技術(shù)的研究，利用激光測(cè)量設(shè)備，通過(guò)最小二乘法建立工裝坐標(biāo)系，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工裝各關(guān)鍵部位，以完成對(duì)飛機(jī)裝配工裝的檢測(cè)。結(jié)合某型飛機(jī)艙門(mén)裝配工裝的檢測(cè)過(guò)程，以驗(yàn)證方法可行性。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵測(cè)量特性；飛機(jī)裝配工裝；激光測(cè)量設(shè)備；在線檢測(cè)

0　引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件繁多，通過(guò)單個(gè)零件的形狀和尺寸加工的準(zhǔn)確度來(lái)保證裝配精度是行不通的。因此必須要引入大量具有定位功能的輔助設(shè)備完成飛機(jī)的裝配，以達(dá)到產(chǎn)品在從零件到組件再到部件最終直到整機(jī)的飛機(jī)裝配過(guò)程中的制造精度和互換協(xié)調(diào)性［1］。

裝配的準(zhǔn)確度在很大程度上決定著飛機(jī)的制造精度，而飛機(jī)裝配的準(zhǔn)確度又與裝配工裝的準(zhǔn)確度息息相關(guān)。新一代飛機(jī)的使用要求對(duì)飛機(jī)的裝配準(zhǔn)確度提出了更高的要求，作為飛機(jī)裝配精度的保障，裝配工裝的制造和裝配精度必須要精益求精，來(lái)滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的飛機(jī)裝配精度需要。

從飛機(jī)最原始的飛機(jī)制造階段到現(xiàn)在，飛機(jī)裝配工裝的制造與裝配技術(shù)都有了巨大的變化。從開(kāi)始的通過(guò)通用測(cè)量工具安裝，到后來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)樣件安裝，再到型架裝配機(jī)和光學(xué)儀器安裝，時(shí)至今日，數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的大量使用使得工裝裝配技術(shù)在飛機(jī)裝配新需求產(chǎn)生了革命性的突破［2］。目前國(guó)內(nèi)航空企業(yè)普遍采用的工裝裝配方法是通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備檢測(cè)技術(shù)，基于激光跟蹤儀，電子經(jīng)緯儀和iGPS等數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)飛機(jī)裝配工裝各零部件進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并通過(guò)相應(yīng)的方法，保證工裝裝配誤差在公差范圍之內(nèi)。

由于裝配場(chǎng)地及工裝尺寸等條件限制，一般在工裝裝配時(shí)常采用激光跟蹤儀實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。激光跟蹤儀是目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的數(shù)字化高精度測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量范圍廣，測(cè)量精度高，采集數(shù)據(jù)的速度快、數(shù)量多，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配過(guò)程的數(shù)字化測(cè)量［3］，在大型產(chǎn)品的制造裝配中有廣泛的應(yīng)用。

1　現(xiàn)行飛機(jī)裝配工裝檢測(cè)方法

現(xiàn)在的工裝設(shè)計(jì)是基于MBD技術(shù)完成的，設(shè)計(jì)完成后各零件均采用數(shù)控機(jī)床加工，MBD技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)在飛機(jī)裝配工裝生產(chǎn)中的使用極大地提高了工裝零部件的制造準(zhǔn)確度，以此方法制造大幅提高了零件制造互換協(xié)調(diào)性。為方便激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)在飛機(jī)裝配工裝檢測(cè)中的使用，工裝設(shè)計(jì)時(shí)，在框架上設(shè)計(jì)基準(zhǔn)工具球點(diǎn)（TB點(diǎn)），在工裝定位器上設(shè)計(jì)OTP點(diǎn)，通過(guò)光學(xué)工具球?qū)@些測(cè)量點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保工裝的精度能夠達(dá)到飛機(jī)產(chǎn)品的使用要求。

工裝安裝完成后，為驗(yàn)證裝配好的工裝是否滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用要求，需使用測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)及零部件裝配檢測(cè)對(duì)工裝進(jìn)行檢測(cè)。在使用一段時(shí)間后，由于裝配過(guò)程中，工人會(huì)在工裝型架上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鉆孔，锪窩，鉚接等操作，對(duì)工裝零件產(chǎn)生載荷，使其位置發(fā)生偏離或零件發(fā)生形變，因此需對(duì)工裝進(jìn)行定檢。

