基于測量數(shù)據(jù)的機(jī)身分段虛擬裝配技術(shù)研究

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

機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)集成度高、生產(chǎn)基地分散是當(dāng)前大型民用飛機(jī)的生產(chǎn)特點(diǎn)，以數(shù)字化設(shè)計(jì)、裝配仿真、工程分析、數(shù)字化測量等為代表的數(shù)字化手段是當(dāng)前飛機(jī)制造的技術(shù)特點(diǎn)[1]。為了提高產(chǎn)品競爭力，越來越多的新材料、新工藝在大飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造階段得到應(yīng)用；為了降低成本，國外航空公司將飛機(jī)劃分為不同的工作包分散在世界各地進(jìn)行生產(chǎn)。我國航空企業(yè)承擔(dān)了大量的機(jī)身分段轉(zhuǎn)包生產(chǎn)工作，如何保證機(jī)身分段發(fā)運(yùn)、總裝對接后達(dá)到技術(shù)要求，避免由于總裝問題而造成的機(jī)身分段拒收、返修是當(dāng)前需要解決的一個(gè)問題。

虛擬裝配在國內(nèi)外飛機(jī)制造行業(yè)得到了大量的應(yīng)用，在產(chǎn)品可裝配性，裝配碰撞、干涉分析，生產(chǎn)線布局與人機(jī)工程方面發(fā)揮了巨大的作用[2]。但是實(shí)際生產(chǎn)中參與裝配的各個(gè)零件、部件由于加工誤差使得其實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸存在一定的差異，傳統(tǒng)基于模型的虛擬裝配無法真實(shí)地模擬現(xiàn)場裝配信息，也無法模擬實(shí)際產(chǎn)品在裝配后的實(shí)際狀態(tài)。由于無法準(zhǔn)確預(yù)知機(jī)身分段裝配后的實(shí)際狀態(tài)，發(fā)生過多起由于機(jī)身分段裝配后達(dá)不到技術(shù)要求而導(dǎo)致機(jī)身分段組件返修、飛機(jī)交付延期的現(xiàn)象。

針對這種情況，提出一種基于測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配技術(shù)，利用數(shù)字化測量手段采集各個(gè)機(jī)身分段裝配完成后對接關(guān)鍵特性的實(shí)際外形、尺寸數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)身分段測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配，計(jì)算裝配后對接要素之間的間隙、階差、夾角、同軸度等參數(shù)，以此判斷該機(jī)身分段裝配后能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求并對存在的問題提供返修方案與返修量，在機(jī)身分段發(fā)運(yùn)之前完成修理與調(diào)整，保證總裝對接的順利實(shí)施。以某型客機(jī)機(jī)身段為案例進(jìn)行了驗(yàn)證，研究成果得到了國外航空公司的認(rèn)可。這一技術(shù)的應(yīng)用有效降低了機(jī)身分段的返修率、提高了裝配效率。

1 基于測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配技術(shù)概述

1.1 基于模型的虛擬裝配

大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件種類數(shù)量繁多，工藝路線復(fù)雜、技術(shù)協(xié)調(diào)問題多，傳統(tǒng)的實(shí)物驗(yàn)證模式已經(jīng)不能滿足目前大型客機(jī)制造技術(shù)的要求?；谀Ｐ偷奶摂M裝配已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程，如圖1所示。該技術(shù)是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型作為虛擬裝配的數(shù)據(jù)源，借助于裝配仿真軟件對產(chǎn)品的裝配過程中、裝配工藝進(jìn)行虛擬仿真。飛機(jī)的可裝配性與可維護(hù)性檢查、工藝方案的比較與優(yōu)化、裝配工藝方案驗(yàn)證與改進(jìn)、工藝裝備的設(shè)計(jì)合理性、生產(chǎn)布局的可行性等一系列技術(shù)細(xì)節(jié)均可以通過虛擬裝配進(jìn)行演示驗(yàn)證并將存在的問題直觀的呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員[3]，設(shè)計(jì)人員通過對存在問題的修改與優(yōu)化使得在實(shí)際裝配過程中避免類似問題的出現(xiàn)，從而提高裝配效率，減少零部件的返修、工藝裝備的調(diào)整，提高產(chǎn)品裝配的成功率。

