基于數(shù)字化測(cè)量的飛機(jī)型架裝配技術(shù)研究

胡濤 高雙全 唐萬(wàn)壽 胡徐洋

摘? 要：隨著工業(yè)現(xiàn)代化過(guò)程的發(fā)展，航空制造業(yè)的蓬勃興起和批量生產(chǎn)的需求要求組件的高度互換性以及對(duì)尺寸、位置和形狀的嚴(yán)格公差要求。在更高的自動(dòng)化程度的基礎(chǔ)上，測(cè)量和檢查方法應(yīng)該是高速、靈活和通用的，并且傳統(tǒng)的勞動(dòng)儀器極大地限制了大批量的組裝和制造以及復(fù)雜零件的加工和組裝。特別是隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)組裝技術(shù)已經(jīng)完全改變了數(shù)字時(shí)代。所有零件的加工和裝配數(shù)據(jù)均采用數(shù)字模擬傳輸?shù)男问?，并且在加工和裝配過(guò)程中對(duì)這些數(shù)據(jù)的檢查和控制無(wú)法完全滿足現(xiàn)代柔性制造和傳統(tǒng)形狀測(cè)量所需的更復(fù)雜形狀工件的需求。因此，本文分析和研究了數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)框架裝配中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化測(cè)量? 飛機(jī)? 型架? 裝配技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：V262.4 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（a）-0088-03

Abstract： With the development of industrial modernization，the booming aviation industry and the need for mass production required a high degree of interchangeability and size of components，strict tolerance requirements for position and shape.On the basis of greater automation，the measurement and inspection method should be high speed，flexible and versatile，and the traditional labor instruments greatly limited the mass assembly and manufacture as well as the processing and assembly of complex parts.Especially with the rapid development of information technology，aircraft assembly technology has completely changed the digital age.The processing and assembly data of all parts are in the form of digital analog transmission.And the inspection and control of these data in the process of processing and assembly can not fully meet the requirements of modern flexible manufacturing and traditional shape measurement of more complex shape workpiece.As a result，this paper analyzes and studies the application of digital field measurement technology in aircraft frame assembly.

Key Words： Digital measurement; Plane; Type; Assembly technology

飛機(jī)數(shù)字組裝方法不僅包括傳統(tǒng)數(shù)字組裝概念中的模具設(shè)計(jì)、制造和虛擬仿真，還包括其他自動(dòng)組裝方法，例如柔性組裝方法和無(wú)模板框架組裝方法。飛機(jī)數(shù)字裝配技術(shù)是數(shù)字裝配技術(shù)、光學(xué)檢測(cè)和反饋技術(shù)、數(shù)字鉚接技術(shù)、數(shù)字集成控制技術(shù)等許多先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用。數(shù)字組裝技術(shù)在組裝過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的數(shù)字化、靈活性、信息化、模塊化和自動(dòng)化組裝，將傳統(tǒng)的依靠手工或?qū)Ｓ眯图軍A具的裝配方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化的裝配方式，將傳統(tǒng)裝配模式下的模擬量傳遞模式改為數(shù)字量傳遞模式。

1? 數(shù)字化裝配技術(shù)

1.1 數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)

數(shù)字協(xié)調(diào)方法，也稱(chēng)為數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)工具協(xié)調(diào)方法，是一種基于數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)工具定義的先進(jìn)協(xié)調(diào)和通信技術(shù)，它將確保生產(chǎn)工藝裝備之間、生產(chǎn)工藝裝備與產(chǎn)品之間、產(chǎn)品部件與組件之間形成良好的協(xié)調(diào)。數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)路徑如下：（1）飛機(jī)的大型結(jié)構(gòu)零件（與飛機(jī)的形狀和位置有關(guān)），例如框架、橫梁、肋骨和CNC模式。（2）在飛機(jī)坐標(biāo)系下，模具設(shè)計(jì)人員以產(chǎn)品工程數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)模具進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，并對(duì)與模具和產(chǎn)品定位有關(guān)的零件的所有定位元件進(jìn)行數(shù)值加工。（3）在裝配過(guò)程中，模具通過(guò)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)（數(shù)據(jù)）進(jìn)行協(xié)調(diào)，并且激光自動(dòng)跟蹤測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，零件的安裝位置由配合的坐標(biāo)系確定，以滿足空間坐標(biāo)和精度安裝參考要求。（4）飛機(jī)鈑金零件模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和CNC加工。

1.2 數(shù)字化裝配容差分配技術(shù)

容差值直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和成本。因此，根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求、容差分析和設(shè)定，可以經(jīng)濟(jì)合理地確定產(chǎn)品的尺寸容差，以確保加工精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并滿足最終設(shè)計(jì)需求，從而使產(chǎn)品獲得最佳的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)以往的情況，很難確定組裝后產(chǎn)品的容差是否可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，或者在組裝產(chǎn)品之前，每個(gè)零件都有一定的分配計(jì)劃?，F(xiàn)在可以使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)來(lái)模擬裝配過(guò)程和時(shí)間。可以看出，最終產(chǎn)品的容差與零件的容差和零件的裝配順序有關(guān)。在仿真部分的基礎(chǔ)上，我們關(guān)注的重點(diǎn)是質(zhì)量特征，設(shè)置容差和裝配順序，模擬使用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析各種因素對(duì)質(zhì)量的影響程度，找出質(zhì)量問(wèn)題的原因，為改善容差分配提供依據(jù)，并通過(guò)連續(xù)仿真形成最佳容差分配。

