飛機大部件數(shù)字化對接仿真技術研究

鄭 博，李麗娟，林雪竹

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

飛機大部件數(shù)字化對接仿真技術研究

鄭 博，李麗娟，林雪竹

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

本課題提出飛機大部件數(shù)字化對接仿真技術，以此提高飛機大部件對接量。研究了大部件裝配對接當前位姿與目標位姿的參數(shù)求解方法。利用所求參數(shù)對大部件實際裝配對接過程進行虛擬動態(tài)仿真，模擬真實對接狀態(tài)，通過干涉分析提前預估實際裝配過程中可能出現(xiàn)的裝配問題，優(yōu)化對接方案，輔助裝配人員在裝配之前及時解決問題，減少重復裝配次數(shù)減輕操作人員的勞動量，提高裝配質(zhì)量與裝配效率。

大部件對接；虛擬仿真；干涉分析

0 引言

在飛機大部件對接過程中，以傳統(tǒng)方式進行對接裝配時，經(jīng)常會出現(xiàn)對接基準的碰撞，以及對接完成時對接部件與理論位置姿態(tài)不符等現(xiàn)象。造成這些現(xiàn)象原因的可能是對接基準的加工質(zhì)量誤差大，對接部件的對接位姿調(diào)節(jié)不到位以及對接流程方案規(guī)劃不合理等原因。且大部件對接的工序復雜，對接影響因素繁多是飛機制造中問題多發(fā)環(huán)節(jié)，每遇到一個問題，操作人員都要停止對接工作，進行問題的排查，甚至需要重新規(guī)劃對接方案。這樣給操作人員帶來了巨大的工作量，嚴重延長了飛機制造周期，加大了飛機制造成本。大部件數(shù)字化對接仿真能夠有效的反饋真實對接狀態(tài)，評估對接方案的合理性并對其進行優(yōu)化，極大的提高對接質(zhì)量與裝配效率。

1 接位姿參數(shù)求解

1.1 當前位姿

本文采用加權(quán)最小二乘牛頓迭代法對移動部件的當前位姿參數(shù)求解，以精確的獲得飛機移動部件的位置信息與姿態(tài)信息。

設在移動部件坐標系下的調(diào)姿基準點坐標為，在飛機對接全局坐標系{G}坐標為：，其位姿向量表示為。

飛機大部件的位姿調(diào)整后，在對接全局坐標系下的調(diào)姿基準點存在的位姿誤差為。

令目標函數(shù)為：

其中，ωi表示調(diào)姿基準點i的測量不確定度的權(quán)值；

1.2 目標位姿

為了尋找滿足飛機大部件裝配的所有約束條件的最佳位姿狀態(tài)，是飛機移動部件目標位姿優(yōu)化的目的。將飛機的6個位姿調(diào)姿參數(shù)作為裝配目標位姿的優(yōu)化變量即視為未知參數(shù)。

設6個位姿調(diào)姿參數(shù)構(gòu)成的向量為：

飛機機身移動部件的優(yōu)化目標位姿受多種因素影響，其中包括對接質(zhì)量評估點位置誤差定位銷與定位孔的同軸度誤差、對接平面間隙誤差以及調(diào)姿基準點的位置誤差等因素。因此，它是一個多目標優(yōu)化求解的過程，求解時要賦予每個目標因素一個權(quán)重系數(shù)。根據(jù)目標誤差模型，以平方加權(quán)方式構(gòu)造目標函數(shù)：

目標函數(shù)的最小值即為裝配對接部件優(yōu)化后的最佳位姿，有：

其中，各項位置誤差均在允許的條件內(nèi)，有：

遺傳算法是由上世紀70年代Holland教授提出的，該算法的思想來源是生物遺傳學與進化學理論[1]。本將文采用遺傳算法對目標函數(shù)進行優(yōu)化求解。如圖1所示為優(yōu)化求解流程。

圖1 遺傳算法優(yōu)化求解多目標函數(shù)流程

具體算法步驟如下：

步驟2：計算每個參數(shù)個體在種群中的適應度。

步驟3：進行優(yōu)化準則判斷，若符合，該個體為最優(yōu)解輸出結(jié)果；反之，執(zhí)行步驟4操作。

步驟4：以選擇概率pi，執(zhí)行選擇算子，從當前群體中挑選部分種群作為下一代種群。

步驟5：以交叉概率ps（一般取0.4～0.99），執(zhí)行交叉算子，產(chǎn)生新的種群。

步驟6：為了保持種群多樣性，以變異概率pm（一般取0.0001～0.1），執(zhí)行變異算，產(chǎn)生新種群。

步驟7：由交叉和變異產(chǎn)生新一代種群代入步驟2重復計算。

2 對接可視化仿真流程

通過逆向重構(gòu)等方法構(gòu)建全三維數(shù)字化虛擬對接裝配環(huán)境以及各部件，將優(yōu)化求解獲得大部件位姿參數(shù)輸入虛擬環(huán)境，實現(xiàn)飛機大部件對接裝配過程的全三維動態(tài)仿真。合理的規(guī)劃路徑，通過對接裝配動態(tài)仿真反饋的結(jié)果，不斷的調(diào)整對接裝配方案，優(yōu)化對接路徑，實現(xiàn)高精度對接裝配，有效的節(jié)省時間，減輕實際操作人員的工作量，提高效率。

