數(shù)字化裝配技術(shù)概述

尤海潮

摘? 要：飛機(jī)部件數(shù)字化裝配作為一種裝配模式，綜合了測(cè)量、調(diào)姿、控制等技術(shù)。測(cè)量為條子提供數(shù)據(jù)支持，控制統(tǒng)領(lǐng)全局，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定裝配單元的初始狀態(tài)，根據(jù)比較結(jié)果校形，并規(guī)劃調(diào)姿路徑，驅(qū)動(dòng)數(shù)控定位器按既定路徑運(yùn)動(dòng)，對(duì)裝配單元進(jìn)行調(diào)姿，反復(fù)迭代后，確定裝配單元在飛機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)符合設(shè)計(jì)數(shù)模要求，即進(jìn)行定位和制孔連接。從而解決了裝配單元的定位和連接問題。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù);測(cè)量;定位和連接問題

中圖分類號(hào)：V262.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0161-02

Abstract： As a kind of assembly mode， digital assembly of aircraft parts integrates the technologies of measurement， attitude adjustment， control and so on. The measurement provides data support for the sliver， controls the overall situation， analyzes the measurement data， determines the initial state of the assembly unit， calibrates the shape according to the comparison results， plans the attitude adjustment path， and drives the CNC locator to move according to the given path. After repeated iterations， it is determined that the assembly unit meets the requirements of the design digital model in the aircraft coordinate system， that is， positioning and hole-making connection. As a result， the problem of positioning and connection of the assembly unit is solved.

Keywords： aircraft digital assembly technology; measurement; positioning and connection problems

1 裝配單元姿態(tài)的測(cè)量與評(píng)價(jià)技術(shù)

傳統(tǒng)裝配方式下裝配單元姿態(tài)主要依靠裝配單元與工裝型架的符合性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如外形的評(píng)價(jià)依據(jù)是外形卡板，交點(diǎn)的評(píng)價(jià)依據(jù)是交點(diǎn)定位器等。在數(shù)字化裝配的條件下，裝配單元的姿態(tài)是通過測(cè)量確定的。確定裝配單元的姿態(tài)主要通過測(cè)量實(shí)現(xiàn)，依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)裝配單元姿態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而判定裝配單元與設(shè)計(jì)數(shù)模的符合性。

將裝配單元考慮成為一個(gè)剛性體，理論上只要確定這個(gè)剛性體上空間不共面的三個(gè)點(diǎn)即可定位這個(gè)剛體。但實(shí)際上裝配單元并非是剛體，所以需要采用更多的點(diǎn)來評(píng)價(jià)裝配單元的姿態(tài)。在數(shù)字化裝配的條件下，一般選用裝配單元上設(shè)定的基準(zhǔn)來評(píng)價(jià)裝配單元的姿態(tài)。這些基準(zhǔn)通常選用裝配單元的一些確定的點(diǎn)，且這些基準(zhǔn)在裝配過程中是統(tǒng)一的，一致的。在裝配單元本身裝配過程中，這些基準(zhǔn)點(diǎn)是裝配單元裝配的基準(zhǔn)，在裝配單元姿態(tài)的評(píng)價(jià)過程中，這些點(diǎn)是裝配單元姿態(tài)評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)。以機(jī)身壁板為例，基準(zhǔn)一般為機(jī)身框上取制的基準(zhǔn)，這些孔是機(jī)身壁板裝配時(shí)框的定位基準(zhǔn)，在機(jī)身總裝配過程中，各壁板的姿態(tài)通過安裝在這些孔上的激光測(cè)量靶標(biāo)，評(píng)價(jià)壁板姿態(tài)。

在確定裝配單元評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)后，裝配單元姿態(tài)評(píng)價(jià)就是確定這些基準(zhǔn)的空間坐標(biāo)。在數(shù)字化裝配的條件下，一般采用激光跟蹤儀或I-GPS來確定這些基準(zhǔn)的坐標(biāo)。以激光跟蹤儀為例，在如數(shù)控定位器支撐和夾持飛機(jī)裝配單元后，在裝配單元的定位基準(zhǔn)點(diǎn)上安裝光學(xué)靶球，通過激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量裝配單元上的光學(xué)目標(biāo)點(diǎn)位置，獲得定位基準(zhǔn)點(diǎn)位置信息，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)里將該位置信息與產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)集給出的基準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo)位置進(jìn)行比對(duì)處理，得到裝配單元裝配位置的修正值，將修正值傳遞給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)多個(gè)機(jī)械隨動(dòng)定位裝置協(xié)調(diào)調(diào)整裝配單元的位姿，直到裝配單元的位姿達(dá)到公差允許范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)裝配單元間的精確定位。