在飛機(jī)裝配工裝檢測(cè)時(shí)，激光跟蹤儀系統(tǒng)會(huì)測(cè)量每一工裝零件上工具球的坐標(biāo)值，與設(shè)計(jì)時(shí)給定的理論值做比對(duì)，工具球理論值均可在MBD數(shù)據(jù)集中獲得。檢測(cè)過(guò)程中需監(jiān)測(cè)工具球點(diǎn)的坐標(biāo)值，當(dāng)實(shí)測(cè)值在工裝設(shè)計(jì)時(shí)所給定的公差范圍內(nèi)時(shí)，零件在空間中的位置即為正確的工裝裝配位置。若實(shí)測(cè)值不在公差范圍之內(nèi)，則需根據(jù)工具球點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值調(diào)整零件在空間中的位置，直到實(shí)測(cè)值符合公差為止。

卡板、工裝定位器通過(guò)“六點(diǎn)定位原則”在空間中的確定其位置［4］，通過(guò)三個(gè)點(diǎn)值限制零部件的在空間中的六個(gè)自由度從而確定零件的空間位置。每一個(gè)工裝定位器的定位面上都會(huì)至少有兩個(gè)光學(xué)工具球點(diǎn)（OTP）襯套孔［5］，以便在測(cè)量時(shí)放置工具球。在測(cè)量?jī)H有兩個(gè)OTP襯套孔的定位器時(shí)額外需要一個(gè)雙點(diǎn)球座輔助測(cè)量，另外的孔使用普通球座，三個(gè)OTP襯套孔以上的定位器使用普通球座即可測(cè)量。

對(duì)于大型復(fù)雜工裝檢測(cè)，一臺(tái)激光跟蹤儀在一個(gè)站位下無(wú)法將所有工具球點(diǎn)測(cè)量完畢，需在多個(gè)站位下測(cè)量，這是就需要轉(zhuǎn)站。為滿(mǎn)足激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的工作要求，可通過(guò)在工裝上標(biāo)定基準(zhǔn)ERS點(diǎn)構(gòu)建工裝增強(qiáng)基準(zhǔn)坐標(biāo)系快速精確測(cè)量。

圖1　激光跟蹤儀測(cè)量安裝工裝過(guò)程

2　基于關(guān)鍵測(cè)量特性的飛機(jī)裝配工裝在線檢測(cè)

傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配工裝檢測(cè)方法為保證型面在空間中的準(zhǔn)確位置，對(duì)于除了定位器和卡板上的工具球孔需要測(cè)量外，每個(gè)與定位器相連的零件都需要測(cè)量，以保證才尺寸傳遞時(shí)不會(huì)出現(xiàn)偏差。這種檢測(cè)方法的工作量太過(guò)龐大，工作效率低。

2.1關(guān)鍵測(cè)量特性

針對(duì)上述情況，結(jié)合飛機(jī)制造關(guān)鍵特性，提出了基于測(cè)量關(guān)鍵特性的飛機(jī)裝配工裝在線檢測(cè)。在飛機(jī)制造的過(guò)程中，若某個(gè)特性的改變會(huì)對(duì)產(chǎn)品的互換協(xié)調(diào)性產(chǎn)生巨大的影響，那么這個(gè)特征即為關(guān)鍵特性［6］。對(duì)于飛機(jī)整機(jī)，關(guān)鍵特性是要保證飛機(jī)的氣動(dòng)表面外形；對(duì)于飛機(jī)部件，關(guān)鍵特性是要保證各個(gè)部件問(wèn)交點(diǎn)處互相協(xié)調(diào)的準(zhǔn)確性，如交點(diǎn)孔位置度、同軸度，連接面的輪廓度；對(duì)于飛機(jī)零件，關(guān)鍵特性是各個(gè)零件上定位孔、定位面、工藝孔等的位置度。測(cè)量關(guān)鍵特性即根據(jù)裝配工藝和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件在產(chǎn)品上提取的需要檢測(cè)的對(duì)互換協(xié)調(diào)性影響較大的幾何特征。

飛機(jī)裝配工裝的目的是保證飛機(jī)產(chǎn)品的裝配精度，滿(mǎn)足產(chǎn)品的精度要求，所以對(duì)產(chǎn)品互換協(xié)調(diào)性產(chǎn)生巨大影響的飛機(jī)產(chǎn)品的關(guān)鍵特性可以一一對(duì)應(yīng)到裝配工裝上（例如保證外形的卡板，保證長(zhǎng)桁位置的定位器，以及定位銷(xiāo)、定位孔等），通過(guò)飛機(jī)產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，就能得到產(chǎn)品工裝的關(guān)鍵特性。

圖2　工裝上的關(guān)鍵測(cè)量特性

2.2在線測(cè)量技術(shù)

在線測(cè)量技術(shù)是通過(guò)數(shù)字化測(cè)量設(shè)備對(duì)產(chǎn)品的零組件裝配過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的反饋。通過(guò)測(cè)量軟件進(jìn)行理論數(shù)模與實(shí)際位置的比對(duì)，得出目前的裝配誤差，從而控制可移動(dòng)裝配定位器精確定位［7］。

