基于激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的翼身對接技術(shù)研究

王 巍，周天一，王誠鑫

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

0 引言

飛機(jī)大部件對接是飛機(jī)裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為提高大部件對接的質(zhì)量，國內(nèi)外各飛機(jī)制造企業(yè)均飛機(jī)大部件自動化對接系統(tǒng)進(jìn)行研制，如波音公司研制的波音787大部件自動對接系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了機(jī)械工裝，控制系統(tǒng)，數(shù)字化測量設(shè)備以及專門的優(yōu)化計(jì)算軟件[1]。還有F-35飛機(jī)的電子裝配對接系統(tǒng)（EMAS），該對接系統(tǒng)柔性好，精度高，可以對不同型號機(jī)型進(jìn)行裝配[2-3]。本文通過將激光跟蹤儀測量系統(tǒng)，工控機(jī)與反饋系統(tǒng)相結(jié)合，制定基于激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的翼身對接方案。

1 基于激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的翼身對接方案設(shè)計(jì)

翼身對接過程中，對接基準(zhǔn)的選擇尤為重要，對接基準(zhǔn)的選擇決定了對接工裝的設(shè)計(jì)與激光跟蹤儀測量方案的制定。翼身對接基準(zhǔn)點(diǎn)一般選在激光跟蹤儀靶球易于接觸到的地方，方便測量，并且使激光跟蹤儀能夠在一個(gè)站位上，測到所有基準(zhǔn)點(diǎn)，防止轉(zhuǎn)站帶來的誤差。對接準(zhǔn)確度的設(shè)定也是翼身對接的關(guān)鍵，翼身對接準(zhǔn)確度應(yīng)滿足飛機(jī)整體裝配容差要求。

如圖1所示，本文對翼身對接方案進(jìn)行制定，為保證翼身對接的質(zhì)量，在對接前，對激光跟蹤儀的測量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行選取，之后，對翼身對接工裝進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。并應(yīng)用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)，對翼身對接過程進(jìn)行測量，最后，根據(jù)設(shè)定的對接準(zhǔn)確度判斷標(biāo)準(zhǔn)，對翼身對接結(jié)果進(jìn)行判斷。

圖1 翼身對接方案制定

其中，激光跟蹤儀測量系統(tǒng)對翼身對接的測量分為兩個(gè)部分：（1）對機(jī)身測量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量，并將實(shí)測值與理論值進(jìn)行擬合，建立機(jī)身坐標(biāo)系；（2）激光跟蹤儀對機(jī)翼位置調(diào)整過程進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，測量軟件將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以檢測翼身對接質(zhì)量，如果滿足對接準(zhǔn)確度要求，則對接完成，生成測量報(bào)告，否則，繼續(xù)對機(jī)翼位置進(jìn)行調(diào)整。

2 對接基準(zhǔn)的選擇和對接工裝的設(shè)計(jì)

為了保證翼身對接的精度與質(zhì)量，在翼身對接過程前，需要對翼身調(diào)姿的測量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行選取。如圖2所示，機(jī)翼的測量基準(zhǔn)點(diǎn)一般選取在機(jī)翼的蒙皮上，并且至少要選取四個(gè)測量基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖2 機(jī)翼測量基準(zhǔn)點(diǎn)

如圖3所示，為方便激光跟蹤儀對測量基準(zhǔn)點(diǎn)的測量，機(jī)身的測量基準(zhǔn)點(diǎn)一般選取在機(jī)身側(cè)壁板上，并且至少選取四個(gè)測量基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖3 機(jī)身測量基準(zhǔn)點(diǎn)

翼身對接前，首先要對機(jī)身進(jìn)行定位和調(diào)姿，圖4所示為機(jī)翼定位器，該機(jī)翼定位器可以對x、y、z三個(gè)方向進(jìn)行位置調(diào)整，對于X和Y方向，使用移動滑軌進(jìn)行調(diào)節(jié)，且為了滑動穩(wěn)定，設(shè)置了雙導(dǎo)軌。對于Z方向，則使用定位器的調(diào)節(jié)器對Z方向的位置進(jìn)行調(diào)整。此外，該定位器上還裝有伺服傳動裝置，可以根據(jù)在線測量軟件傳遞來的信息對機(jī)身位置進(jìn)行微調(diào)[4]。

