基于數字化測量的柔性工裝調裝技術研究

王 巍，叢瑋辰，王誠鑫

（沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧 沈陽110136）

0 引言

飛機產品尺寸大，數量多，結構復雜，為保證飛機產品的裝配精度，在飛機裝配過程中需要大量使用工裝。工裝調裝的準確性對于飛機的裝配質量有著重要影響。

當前，飛機工裝主要有兩種形式：傳統(tǒng)的剛性工裝和柔性工裝[1]。剛性工裝占地面積大，裝配效率低，不利于連接其他自動化設備使用。柔性工裝相比較于剛性工裝，具有數字化、可重構性、自動化等特點，越來越廣泛的應用于航空制造領域。而柔性工裝由于這些特點，設備的檢測與調裝等問題更為困難，已成為飛機制造業(yè)的瓶頸[2]。

本文通過數字化測量技術與MBD技術的結合[3]，將飛機裝配工裝制造過程中的模擬量轉化為數字量，分析數字化測量技術對于工裝調裝的影響，對提高飛機裝配精度有著重要的意義。

1 工裝調裝技術總體方案

通過結合MBD技術，測量工裝工具球點，導入測量值，建立測量坐標系，與工裝理論數模比較，用于工裝調裝。工裝型架上設有型架基準點（MRP點），用于建立型架坐標系。型架組件通過光學工具球點（OTP點）定位，根據六點定位原理[4]，限制空間六個自由度確定組件的位置。每個組件至少裝有三個不共線的OTP點，其中第一個OTP點控制三個坐標方向，第二個OTP點控制兩個坐標方向，最后一個OTP點控制一個坐標方向，最終達到控制空間六個坐標方向的作用，從而確定空間位置。

2 測量設備規(guī)劃與仿真

在測量工作開始之前，首先要確定測量設備的安放位置。在測量過程中，測量設備安放的位置應該盡可能的檢測到所有待測元素，例如MRP點、OTP點、定位面等。如果不能一次完成完成測量，就需要增加測量設備或者轉站多次完成測量工作。然而這些方式都會造成工作效率、測量精度降低，測量成本的提高。通過測量仿真功能，保證測量設備能夠在精度允許的情況下通過使用盡可能少的設備測量到盡可能多的待測點。

仿真的核心在于“待測目標可測性算法”，通過測量站位點和待測目標之間建立連線，以連線長度L為軸線構造出地面半徑為R的圓錐，確定圓錐與待測目標的可見面積，通過可視化連線表達出來。

通過導入待測數模和測量設備，模擬測量過程并對待測量點進行數據計算顯示不可視區(qū)域，如圖1所示。建立測量平臺，規(guī)劃測量站位。

圖1 站位測量仿真

3 數字化測量坐標系建立方法與原理

數字化測量實際上是空間點的坐標測量，通過測量得到空間點坐標值與理論坐標值進行分析比較，兩者的偏差即為實際位置與理論位置的偏差結果。理論值來自于工裝圖紙設計模型，即理論設計坐標系中的坐標值。測量值來自于空間數據測量，它是設備坐標系下的坐標值。設備坐標系與理論坐標系并不是同一個坐標系，無法反應測量點的實際偏離位置。為了完成工裝的裝配裝調，需要將兩個坐標系擬合在同一個坐標系下，即測量坐標系。三個坐標系的關系如圖2所示。

圖2 坐標系轉換關系

通過導入型架理論MRP點，利用激光跟蹤儀測得理論MRP點的測量值，根據測量軟件Bestfit功能利用最小二乘法[5]擬合理論坐標系和設備坐標系到測量坐標系下。

設型架上設MRP點有i個，基準點的理論值為Pi=（XiYiZi）T，其中i=1，2，…n.設型架測量基準點實際測量坐標值為Pi=（）T，i=1，2，…n.通過運用最小二乘法求解目標函數：

使得型架MRP點理論值與實際值建立的坐標系有最優(yōu)解R和T.利用SVD算法[6]對目標函數進行求解。

推導出利用R和T對理論坐標值與實際坐標值進行擬合，建立測量坐標系。其測量由于在實際工作中，溫度、光照、噪聲、壓強等因素會影響到測量數據，需要在擬合坐標系的同時進行系統(tǒng)補償，減少誤差[7]。

4 數字化測量技術在柔性工裝調裝過程中的應用

4.1 柔性工裝總體結構分析

某型柔性工裝主要由主型架和左右兩個移動型架構成。該組裝型架用于垂尾方向舵組件組裝。用于裝配的零件有梁、鉸鏈接頭、作動器接頭、根肋、端肋，內部肋等。方向舵主型架為柔性工裝可以在裝配站位和自動制孔站位進行工作，站位主要組件如圖3所示。因此需要保證地面杯錐系統(tǒng)在生產線使用周期內的重復定位精度。主型架同樣會在裝配左右壁板時同移動型架發(fā)生影響，保證移動型架外部結構協調性至關重要。移動型架需要在裝配站位和銑切站位進行工作，也需要保證重復定位精度。