在對(duì)飛機(jī)裝配工裝進(jìn)行在線檢測(cè)時(shí)，使用激光跟蹤儀構(gòu)建在線測(cè)量系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3　基于激光跟蹤儀的在線檢測(cè)系統(tǒng)

在激光跟蹤儀在線測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量軟件中建立工裝坐標(biāo)系，并將工裝數(shù)模導(dǎo)入到軟件系統(tǒng)中，通過(guò)光學(xué)工具球?qū)崟r(shí)跟蹤關(guān)鍵測(cè)量特征的空間位置，通過(guò)與數(shù)模比對(duì)實(shí)現(xiàn)工裝在線測(cè)量。根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量達(dá)到的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)定位器的微調(diào)使誤差在公差帶范圍之內(nèi)，使工裝符合產(chǎn)品的使用性要求。

2.3工裝坐標(biāo)系的建立

基于MBD技術(shù)的工裝檢測(cè)，首先需要確立測(cè)量坐標(biāo)系。一般是用數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得工裝坐標(biāo)系基準(zhǔn)點(diǎn)點(diǎn)值（TB點(diǎn)點(diǎn)值）［8］和來(lái)自MBD數(shù)字化模型上基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值，通過(guò)最小二乘法擬合［9］得到測(cè)量時(shí)使用的坐標(biāo)系。其中所有的工具球點(diǎn)理論值都可以在產(chǎn)品工裝的數(shù)模中找到。

假設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值為Pi=（Xi，Yi，Zi）T，實(shí)測(cè)值為Pi'=（Xi，Yi，Zi）T，i=1，2，3，4。用最小二乘法解下面的函數(shù)：

設(shè)：

記：

可以得到理論坐標(biāo)系和測(cè)量坐標(biāo)系的最優(yōu)解和。

圖4　工裝坐標(biāo)系擬合示例

2.4基于關(guān)鍵特性測(cè)量的飛機(jī)裝配工裝檢測(cè)

基于工裝關(guān)鍵測(cè)量特征的在線檢測(cè)技術(shù)，是參照設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品的使用要求，采用數(shù)字化高精密測(cè)量設(shè)備，依據(jù)產(chǎn)品的關(guān)鍵測(cè)量特性進(jìn)行檢測(cè)工裝相應(yīng)位置的輪廓度、平面度、位置度、同軸度等［10］，取代以往通過(guò)OTP點(diǎn)的檢測(cè)間接確定工裝定位器空間位置，并實(shí)時(shí)反饋以指導(dǎo)工裝修配。這樣不僅可以精確地檢測(cè)出工裝是否滿(mǎn)足功能性要求，同時(shí)減少了檢測(cè)人員的工作量，提高了檢測(cè)效率。

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可以得到測(cè)量關(guān)鍵特性得到實(shí)測(cè)值，通過(guò)MBD數(shù)字模型可以得到理論值，這樣就可以在測(cè)量系統(tǒng)軟件中直觀得出基準(zhǔn)點(diǎn)理論值與測(cè)量值的擬合結(jié)果。在測(cè)量開(kāi)始時(shí)，建立工裝坐標(biāo)系的方法與傳統(tǒng)方法一致，都是通過(guò)TB點(diǎn)的理論值與實(shí)測(cè)值擬合建立坐標(biāo)系。通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)重新對(duì)工裝上關(guān)鍵測(cè)量特征進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際的關(guān)鍵測(cè)量特征與MBD數(shù)字模型上的差距。根據(jù)測(cè)量軟件給出的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)工裝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以保證裝配工裝能滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用要求，能裝配出合適產(chǎn)品。

這樣做保證了定位面，定位孔等關(guān)鍵特征的準(zhǔn)確位置，同時(shí)省去了傳統(tǒng)方法檢測(cè)工裝時(shí)，為保證定位面等的準(zhǔn)確位置需對(duì)尺寸鏈上所有零件進(jìn)行測(cè)量，大大減小了工作量，提高了工作效率。同時(shí)，若關(guān)鍵特征發(fā)生形變，這種方法可以將其很直觀的反給工人，這樣可以節(jié)省部分查找問(wèn)題的時(shí)間。

圖5　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)窗口及數(shù)據(jù)顯示

3　關(guān)鍵測(cè)量特性在飛機(jī)艙門(mén)裝配工裝在線檢測(cè)中的應(yīng)用

選用某型號(hào)飛機(jī)的艙門(mén)裝配工裝為例，使用測(cè)量關(guān)鍵特性的方法進(jìn)行檢測(cè)。

3.1導(dǎo)入數(shù)據(jù)

