飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接對(duì)于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)總裝的柔性化、自動(dòng)化及數(shù)字化有著重要的意義，能夠提升生產(chǎn)效率，提升對(duì)接質(zhì)量，降低制造成本?；诖?，文章從對(duì)接系統(tǒng)布局、大部件對(duì)接位姿調(diào)整、數(shù)字化測(cè)量和精確定位、集成控制、定位精度提升機(jī)安全設(shè)計(jì)六個(gè)方面研究了飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)裝配；大部件對(duì)接；數(shù)字化；位姿調(diào)整；定位器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：V262 文章編號(hào)：1009-2374（2017）02-0012-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.006

飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，大部件數(shù)字化對(duì)接以數(shù)字量裝配協(xié)調(diào)為基礎(chǔ)，利用定位器、測(cè)量系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)等共同組成大部件數(shù)字化對(duì)接系統(tǒng)，以技術(shù)要求為根據(jù)，支撐大部件，調(diào)整大部件位姿，實(shí)現(xiàn)大部件的精確對(duì)接。飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接打破了傳統(tǒng)裝配方式的局限性，提升了對(duì)接自動(dòng)化水平，對(duì)于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)總裝柔性化、數(shù)字化有著重要的作用。就目前來(lái)看，我國(guó)飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接技術(shù)取得了一定的成果，但整體應(yīng)用水平還比較低，需要進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)字化對(duì)接技術(shù)?；诖耍疚暮?jiǎn)要研究了飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接的關(guān)鍵技術(shù)。

1 對(duì)接系統(tǒng)總體布局

飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接系統(tǒng)的整體布局是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，涉及到的因素眾多，例如大部件對(duì)接工藝流程、飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配平臺(tái)安裝、對(duì)接系統(tǒng)安裝方式等，在布局的過(guò)程中，需要協(xié)調(diào)考慮上述因素，保證對(duì)接系統(tǒng)總體布局的合理性和科學(xué)性。一般來(lái)說(shuō)，飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接系統(tǒng)包括兩種布局類型：

1.1 分散式對(duì)接系統(tǒng)

對(duì)于分散式對(duì)接系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用分散式布局方式進(jìn)行數(shù)控定位器的布局，可以采用向上支撐及驅(qū)動(dòng)的千斤頂式定位器，以工藝支撐來(lái)連接定位器和機(jī)體，通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定位器在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)行移動(dòng)，通過(guò)對(duì)多臺(tái)定位器的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)來(lái)支撐、調(diào)整及定位飛機(jī)大部件，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)大部件的數(shù)字化對(duì)接裝配。

1.2 整體托架式對(duì)接系統(tǒng)

對(duì)于整體托架式對(duì)接系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，定位器與機(jī)體不直接相連，定位器通過(guò)托架與飛機(jī)部件連接，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)托架，以此來(lái)調(diào)整機(jī)體部件的位姿。整體托架式對(duì)接系統(tǒng)在調(diào)整的過(guò)程中，飛機(jī)部件受力均勻，產(chǎn)生的變形較小，有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，生產(chǎn)線的移動(dòng)十分方便。

2 調(diào)整大部件對(duì)接姿態(tài)

對(duì)接姿態(tài)調(diào)整的原理是利用定位器與控制軟件形成閉環(huán)控制回路，對(duì)飛機(jī)大部件的對(duì)接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以此來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)接姿態(tài)。采用數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)精確的測(cè)量對(duì)接的飛機(jī)大部件位置，以此為依據(jù)，利用多軸數(shù)控系統(tǒng)對(duì)分布式定位器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其在X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)方向進(jìn)行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，將大部件移動(dòng)到對(duì)接位置，并對(duì)部件對(duì)接姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

從實(shí)質(zhì)上來(lái)講，定位器是一種多運(yùn)動(dòng)軸機(jī)床，將旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)置在伺服電機(jī)中，通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)定位器精確的運(yùn)動(dòng)。將測(cè)力傳感器設(shè)置在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，測(cè)量對(duì)接部件受到的應(yīng)力，對(duì)接過(guò)程中應(yīng)力過(guò)大損壞部件。

對(duì)接部件姿態(tài)調(diào)整及驅(qū)動(dòng)控制算法思路如下：物體位姿空間的自由度有6個(gè)，即通過(guò)6個(gè)軸就可以滿足物體位置和姿態(tài)的調(diào)整要求。對(duì)于飛機(jī)大部件數(shù)字對(duì)接系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只需要確定6個(gè)驅(qū)動(dòng)軸即可對(duì)多個(gè)定位器進(jìn)行控制，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況選擇算法。如果給定各個(gè)軸的坐標(biāo)值，則可以采用正解算法來(lái)計(jì)算飛機(jī)大部件的位置和姿態(tài)，如果給定飛機(jī)大部件位置和姿態(tài)，則可以利用反解算法計(jì)算出各個(gè)軸坐標(biāo)值，從而確定大部件位姿空間與軸空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字對(duì)接系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。