由于裝配單元并非是剛體，在實(shí)際裝配過程中，裝配單元在其裝配型架上因與型架連接，剛性較好，其姿態(tài)符合理論數(shù)模?？紤]到裝配變形、裝配單元的剛性狀態(tài)、運(yùn)輸轉(zhuǎn)站和吊裝的影響，裝配單元在其刑架上的狀態(tài)和下架后的狀態(tài)是有區(qū)別的，或多或少會(huì)產(chǎn)生一定得變形（而非形變）。為了使裝配單元加上狀態(tài)經(jīng)下架后在數(shù)字化裝配系統(tǒng)內(nèi)具有一致性，一般都需要校形的過程。手下在裝配單元下架前，需要測(cè)量其姿態(tài)，即測(cè)量相關(guān)基準(zhǔn)的坐標(biāo)值并記錄。在裝配單元進(jìn)入裝配系統(tǒng)后，與數(shù)控定位器相連接，再一次測(cè)量其姿態(tài)，與其下架前的姿態(tài)進(jìn)行比較。若符合其下架前的姿態(tài)，則說明裝配單元未變形，可以進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，反之，則說明裝配單元發(fā)生變形，需要校形，使其符合下架前的狀態(tài)，才能進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

2 裝配單元空間六自由度調(diào)姿技術(shù)

將裝配單元考慮為一個(gè)剛體，可將其分解為無數(shù)相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)，其中任何一點(diǎn)在空間坐標(biāo)系內(nèi)都具有確定的坐標(biāo)X/Y/Z和α/β/γ三方向轉(zhuǎn)動(dòng)的六自由度的任意組合，通過調(diào)整這一組合任意坐標(biāo)值的變化，這一點(diǎn)的姿態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而帶動(dòng)相關(guān)聯(lián)點(diǎn)的變化，因此剛體的姿態(tài)就發(fā)生了變化。基于這種原理，剛體就從一個(gè)姿態(tài)到另一個(gè)姿態(tài)的變化可以通過X/Y/Z和α/β/γ的任意組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

按照上述調(diào)姿原理，在對(duì)裝配單元調(diào)姿過程中，僅需要對(duì)裝配單元施加一定的外力，使其能按照既定的調(diào)姿路徑運(yùn)動(dòng)，根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動(dòng)原理，可將裝配單元的這種運(yùn)動(dòng)分解到三坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的定位支撐上，這種支撐裝置就是數(shù)控定位器，通過工藝接頭與裝配單元連接，形成并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

對(duì)于剛體而言，在其上確認(rèn)不共面的三點(diǎn)即能定位這個(gè)剛體，即理論上上一個(gè)剛體通過不共面的三點(diǎn)支撐且這三點(diǎn)能夠運(yùn)動(dòng)即能使這個(gè)剛體的姿態(tài)發(fā)生變化。但實(shí)際上，裝配單元并非是一個(gè)剛體，所以，在裝配單元進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的過程中，需要考慮過約束的問題，使其在運(yùn)動(dòng)過程中保持相對(duì)的剛性狀態(tài)。在實(shí)踐上，一般采用四點(diǎn)或六點(diǎn)支撐，或者輔以相應(yīng)的保形設(shè)施，這些支撐點(diǎn)與其連接的支撐裝置（數(shù)控定位器）形成一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過每一個(gè)支撐點(diǎn)的三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，使裝配單元在各支撐點(diǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

裝配單元空間六自由度調(diào)姿即基于上述機(jī)理分析，對(duì)裝配單元的姿態(tài)在裝配系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整的過程。在數(shù)字化裝配條件下，裝配單元空間六自由度調(diào)姿就是在對(duì)裝配單元在裝配系統(tǒng)中姿態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)裝配單元自動(dòng)化調(diào)姿定位。

3 裝配單元空間六自由度調(diào)姿路徑規(guī)劃技術(shù)