圖3 主型架主要組件

4.2 測量站位仿真

通過利用Delmia仿真軟件，對測量過程進行仿真，建立測量平臺，確定測量站位，來保證測量精度和工作效率。

4.3 地面杯錐與氣動夾具位置確定

傳統(tǒng)剛性工裝依靠頂絲固定于地面，該柔性工裝由于需要在多個站位進行工作，采用杯錐系統(tǒng)取代頂絲，杯錐系統(tǒng)如圖4所示。通過測量設備添加檢測窗口調平杯錐，確保地面杯錐系統(tǒng)擬合的平面平面度控制在0.1 mm范圍內，以保證主型架位于同一水平面。再通過理論數模將杯錐調整到理論位置，使位置度偏差在0.1 mm范圍內，完成杯錐調裝工作。

圖4 地面杯錐系統(tǒng)

方向舵裝配過程中，左右兩個移動型架裝載壁板靠近主型架，靠氣動夾具（rohm系統(tǒng)）固定在主型架上，保證工裝的重復性和穩(wěn)定性。rohm系統(tǒng)由固定在移動型架和主型架的六個表盤組成，如圖5所示，在裝配過程中，氣閥打開，移動型架表盤里的鋼珠彈出，將氣動夾具鎖死，保證定位精度。

圖5 氣動夾具系統(tǒng)

由于該型架體積巨大，僅根據理論數模位置的調裝的方法由于系統(tǒng)誤差無法確定氣動夾具的具體位置。通過在主型架和移動型架rohm系統(tǒng)周圍粘貼臨時FLAT點，測量主型架和移動型架在工作位置rohm系統(tǒng)沒有開啟時FLAT點位置，添加檢測窗口，比較rohm系統(tǒng)開啟時FLAT點位置，通過加減墊片的方法保證兩次測量值偏差在±0.1 mm之內，保證工裝的重復性。

4.4 數字化測量坐標系建立

根據柔性型架機構特點，確定建立型架坐標系方法，以達到減少誤差的目的。通過測量MRP點和理論MRP值進行擬合，在擬合過程中加入溫度和材料補償，減少測量誤差，建立型架坐標系，擬合結果如圖6所示，作為調整組件的的基準。從圖中結果分析，型架坐標系的擬合結果測量值與理論值偏差在0.1 mm以內，保證后續(xù)組件的調裝在公差范圍之內。在測量過程中，應盡量將所有MRP點測量值與理論值進行擬合，以確定型架坐標系。因為本次研究的柔性工裝型架尺寸大，組件多，在某一站位可能無法將所有MRP點全部測到，應保證測量到的MRP點將整個型架包圍，在需要的情況下粘貼臨時增強FLAT點，確保建立的型架坐標系的準確性。

圖6 擬合坐標系結果

建立型架坐標系之后需要測試型架的重復定位精度，分別測量三次主型架和移動型架MRP點值，確保偏差在0.1 mm范圍內。由于柔性工裝需要在不同站位工作，主型架和移動型架除了需要在裝配站位測量還需要分別在制孔站位和銑切站位進行測量，確保型架坐標系建立的準確性。

在調整某些組件的過程中，使用世界坐標系無法直接得到在組件所在平面的偏差值，需要建立與之相對于的坐標系方便調整組件位置。通過組件三個面建立坐標系，或者通過點線面建立坐標系來完成組件的調裝工作。

4.5 組件的裝調和型架定位器的安裝

將型架數模和OTP點數據導入測量軟件中，先調整定位面的位置。通過添加監(jiān)測窗口，監(jiān)測定位面測量值與理論值之間的偏差△d，通過加減墊片將定位面調整到理論位置，使規(guī)定誤差≥d，并確保平面度在公差范圍0.1 mm內。再監(jiān)測定位面的軸線OTP點，監(jiān)測實際與理論偏差（△X，△Y，△Z），測量軸線需要使用測量附件和雙矢量靶座。通過調整定位器的位置，將OTP點調整到理論位置，保證規(guī)定誤差ε≥（△X，△Y，△Z），即可確定組件的位置。最后調整鉆模板的位置，每個鉆模板上有三個不共線的OTP點，根據六點定位原理，將這三個OTP點調整到理論位置，確保誤差在公差范圍之內，即可確定鉆模板的位置。在確定所有組件位置之后，用螺栓將定位器固定。

4.6 數據分析報告

完成工裝調裝工作之后，使用Spatial Analyzer測量軟件生成測量報告。如圖7所示，從測量報告數據分析可知，定位面調裝后的實際位置與理論位置偏差都在±0.1 mm范圍內，OTP點在x，z方向上偏差都在±0.2 mm范圍內，y方向由于是軸向方向，不影響裝配，故不做精度要求，滿足工裝調裝精度要求。

圖7 測量報告

5 結束語

數字化測量設備的應用改變了傳統(tǒng)的工裝調裝方式，實現了調裝過程的數字化、便捷化與可視化。通過對基于數字化測量的柔性工裝調裝技術的研究，著重分析了調裝的關鍵性技術，制定了調裝的具體方案，保證了柔性工裝的重復定位精度。目前，國內柔性工裝調裝技術已經取得明顯進步，但調裝效率和精度仍和國際先進水平有較大差距，需要進一步的研究提高調裝能力，以保證飛機裝配的準確性。