圖4 機(jī)翼定位器

如圖5所示，對于機(jī)身的定位與調(diào)姿共設(shè)置四個(gè)定位器，將四個(gè)工藝接頭固定在四個(gè)定位器上，來保證機(jī)身位置的準(zhǔn)確性。其中四個(gè)定位器可以通過滑軌和調(diào)節(jié)器來改變其位置。工藝接頭與定位器連接，機(jī)身固定在工藝接頭上，工藝接頭對機(jī)身起到定位和裝夾的作用。并且定位器中裝有伺服裝置，可以通過控制系統(tǒng)對其進(jìn)行控制。

圖5 機(jī)身定位器

3 翼身對接測量方法的制定

如圖6所示，為基于激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的翼身對接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該翼身對接系統(tǒng)主要以激光跟蹤儀測量系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)源，通過激光跟蹤儀測量得到的部件調(diào)整數(shù)據(jù)和定位器調(diào)整數(shù)據(jù)，來對翼身對接過程進(jìn)行控制。

圖6 基于激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的大部件對接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文翼身對接主要采用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)對翼身對接過程進(jìn)行跟蹤測量，具體測量方法與流程如圖7所示。首先，對機(jī)身上的測量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量，測量軟件會采集測量基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測值，并將實(shí)測值與理論值擬合建立機(jī)身坐標(biāo)系[5]。之后，在建立的機(jī)身坐標(biāo)系下，通過工控機(jī)對機(jī)翼定位器進(jìn)行控制，將機(jī)翼位置進(jìn)行調(diào)整，激光跟蹤儀會對機(jī)翼的位置進(jìn)行跟蹤測量，測量軟件會將機(jī)翼測量基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測值與理論值進(jìn)行分析，如果滿足機(jī)翼對接準(zhǔn)確度要求，則對接完成，如果沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)對機(jī)翼位置進(jìn)行調(diào)整，直到滿足要求為止。如圖7所示，激光跟蹤儀測量系統(tǒng)工作流程。

圖7 激光跟蹤儀測量系統(tǒng)工作流程

翼身對接主要應(yīng)用激光跟蹤儀和在線測量控制系統(tǒng)。其中在線測量控制系統(tǒng)是對通過激光跟蹤儀采集的點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為控制信號，來對裝有接收器的工裝進(jìn)行控制的系統(tǒng)[6]。

首先，應(yīng)用激光跟蹤儀對機(jī)身上的測量基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行測量，并應(yīng)用測量得到的實(shí)際坐標(biāo)值與理論坐標(biāo)值進(jìn)行擬合建立機(jī)身坐標(biāo)系。擬合過程如下[7]。

設(shè)機(jī)身上的測量基準(zhǔn)點(diǎn)有i個(gè)，其測量基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值為Pi=（XiYiZi）T，其中i=1，2，……n.

設(shè)機(jī)身測量基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)際測量坐標(biāo)值為Pi=（）T，i=1，2，……n.利用最小二乘法求解目標(biāo)函數(shù)：

使得機(jī)身測量基準(zhǔn)點(diǎn)的理論值與實(shí)際值建立的坐標(biāo)系有最優(yōu)解和。利用SVD算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。

推導(dǎo)出：

利用R和T對理論坐標(biāo)值與實(shí)際坐標(biāo)值進(jìn)行擬合，建立飛機(jī)坐標(biāo)系。

在坐標(biāo)系下，對機(jī)翼進(jìn)行跟蹤測量，在線測量軟件會將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并向伺服裝置發(fā)出調(diào)整命令，定位器會對機(jī)翼位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后，激光跟蹤儀會對基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行再次測量，檢測對接是否滿足要求，如果滿足準(zhǔn)確度要求，則對接完成，如果沒有到達(dá)對接準(zhǔn)確度要求，則繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整，直到滿足準(zhǔn)確度要求為止。圖8為測量點(diǎn)的排布。

圖8 測量點(diǎn)位排布

如圖9所示，該翼身對接過程對激光跟蹤儀設(shè)置一個(gè)站位，對機(jī)身與機(jī)翼的測量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量[8]。