飛機大部件對接裝配可視化仿真流程如圖2所示。

圖2 飛機大部件對接裝配可視化流程

3 仿真實驗

3.1 實驗方法

當實際對接 環(huán)境按照整個測量仿真系統(tǒng)搭建完畢，同時移動部件當前位姿測量精度達到對接設計要求，可以開始測量移動部件上的對接調(diào)姿基準點以及飛機移動部件當前位姿，通過本文研究的多目標優(yōu)化求解方法，計算出最佳位置的目標位姿參數(shù)，確定驅(qū)動定位器各方向的移動量，從而規(guī)劃裝配對接路徑，進行飛機大部件對接過程仿真，分析干涉檢測分布結(jié)果，若不符合對接標準，更改參數(shù)權(quán)重，重復仿真，并再次進行干涉檢測，直到檢測結(jié)果達到對接標準，最后輸出結(jié)果。

表1 移動部件當前位姿參數(shù)

表2 裝配目標位姿

對測量移動部件的當前位姿優(yōu)化求解，如表1所示。

基于裝配對接的工藝要求,調(diào)姿基準點位置和接頭基準點的位置的允許誤差均在±0.2mm以內(nèi) ，對接質(zhì)量評估點位置的允許誤差為±0.5mm以內(nèi)，對接平面間隙在0.5mm以內(nèi)，接頭配合的同軸度允許誤差在±0.01°以內(nèi)。對測量移動部件的當前位姿優(yōu)化求解，如表2所示。

3.2 動態(tài)仿真

在進行飛機大部件裝配對接動態(tài)仿真時，可實時反饋碰撞情況，通過分析干涉情況 ，判斷目標位姿重新優(yōu)化或是對接方案做出合理的優(yōu)化調(diào)整。

如圖3所示，飛機大部件對接過程存在明顯干涉情況，需要對目標位姿重新優(yōu)化。

圖3 仿真對接過程的碰撞情況

如圖4為目標位姿重新優(yōu)化后的對接過程，雖然仍有碰撞提示，但肉眼已無法明顯分辨出干涉位置，此時應通過可視化干涉檢測方法，分析對接精度是否達到誤差范圍內(nèi)，確定目標位姿是否需要重新優(yōu)化。

4 仿真干涉分析

完成對接仿真后，對大部件配合部位進行可視化干涉檢測，經(jīng)過計算得，在虛擬裝配對接環(huán)境下，最大干涉值為-0.126mm，最小值為+0.043mm，在干涉檢測結(jié)果中“+”代表間隙“-”代表碰撞，

圖4 對接部件目標位姿重新優(yōu)化結(jié)果

因此前者是碰撞干涉，后者是間隙干涉，結(jié)果滿足精度要求。飛機對接基準部件的干涉檢測結(jié)果如圖4所示。

圖5 機身對接部位的干涉檢測分布

對圖5分析可知，該干涉檢測分布具有一定的趨勢，初步判斷由對接面法向量的夾角造成，雖然已達到允許對接誤差范圍內(nèi)，仍然可以進一步優(yōu)化，重新分配目標函數(shù)的權(quán)重，獲得更優(yōu)的裝配目標位姿。

再次經(jīng)過計算得，在虛擬裝配對接環(huán)境下，最大干涉值為-0.1016mm，最小干涉值為+0.0276mm，前者為碰撞干涉，后者為間隙干涉，此次結(jié)果滿足精度要求，并且目標位姿狀態(tài)優(yōu)于前者。

對接基準干涉檢測分布結(jié)果如圖6所示。

【】【】

圖6 二次優(yōu)化基準部件的干涉檢測分布

由此次干涉檢測結(jié)果可以看出，對接部件的小部分干涉值在0.056mm左右，且顏色趨于藍色部分說明碰撞干涉在0.056mm左右，整體干涉分布在0.02mm內(nèi)，并且沒有明顯的顏色分布趨勢，由結(jié)果可知目標位姿優(yōu)化良好。

5 結(jié)論

通過對飛機大部件對接虛擬仿真，有效的反映了飛機大部件真實對接狀態(tài)，直觀的體現(xiàn)大部件裝配質(zhì)量，通過不斷地仿真分析與位姿參數(shù)優(yōu)化，使大部件對接趨近于最佳狀態(tài)，相對于傳統(tǒng)對接方法，減去了操作人員實際裝配過程中對部件不斷調(diào)整的工序，提高了對接精度以及裝配效率。

[1] Williams G,Chalupa E, Rahhal S. Automated positioning and alignment systems[R].SAE Technical Paper,2000.

[2] Kang S,Tesar D.A Noble 6-DOF Measurement Tool with Indoor GPS for Metrology and Calibration of Modular Reconfigurable Robots, Istanbul[C].IEEE ICM International Conference on Mechatronics,Turkey,2004.

[3] 秦政琪,范振偉.飛機薄壁組件數(shù)字化柔性裝配研究[J].沈陽航空工業(yè)學院學報,2009,26(3):1-4.

[4] 范玉青.現(xiàn)代飛機制造技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.5.

[5] 張旭.飛機大部件對接裝配過程中的干涉檢測技術研究[D].浙江大學,2008.

[6] 徐靚.飛機大部件數(shù)字化對接虛擬裝配技術研究[D].長春理工大學,2014.

[7] 朱永國.飛機大部件自動對接若干關鍵技術研究[D].南京航空航天大學,2012.

Research on digital docking simulation technology for aircraft large parts

ZHENG Bo, LI Li-juan, LIN Xue-zhu

V262.4

：A

1009-0134(2017)03-0149-03

2017-01-13

鄭博（1990 -），男，長春人，碩士，主要從事光電精密測量與數(shù)字化裝配方面的研究。