裝配單元空間六自由度調(diào)姿的目的是為了定位，即確定裝配單元在飛機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的位子。確定裝配單元在飛機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的位姿后，需要將該姿態(tài)與設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行比較，以確定其姿態(tài)的符合性。若裝配單元實(shí)際測(cè)量的姿態(tài)不符合設(shè)計(jì)數(shù)模，則需要就其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其符合數(shù)模。從一個(gè)姿態(tài)到另一個(gè)姿態(tài)的變化，裝配單元需要運(yùn)動(dòng)一定的路徑。將裝配單元想象成為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)可以通過多個(gè)路徑實(shí)現(xiàn)，其中一條路徑是最優(yōu)化的，選擇這條最優(yōu)化路徑的過程就是調(diào)姿路徑規(guī)劃。一般說來，調(diào)姿路徑規(guī)劃的約束條件包括裝配單元空間位置幾何關(guān)系的約束，各軸驅(qū)動(dòng)力最小，且驅(qū)動(dòng)力平衡，運(yùn)動(dòng)速度快且平穩(wěn)。

按上述分析，裝配單元的空間六自由度調(diào)姿過程是一個(gè)反復(fù)迭代的過程，使裝配單元的實(shí)際姿態(tài)無限接近理論數(shù)模，在規(guī)范和誤差許可的范圍內(nèi)，可認(rèn)為裝配單元調(diào)姿結(jié)果符合要求。在調(diào)姿完畢后，將數(shù)控定位器鎖死，是裝配單元保持調(diào)姿后的姿態(tài)即定位后，就可以連接。

4 裝配單元姿態(tài)測(cè)量技術(shù)

在飛機(jī)數(shù)字化裝配系統(tǒng)中，一般采用激光跟蹤儀或I-GPS對(duì)裝配單元的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量。其原理是利用激光跟蹤儀或I-GPS建立飛機(jī)坐標(biāo)系，測(cè)量裝配單元在裝配系統(tǒng)中的適時(shí)姿態(tài)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)分析和調(diào)姿路徑規(guī)劃。飛機(jī)數(shù)字化裝配測(cè)量系統(tǒng)總體上分為三個(gè)子系統(tǒng)，即激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)。

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)是飛機(jī)數(shù)字化裝配測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是負(fù)責(zé)激光跟蹤儀與計(jì)算機(jī)之間的通信，激光跟蹤儀初始化，激光跟蹤儀靜、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，前視、后視檢查等。該子系統(tǒng)是基于激光跟蹤測(cè)量?jī)x進(jìn)行開發(fā)的。激光跟蹤測(cè)量?jī)x與計(jì)算機(jī)之間的通信采用串口通信。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是飛機(jī)數(shù)字化裝配測(cè)量系統(tǒng)最重要的子系統(tǒng)，系統(tǒng)大部分的計(jì)算工作在這里完成。其主要功能是將激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化為模型的位姿信息，并與產(chǎn)品數(shù)據(jù)集的數(shù)字模型進(jìn)行比對(duì)，求出位姿誤差，并給出裝配件當(dāng)前的位姿以及裝配件的位姿調(diào)整方向。在各種位姿轉(zhuǎn)換的過程中，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是重要的內(nèi)容。

5 數(shù)字化裝配系統(tǒng)集成控制技術(shù)

集成控制技術(shù)是研究如何實(shí)現(xiàn)裝配單元姿態(tài)的自動(dòng)化測(cè)量與評(píng)價(jià)以及空間六自由度自動(dòng)化調(diào)姿的技術(shù)。在此技術(shù)研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建集成控制系統(tǒng)，包含相關(guān)硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)裝配系統(tǒng)進(jìn)行集成控制，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件裝配時(shí)裝配單元的自動(dòng)化測(cè)量和自動(dòng)化調(diào)姿。

集成控制技術(shù)的核心是軟件系統(tǒng)。根據(jù)功能分類，其軟件系統(tǒng)包含集成管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)客戶端、調(diào)姿定位控制系統(tǒng)、數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)等等。各個(gè)子系統(tǒng)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)連接。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

集成管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存取與交互，集成管理系統(tǒng)各個(gè)調(diào)姿定位控制系統(tǒng)，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)和自動(dòng)化加工系統(tǒng)之間通過特定的協(xié)議進(jìn)行連接和通訊。

根據(jù)功能需求，以及實(shí)際需要，可將集成管理系統(tǒng)劃分為工藝流程管理模塊、現(xiàn)場(chǎng)過程數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算分析與仿真模塊、過程監(jiān)控模塊、異常處理模塊與用戶接口模塊等，構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)軟件體系。

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