3 對(duì)接數(shù)字化測(cè)量及精確定位

對(duì)于飛機(jī)大部件對(duì)接來(lái)說(shuō)，以數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)大部件位置進(jìn)行測(cè)量，例如激光跟蹤儀等，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)與自動(dòng)定位器一起形成實(shí)施閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)捕捉目標(biāo)點(diǎn)信號(hào)，并對(duì)捕捉的信號(hào)進(jìn)行處理，從而生成要對(duì)接的大部件位置信息，利用工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)與對(duì)接控制系統(tǒng)的通信，對(duì)接控制系統(tǒng)接收到位置信息之后，會(huì)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以此來(lái)計(jì)算出對(duì)接大部件的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)，將計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出位姿誤差，換算為定位器需要移動(dòng)值，最后下達(dá)指令，調(diào)整定位器，以此來(lái)保證飛機(jī)大部件對(duì)合的精密性。

4 對(duì)接過(guò)程的集成控制

飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接中，對(duì)接過(guò)程的集成控制至關(guān)重要，需要依靠集成控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即集成控制系統(tǒng)。集成控制系統(tǒng)中有機(jī)集合了多種模塊，主要包括測(cè)量系統(tǒng)接口模塊、模擬仿真模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等，以此來(lái)保證飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接過(guò)程數(shù)據(jù)流的暢通流轉(zhuǎn)，提升對(duì)接流程的規(guī)范性，同時(shí)能夠?qū)Υ蟛考臻g位姿、定位器狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和調(diào)節(jié)，從而生成姿態(tài)調(diào)節(jié)路徑，在保證飛機(jī)部件安全的基礎(chǔ)上，利用定位器多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的聯(lián)動(dòng)來(lái)準(zhǔn)確定位部件。

各模塊功能如下：（1）裝配工藝規(guī)劃及數(shù)據(jù)管理模塊：主要功能包括用戶、任務(wù)的管理，制定大部件對(duì)接裝配流程、數(shù)據(jù)管理及生成工藝報(bào)表等；（2）測(cè)量模塊：主要功能包括擬合及構(gòu)件對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)裝配坐標(biāo)系、空間測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量及測(cè)量數(shù)據(jù)處理等；（3）算法模塊：主要功能包括位姿計(jì)算、規(guī)劃運(yùn)動(dòng)函數(shù)等；（4）仿真模塊：主要功能是進(jìn)行飛機(jī)大部件在線對(duì)接裝配仿真、在線評(píng)估飛機(jī)大部件可裝配性等，同時(shí)能夠根據(jù)仿真結(jié)果和評(píng)估結(jié)果生成對(duì)接路徑；（5）對(duì)接過(guò)程處理模塊：主要功能是提供飛機(jī)大部件對(duì)接調(diào)姿手段，包括手動(dòng)調(diào)姿和自動(dòng)調(diào)姿兩個(gè)方面，例如原路返回、按照指定路徑進(jìn)行調(diào)姿等；（6）運(yùn)動(dòng)控制模塊：主要功能是對(duì)定位器運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

5 對(duì)接系統(tǒng)定位精度

足夠的定位精度是保證飛機(jī)大部件精確對(duì)接的關(guān)鍵所在，用t來(lái)表示對(duì)接系統(tǒng)定位精度，其影響因素包括四個(gè)方面：（1）t1：測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差，指的是儀器本身測(cè)量誤差及測(cè)量轉(zhuǎn)站誤差等；（2）t2：定位器系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差；（3）t3：大部件變形修正誤差，指的是考慮飛機(jī)大部件自重對(duì)理論數(shù)據(jù)修正產(chǎn)生的誤差；（4）t4：算法模型誤差，指的是簡(jiǎn)化處理對(duì)接調(diào)姿算法或參數(shù)標(biāo)定等引起的誤差。對(duì)接系統(tǒng)定位精度公式如下：

測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量誤差t1的主要來(lái)源包括：（1）s1：儀器測(cè)量誤差；（2）s2：測(cè)量目標(biāo)安裝座定位誤差；（3）s3：測(cè)量轉(zhuǎn)站誤差；（4）s4：地基振動(dòng)誤差。t1計(jì)算公式如下：