1.2 基于測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配

圖1 虛擬裝配技術(shù)Fig.1 Virtual assembly technology

大型飛機(jī)零部件加工裝配工藝復(fù)雜，定位誤差、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差、工裝型架誤差、裝配誤差、變形誤差最終都反映在零部件的實(shí)際尺寸之中，也就是說零部件在加工之后，其最終實(shí)際尺寸總是與理論設(shè)計(jì)尺寸存在一定的偏差，即理論尺寸與實(shí)際尺寸的差異性?；谀Ｐ偷奶摂M裝配雖然可以對零部件裝配中的干涉、碰撞等問題進(jìn)行分析，解決零部件的可裝配性問題，但是無法模擬零部件在裝配之前的實(shí)際狀態(tài)，也不能模擬實(shí)際零部件在裝配之后能否滿足各項(xiàng)技術(shù)要求，只能通過現(xiàn)場裝配來驗(yàn)證實(shí)際零部件裝配之后能否達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)要求，例如配合面之間的間隙、階差，對接元素的直線度，交點(diǎn)孔軸的同軸度，相鄰機(jī)身分段對接導(dǎo)孔的位置一致性等。目前數(shù)字化測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)工裝型架的安裝定檢，零部件的質(zhì)量檢測等，其高效與高精度的數(shù)據(jù)采集能力可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成飛機(jī)零部件測量數(shù)據(jù)的采集[4]，適時(shí)地反映零部件的最終加工尺寸，使得基于測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

基于測量數(shù)據(jù)的機(jī)身分段虛擬裝配技術(shù)是通過采集機(jī)身分段裝配之后的實(shí)際尺寸參數(shù)，將不同機(jī)身分段的測量數(shù)據(jù)擬合到同一機(jī)身坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配，根據(jù)虛擬裝配的結(jié)果分析機(jī)身分段在裝配后的狀態(tài)，求解裝配要素之間的間隙、階差、夾角、形位公差等參數(shù)，以此來判斷當(dāng)前狀態(tài)下的機(jī)身分段能否在對接之后滿足技術(shù)要求并為存在問題的機(jī)身分段裝配要素提供返修方案與返修量，技術(shù)路線如圖2所示?；跍y量數(shù)據(jù)的機(jī)身分段虛擬裝配技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）對于通過添加墊片補(bǔ)償?shù)瓤梢韵暮唵螌尤毕荩诜侄伟l(fā)運(yùn)之前就可以準(zhǔn)備相關(guān)材料，縮短裝配對接時(shí)間；

（2）對于無法通過墊片補(bǔ)償?shù)仁侄谓鉀Q的對接缺陷，在機(jī)身裝配車間進(jìn)行修理與調(diào)整，避免了機(jī)身分段在裝配車間與總裝車間之間的往返運(yùn)輸；

圖2 基于測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配技術(shù)路線Fig.2 Technology roadmap of virtual assembly based on measurement data

（3）對于不可拆卸的工藝分離面，某一分段的缺陷可以在相鄰分段的下一架次生產(chǎn)中做出適當(dāng)?shù)挠嗔垦a(bǔ)償，避免兩個(gè)分段同時(shí)修理。

基于測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配與基于模型的虛擬裝配，兩種技術(shù)都隸屬于虛擬裝配的范疇但是兩者的數(shù)據(jù)來源、驗(yàn)證對象、驗(yàn)證目的、應(yīng)用階段等均有所不同[5]，兩者之間的相互關(guān)系如表1所示。

2 基于測量數(shù)據(jù)的機(jī)身分段虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)