在開(kāi)始測(cè)量之前，需先將工裝的MBD數(shù)字化模型導(dǎo)入到激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件之中，以方便后期對(duì)于坐標(biāo)系建立后的實(shí)際檢測(cè)。這其中包括工裝骨架上用來(lái)建立坐標(biāo)系的工具球孔坐標(biāo)理論值與含有測(cè)量關(guān)鍵特性工裝的MBD數(shù)模。數(shù)?？梢允峭暾墓ぱb數(shù)模，也可以是僅僅提取出關(guān)鍵測(cè)量特性的數(shù)模。

3.2建立工裝坐標(biāo)系

通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量工裝骨架上的TB點(diǎn)（一般TB點(diǎn)的數(shù)量要多于4個(gè)），在測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件中通過(guò)最小二乘法擬合理論值建立工裝坐標(biāo)系。在建立坐標(biāo)系時(shí)，盡量保證坐標(biāo)系誤差在0.10mm以?xún)?nèi)，若坐標(biāo)系建立后其誤差超過(guò)0.010mm則需重新測(cè)量建立坐標(biāo)系。

在實(shí)際工作中，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)值會(huì)受到大氣壓強(qiáng)、環(huán)境溫度、噪音等多種因素影響，即需要把測(cè)量誤差補(bǔ)償?shù)綄?shí)測(cè)值中。

3.3檢測(cè)工裝零件

將光學(xué)工具球放在關(guān)鍵測(cè)量特征上，用激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的工具球坐標(biāo)值，利用SA軟件本身自帶的功能與MBD數(shù)字化模型給出的理論值作比對(duì)。由于實(shí)際坐標(biāo)值與理論坐標(biāo)值之間必定存在誤差，適當(dāng)調(diào)整零件位置，使得誤差值達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)給出的公差帶范圍之內(nèi)，即確定了零件的正確位置。如果在測(cè)量型面時(shí)發(fā)現(xiàn)坐標(biāo)值激變，說(shuō)明該處存在人為損壞，需對(duì)該零件進(jìn)行修配，若已無(wú)法修配，則需更換零件。在需修配時(shí)，通過(guò)實(shí)施監(jiān)視窗口所反映的數(shù)據(jù)，通過(guò)向相應(yīng)方向加墊片等措施，將定位面調(diào)整到公差范圍之內(nèi)。

在測(cè)量時(shí)，在一個(gè)站位下肯定無(wú)法將所有的測(cè)量關(guān)鍵特征全部測(cè)完，需進(jìn)行多次轉(zhuǎn)站測(cè)量。因此，在選擇站位時(shí)要考慮到重定位誤差帶來(lái)的影響，盡量可以測(cè)到盡可能多的關(guān)鍵測(cè)量特征的站位。

4　結(jié)束語(yǔ)

基于測(cè)量關(guān)鍵特征在線檢驗(yàn)飛機(jī)裝配工裝，相比現(xiàn)行的工裝檢驗(yàn)方法提高了飛機(jī)裝配工裝的制造與安裝精度，有效的保證了飛機(jī)產(chǎn)品的精度要求。有效防止了現(xiàn)行工裝檢測(cè)方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)定位面小幅損傷，檢修后產(chǎn)品不合格問(wèn)題的出現(xiàn)。因?yàn)楣ぷ髁康臏p少，極大地提高了工裝檢測(cè)的工作效率。

在不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)要向國(guó)外先進(jìn)的航空制造企業(yè)靠攏，實(shí)現(xiàn)無(wú)型架裝配。通過(guò)數(shù)字化在線測(cè)量系統(tǒng)，飛機(jī)產(chǎn)品只需要支撐工裝，即可通過(guò)對(duì)飛機(jī)關(guān)鍵特性的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)完成飛機(jī)裝配，不再需要一系列的裝配工裝，這將有效的降低飛機(jī)產(chǎn)品在制造過(guò)程中的誤差，大幅提高飛機(jī)產(chǎn)品裝配質(zhì)量。

圖6　實(shí)時(shí)修配監(jiān)視

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Aircraft assembly tooling on-line detection based on key measurement characteristics

WANG Wei， GAO Xue-song， YU Hong-jun， MU Zhi-guo

中圖分類(lèi)號(hào)：V262.4+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0107-04

收稿日期：2016-01-04

作者簡(jiǎn)介：王?。?965 -），女，教授，博士，研究方向?yàn)閿?shù)字化飛機(jī)制造技術(shù)、飛機(jī)裝配工裝的通用性及模塊化設(shè)計(jì)。