需要注意的是，上述兩個(gè)公式是對(duì)誤差空間時(shí)量關(guān)系的體現(xiàn)，由公式可知，要想提升定位精度，需要從以下兩個(gè)方面著手：（1）減少測(cè)量誤差：減少測(cè)量過(guò)程中的轉(zhuǎn)站、選擇精度高的測(cè)量系統(tǒng)，減少地基振動(dòng)、保證目標(biāo)安裝座定位的精確性；（2）提升定位器系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度：優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、消除減速器間隙、軟件補(bǔ)償、提升光柵尺分辨率等。

對(duì)于飛機(jī)大部件對(duì)接系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可采取力反饋控制及帶浮動(dòng)軸等措施實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)設(shè)計(jì)，從而提升定位精度。例如北京航空制造工程研究所就研制出了一種帶自適應(yīng)設(shè)計(jì)的飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接系統(tǒng)，其重復(fù)定位精度能夠達(dá)到0.03mm。但需要注意的是，一些精密的飛機(jī)大部件對(duì)接要求定位精度達(dá)到0.01mm，例如火箭筒體的對(duì)接，常規(guī)數(shù)字化對(duì)接方案難以實(shí)現(xiàn)，此時(shí)可采用銷孔導(dǎo)向定位技術(shù)。

6 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

6.1 負(fù)載裕度設(shè)計(jì)

為了滿足大部件入位、調(diào)整等產(chǎn)生的負(fù)荷，承受相關(guān)載荷，飛機(jī)大部件對(duì)接系統(tǒng)需要有著足夠的強(qiáng)度、剛度及抗沖擊負(fù)載能力。在設(shè)計(jì)定位器的時(shí)候，可以通過(guò)有限元分析及設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)進(jìn)行負(fù)載裕度設(shè)計(jì)，在研制的過(guò)程中，通過(guò)負(fù)載試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

6.2 硬件限位

硬件限位對(duì)于保證設(shè)備安全有著重要的作用，以定位器各運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)行程為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)行程開(kāi)關(guān)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)位置限位。定位器運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)到極限位置會(huì)自動(dòng)停止并發(fā)出警報(bào)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)智能判斷定位器是否到達(dá)給定位置，

是否出現(xiàn)電流超載等異常情況，以此來(lái)保證設(shè)備安全。

6.3 自適應(yīng)設(shè)計(jì)

飛機(jī)大部件對(duì)接系統(tǒng)在帶動(dòng)大部件調(diào)整位姿的過(guò)程中，系統(tǒng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，大部件及定位器運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)有著時(shí)間滯后，二者并不能完全同步，且會(huì)產(chǎn)生彈性形變，這就使得部件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力過(guò)大會(huì)使部件和設(shè)備損壞。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，在定位器設(shè)計(jì)過(guò)程中可以設(shè)置一定數(shù)量浮動(dòng)軸，以此來(lái)自適應(yīng)彈性形變，提升定位精度，保證部件和設(shè)備安全。為了防止產(chǎn)品和定位器產(chǎn)生較大的力，可以進(jìn)行力反饋控制，將三維力傳感器設(shè)置到定位器中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位姿調(diào)整過(guò)程中三個(gè)軸方向力的大小，并與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷各個(gè)軸方向力是否超出允許范圍，以此來(lái)保證設(shè)備安全。

6.4 人機(jī)工程設(shè)計(jì)及可靠性

飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接系統(tǒng)需要保證人員操作的安全性和便利性，可采用模擬件空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

6.5 工藝仿真驗(yàn)證

對(duì)整個(gè)飛機(jī)大部件對(duì)接工藝流程、定位器運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)過(guò)程及位姿調(diào)節(jié)路徑等進(jìn)行仿真分析和參數(shù)驗(yàn)證，并針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)保證整個(gè)對(duì)接系統(tǒng)的安全性和可靠性。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，需要考慮的因素眾多，整個(gè)技術(shù)流程相對(duì)復(fù)雜。在未來(lái)的發(fā)展中，應(yīng)當(dāng)積極研究飛機(jī)數(shù)字化對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外技術(shù)交流，積極開(kāi)展自主創(chuàng)新活動(dòng)，以此來(lái)促進(jìn)飛機(jī)大部件數(shù)字化對(duì)接技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展，從而提升我國(guó)的飛機(jī)制造水平。

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作者簡(jiǎn)介：占建國(guó)（1979-），男，湖北紅安人，中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司工程師，研究方向：飛機(jī)裝配技術(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）