基于測量數(shù)據(jù)的機(jī)身分段虛擬裝配技術(shù)是通過數(shù)字化測量手段獲取各個(gè)機(jī)身分段在總裝對接之前的實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過分析相鄰機(jī)身分段對接要素之間的相對位置關(guān)系，求解當(dāng)前機(jī)身分段裝配對接之后的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)?；跍y量數(shù)據(jù)的虛擬裝配涉及到機(jī)身分段對接關(guān)鍵特性提取技術(shù)、數(shù)字化測量技術(shù)、坐標(biāo)系統(tǒng)一技術(shù)等，如圖3所示。

2.1 關(guān)鍵特性提取技術(shù)

在裝配過程中對產(chǎn)品互換協(xié)調(diào)影響最大的材料、尺寸、特征等特性稱之為關(guān)鍵特性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行關(guān)鍵特性的識別，在工藝設(shè)計(jì)階段對關(guān)鍵特性按照工藝路線進(jìn)行分解與提取，在批量生產(chǎn)階段對關(guān)鍵特性進(jìn)行控制，關(guān)鍵特性的識別與控制流程如圖4所示。針對零部件裝配制定的關(guān)鍵特性，在加工裝配中采取技術(shù)手段保證其加工與裝配尺寸準(zhǔn)確并在裝配完成之后利用數(shù)字化測量技術(shù)進(jìn)行檢測[6]，確保關(guān)鍵特性的尺寸精度與位置準(zhǔn)確度，能夠有效減少零部件的返修量，提高產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。

表1 基于模型與基于測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配對比關(guān)系

圖3 基于測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)Fig.3 Key technology of virtual assembly based on measurement data

圖4 關(guān)鍵特性識別與控制流程Fig.4 Key feature recognition and control flow chart

2.2 數(shù)字化測量技術(shù)

由高精度測量設(shè)備、環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償裝置與三維測量軟件組成的數(shù)字化測量系統(tǒng)在飛機(jī)工裝安裝定檢、零部件測量、無損檢測等方面得到了大量應(yīng)用[7]，提高了工裝型架的安裝速度、零部件的測量精度與對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的測量能力。數(shù)字化測量系統(tǒng)作為一種通用高精度測量手段取代了大量傳統(tǒng)的專用量具、檢具，提高了企業(yè)的測量能力、簡化測量裝備體系、降低測量成本。

數(shù)字化測量即由數(shù)字量代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬量對零部件的加工質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，在零部件幾何量測量中具體表現(xiàn)在空間點(diǎn)位、形位公差測量與復(fù)雜結(jié)構(gòu)、空間曲面外形測量[8]。根據(jù)點(diǎn)到線、線到面、面到體的幾何原理，將評價(jià)要素逐級分解最終分解為一系列的空間點(diǎn)，測量設(shè)備完成空間點(diǎn)采集工作，空間點(diǎn)以坐標(biāo)的形式記錄在三維測量軟件中，通過不同空間點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算不同空間點(diǎn)的相互位置關(guān)系以及各點(diǎn)、特征與理論數(shù)據(jù)的偏差實(shí)現(xiàn)對空間點(diǎn)位、形位公差的評價(jià)；通過大量點(diǎn)的局部偏差反映空間曲面的整體偏差實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面的測量評價(jià)，典型數(shù)字化測量系統(tǒng)如圖5所示。

溫度、濕度、大氣壓等環(huán)境參數(shù)是影響測量數(shù)據(jù)可靠性的重要因素，不同環(huán)境條件下被測產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生不同的形變，最終影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[9]。氣象站是激光跟蹤儀數(shù)字化測量系統(tǒng)重要的環(huán)境參數(shù)補(bǔ)償裝置，通過傳感器采集測量現(xiàn)場的溫度、濕度、大氣壓等參數(shù)，依據(jù)測量產(chǎn)品材料的變形特性，計(jì)算出被測產(chǎn)品的變形量為測量數(shù)據(jù)提供補(bǔ)償值，確保測量數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。

2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)一技術(shù)