圖9 翼身對接仿真

4 翼身對接準(zhǔn)確度

大型客機(jī)翼身對接是飛機(jī)裝配中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，前期機(jī)身與機(jī)翼的零件制造，部件裝配，都是為了翼身對接做準(zhǔn)備。因?yàn)橐砩韺舆^程中，存在著機(jī)身和機(jī)翼零部件制造誤差，定位器的調(diào)整誤差以及跟蹤測量裝置的測量誤差等，導(dǎo)致翼身對接過程存在偏差，所以在機(jī)身與機(jī)翼對接完成后，需要對機(jī)身與機(jī)翼對接的偏差進(jìn)行判斷，判斷對接是否滿足容差標(biāo)準(zhǔn)。如果翼身對接偏差在容差要求的范圍內(nèi)，則完成翼身對接工作。如果翼身對接的偏差未能滿足容差要求，則機(jī)翼的測量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值進(jìn)入反饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳遞給在線測量軟件，在線測量軟件會對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并向伺服裝置發(fā)出調(diào)姿命令，伺服裝置收到調(diào)姿命令后，會驅(qū)動機(jī)翼定位器在方向進(jìn)行微調(diào)，以該種方式對機(jī)翼位置進(jìn)行反復(fù)修正，直到符合容差要求為止。

利用在機(jī)身坐標(biāo)系下，測得的機(jī)翼蒙皮上的基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值與理論坐標(biāo)值對比，得出在X、Y、Z方向上各基準(zhǔn)點(diǎn)所產(chǎn)生偏差，并將偏差與允許偏差進(jìn)行對比。判斷翼身對接是否滿足判斷標(biāo)準(zhǔn)。

其中，設(shè) Xi、Yi、Zi為基準(zhǔn)點(diǎn)的理論坐標(biāo)值，Xi′、Yi′、Zi′為基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值則裝配質(zhì)量的判斷標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算過程如下[9]：

最后對△X，△Y，△Z是否滿足容差要求進(jìn)行判斷。

5 實(shí)例驗(yàn)證

現(xiàn)以某型客機(jī)翼身對接實(shí)例，來驗(yàn)證該對接方法的可行性和實(shí)用性。如圖10所示，為該機(jī)型機(jī)翼身對接過程。

圖10 翼身對接

該翼身對接，要求機(jī)翼的容差為±0.7.在翼身對接過程中，首先，對機(jī)身測量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行測量，在線測量軟件會對基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測值與理論值進(jìn)行擬合建立機(jī)身坐標(biāo)系。

在飛機(jī)坐標(biāo)系下，對機(jī)翼位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并應(yīng)用激光跟蹤儀測量系統(tǒng)對每一次調(diào)整后機(jī)翼的位置進(jìn)行跟蹤測量，若未達(dá)到容差要求，則繼續(xù)調(diào)整，直到滿足容差要求為止，激光跟蹤儀會根據(jù)滿足容差要求的測量基準(zhǔn)點(diǎn)的測量值，生成測量報(bào)告。圖11是調(diào)整后，滿足容差要求的測量基準(zhǔn)點(diǎn)的測量報(bào)告。根據(jù)測量報(bào)告可知，測量基準(zhǔn)點(diǎn)的誤差均在容差要求范圍內(nèi)。經(jīng)過該實(shí)例驗(yàn)證，本文制定的基于激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的翼身對接方案，有效可行。

圖11 翼身對接測量報(bào)告

6 總結(jié)

本文對基于激光跟蹤儀測量系統(tǒng)的翼身對接技術(shù)進(jìn)行了研究，通過建立機(jī)身坐標(biāo)系，并在該坐標(biāo)系下，對機(jī)翼的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和在線測量，來完成翼身對接。該翼身對接方法雖然可以將偏差控制在容差要求范圍內(nèi)，但是仍然有許多不足之處，有些環(huán)節(jié)仍需要人工工作，如定位器的位置設(shè)置，激光跟蹤儀的位置排布。這不但增加任務(wù)工作量，耽誤工期，有時(shí)由于人工操作而導(dǎo)致誤差。

目前國內(nèi)采用數(shù)字化飛機(jī)裝配的方式，盡管較傳統(tǒng)的裝配方式，在工人工作量，精確度，裝配效率，裝配安全性等方面有了很大程度的提高，但仍有許多環(huán)節(jié)需要完善，并且有待于設(shè)計(jì)出包括飛機(jī)測量系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)在內(nèi)的飛機(jī)數(shù)字化與自動化的裝配生產(chǎn)線。