圖5 數(shù)字化測量系統(tǒng)Fig.5 Digital measurement system

測量坐標(biāo)系的建立是實(shí)現(xiàn)機(jī)身分段虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)，能否準(zhǔn)確建立測量坐標(biāo)系直接影響到機(jī)身分段虛擬裝配精度。機(jī)身設(shè)計(jì)坐標(biāo)系通常在機(jī)身實(shí)物上沒有明確反映，無法在機(jī)身分段實(shí)體上直接找到反映XYZ坐標(biāo)平面的實(shí)體特征，也就是無法利用坐標(biāo)平面的特征來完成測量坐標(biāo)系的建立。大型客機(jī)機(jī)身分段尺寸大，以某型客機(jī)為例中機(jī)身分段長度達(dá)15m，直徑為4.5m，難以在一個(gè)站位下完成測量數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)一步加大了測量坐標(biāo)系建立的難度。

通過公共點(diǎn)或公共特征來實(shí)現(xiàn)測量坐標(biāo)系的建立是目前機(jī)身分段測量坐標(biāo)系常用的建立方法，即利用機(jī)身分段數(shù)模與機(jī)身分段實(shí)體上的一組公共點(diǎn)或者公共特征，將公共點(diǎn)或公共特征的測量值與設(shè)計(jì)值擬合[10]，求解儀器坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的變換矩陣，將儀器坐標(biāo)系下的測量值轉(zhuǎn)化到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)機(jī)身分段測量坐標(biāo)系的建立。

四元素法是利用公共點(diǎn)建立測量坐標(biāo)系的常用轉(zhuǎn)換參數(shù)求解算法[11]，給定一組公共點(diǎn)，設(shè)其在兩個(gè)不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)分別為P = （pi，i=1，2，3，…，n）和Q =（qi，i=1，2，3，…，n），則兩組數(shù)據(jù)應(yīng)滿足：

式中，R與T分別為兩個(gè)坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移向量。選取單位四元素W =（w0，w1，w2，w3），則 R 與 T分別為：

兩組數(shù)據(jù)的質(zhì)心可以分別表示為：

對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)心化處理結(jié)果為：

根據(jù)同名點(diǎn)質(zhì)心相同的特點(diǎn)，構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)：

目標(biāo)函數(shù)最小化等價(jià)于RQFT最大化，令：

J=∑QFT，則目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為：M（R，T）=max∑RJ，構(gòu)造矩陣 H,即

式中為三階矩陣。最大特征值對應(yīng)的單位特征矢量H即為要求的四元組矢量W、R與T可由式（1）求得。

基于四元素法可以利用一組公共點(diǎn)快速求解儀器坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而建立起機(jī)身分段測量坐標(biāo)系。通過在機(jī)身分段上設(shè)置一定數(shù)目的基準(zhǔn)點(diǎn)或基準(zhǔn)特征，將基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)值導(dǎo)入到測量軟件，采集公共點(diǎn)在儀器坐標(biāo)系下的測量值，根據(jù)四元素法求解出儀器坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而建立起機(jī)身分段測量坐標(biāo)系。針對不同機(jī)身分段，在不同分段上設(shè)置不同的公共基準(zhǔn)點(diǎn)建立全機(jī)坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)不同機(jī)身分段測量坐標(biāo)系的匹配。

3 基于測量數(shù)據(jù)虛擬裝配實(shí)例

以上述理論研究為基礎(chǔ)，結(jié)合某型客機(jī)，通過對機(jī)身分段測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配，無需將機(jī)身分段運(yùn)抵總裝廠進(jìn)行實(shí)際裝配就可以發(fā)現(xiàn)機(jī)身分段存在的問題，并對存在的問題進(jìn)行修理，降低了機(jī)身分段的拒收率，提高了產(chǎn)品交付速度。

3.1 機(jī)身對接關(guān)鍵特性提取

依據(jù)關(guān)鍵特性識別與提取技術(shù)，結(jié)合該型飛機(jī)的機(jī)身分段裝配對接工藝與國外公司豐富的生產(chǎn)質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)，最終確定機(jī)身對接關(guān)鍵特性包括蒙皮端部、帶板外形、長桁端部、長桁表面、座椅滑軌上表面、對接導(dǎo)孔等，如圖6所示。在批量生產(chǎn)中，通過控制關(guān)鍵特性的裝配質(zhì)量，明顯降低了機(jī)身分段的返修量。

3.2 機(jī)身分段數(shù)字化測量

機(jī)身分段裝配完成之后，將其轉(zhuǎn)移到專用的機(jī)身分段測量型架，完成機(jī)身分段關(guān)鍵特性測量數(shù)據(jù)的采集。由激光跟蹤儀與測量軟件組成測量系統(tǒng)，部分關(guān)鍵特性所處位置受到遮擋使用工具球無法完成測量數(shù)據(jù)的采集，由T-Probe負(fù)責(zé)該特性的數(shù)據(jù)采集，如圖7所示。

使用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)在不同的工位完成不同機(jī)身分段對接關(guān)鍵特性的數(shù)據(jù)采集，前機(jī)身后部與中前機(jī)身前部數(shù)據(jù)，采集結(jié)果如圖8所示。

3.3 測量數(shù)據(jù)虛擬裝配

圖6 機(jī)身分段關(guān)鍵特性Fig.6 Fuselage segments key feature

圖7 測量系統(tǒng)Fig.7 Measurement system

完成機(jī)身分段關(guān)鍵特性數(shù)據(jù)采集工作之后，將不同分段的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到同一個(gè)測量文件，利用不同機(jī)身分段上設(shè)置的基準(zhǔn)點(diǎn)，使用最佳擬合法將基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)值與測量坐標(biāo)值擬合，將不同機(jī)身分段的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到飛機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)坐標(biāo)系，如圖9所示，完成測量數(shù)據(jù)的虛擬裝配。

根據(jù)機(jī)身分段測量數(shù)據(jù)虛擬裝配結(jié)果，計(jì)算裝配后的技術(shù)參數(shù)，包括前機(jī)身與中前機(jī)身對接后蒙皮間隙、蒙皮階差，前機(jī)身帶板外形與中前機(jī)身蒙皮內(nèi)形間隙，對接長桁端部間距與平面度，對接座椅滑軌的直線度等，部分計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

依據(jù)機(jī)身分段裝配技術(shù)要求，計(jì)算機(jī)身分段虛擬裝配后的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，評價(jià)裝配結(jié)果能否達(dá)到技術(shù)要求。以某型飛機(jī)機(jī)身分段為例，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖8 機(jī)身分段測量數(shù)據(jù)Fig.8 Fuselage segments measurement data

圖9 統(tǒng)一坐標(biāo)系Fig.9 Unified coordinate system

圖10 部分對接參數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.10 Some parameters results

表2 某型飛機(jī)機(jī)身分段裝配部分技術(shù)要求 mm

由計(jì)算數(shù)據(jù)可知，裝配后帶板外形與蒙皮內(nèi)形階差、長桁表面階差均在設(shè)計(jì)要求內(nèi)，裝配后可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求；而蒙皮端部間隙在部分位置達(dá)到了1.8mm，超過了技術(shù)要求指標(biāo)，需要對該處的蒙皮端部進(jìn)行返修；兩根相互對接的座椅滑軌平行度達(dá)到了0.74mm，超過了技術(shù)要求指標(biāo)，需要對其進(jìn)行返修。

4 結(jié)論

利用基于測量數(shù)據(jù)的機(jī)身分段虛擬裝配技術(shù)能夠在機(jī)身分段實(shí)際裝配對接之前模擬裝配對接之后的狀態(tài)，通過計(jì)算相關(guān)參數(shù)來評價(jià)裝配之后能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并為存在的問題提供返修方案與返修量，在實(shí)際裝配對接之前完成機(jī)身分段的返修與調(diào)整，保證機(jī)身分段裝配對接的順利進(jìn)行。在與國外公司的合作中，該技術(shù)的應(yīng)用提高了機(jī)身分段的交付速率與質(zhì)量，避免了機(jī)身分段的往復(fù)發(fā)運(yùn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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