2? 裝配測(cè)量工作

裝配測(cè)量準(zhǔn)備工作完成后，開(kāi)始執(zhí)行對(duì)飛機(jī)部件的裝配測(cè)量工作;在裝配測(cè)量過(guò)程中，不僅需要為控制系統(tǒng)提供測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)也要監(jiān)控整個(gè)裝配過(guò)程并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)保存管理;整個(gè)裝配過(guò)程需要多激光跟蹤儀進(jìn)行實(shí)時(shí)并行協(xié)同測(cè)量，既要保證數(shù)據(jù)的高精度，又要滿足實(shí)時(shí)要求;裝配測(cè)量具體實(shí)施過(guò)程如下：

（1）裝配件入位，工裝位置調(diào)整好后，利用吊裝設(shè)備完成裝配件的入位。

（2）導(dǎo)入裝配數(shù)模，如工裝數(shù)模、激光跟蹤儀模型、裝配件數(shù)字標(biāo)工。

（3）裝配測(cè)量開(kāi)始前對(duì)各激光跟蹤儀進(jìn)行預(yù)熱、IP設(shè)置、網(wǎng)路組建工作，建立通信連接，初始化，并檢測(cè)跟蹤儀工作狀態(tài)。

（4）控制系統(tǒng)硬件部分就位，各軟件系統(tǒng)完成初始化，操作人員經(jīng)裝配系統(tǒng)主界面發(fā)出執(zhí)行裝配命令，裝配測(cè)量系統(tǒng)接收到執(zhí)行裝配命令后，開(kāi)始啟動(dòng)多臺(tái)跟蹤儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量工作。

（5）裝配開(kāi)始時(shí)，裝配測(cè)量系統(tǒng)發(fā)送給控制系統(tǒng)各裝配測(cè)量點(diǎn)初始位置數(shù)據(jù)及裝配測(cè)量點(diǎn)理論位置數(shù)據(jù)，并發(fā)出執(zhí)行裝配動(dòng)作的命令;控制系統(tǒng)根據(jù)位置的偏差計(jì)算出控制機(jī)構(gòu)的步長(zhǎng)，之后執(zhí)行裝配動(dòng)作。

（6）在執(zhí)行裝配動(dòng)作的過(guò)程中，激光跟蹤儀根據(jù)一定的頻率采集測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，每次采集的數(shù)據(jù)均與上次采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)做一次差運(yùn)算，如果差值在很小的范圍內(nèi)，且持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間，即認(rèn)定執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝配動(dòng)作結(jié)束;否則繼續(xù)以固定頻率采集測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3? 實(shí)時(shí)并行協(xié)同測(cè)量

動(dòng)態(tài)裝配實(shí)時(shí)仿真需要在裝配過(guò)程中，由多臺(tái)激光跟蹤儀測(cè)量裝配件位置信息并分析裝配狀態(tài)，整個(gè)裝配過(guò)程無(wú)需人工干預(yù);為了滿足測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步、各激光跟蹤儀并行協(xié)同測(cè)量、測(cè)量數(shù)據(jù)管理便捷的要求，提出了基于多線程技術(shù)的實(shí)時(shí)并行協(xié)同測(cè)量方法;此方法對(duì)非激光跟蹤儀的其他測(cè)量設(shè)備也同樣適用，適合多類(lèi)型測(cè)量設(shè)備的混合并行協(xié)同測(cè)量;實(shí)時(shí)并行測(cè)量是整個(gè)測(cè)量裝配工作的核心，它是基于TCP/IP協(xié)議，建立激光跟蹤儀組和主機(jī)之間的局域網(wǎng)通信連接，具體流程如下。

3.1 建立局域網(wǎng)絡(luò)

建立方式包括兩種：一種是有線路由方式，另一種是通過(guò)無(wú)線連接。

3.2 多線程并行測(cè)量

多線程通信連接方式，根據(jù)激光跟蹤儀設(shè)備數(shù)量，客戶端動(dòng)態(tài)分配線程，每個(gè)線程負(fù)責(zé)單獨(dú)的激光跟蹤儀的測(cè)量工作，客戶端主線程負(fù)責(zé)控制各激光跟蹤儀線程，同時(shí)負(fù)責(zé)與控制系統(tǒng)的通信，激光跟蹤儀測(cè)量模式設(shè)置為動(dòng)態(tài)測(cè)量模式。具體執(zhí)行過(guò)程如下：

（1）裝配測(cè)量開(kāi)始后，進(jìn)程動(dòng)態(tài)分配各測(cè)量線程，每個(gè)線程建立一套激光跟蹤儀通信連接，并設(shè)置測(cè)量模式為動(dòng)態(tài)測(cè)量模式;

（2）設(shè)置測(cè)量線程為裝配測(cè)量狀態(tài)，在此狀態(tài)下，各測(cè)量線程立即向激光跟蹤儀服務(wù)器發(fā)出測(cè)量命令;

（3）激光跟蹤儀服務(wù)器收到測(cè)量命令后，返回測(cè)量值;

（4）在裝配測(cè)量狀態(tài)下，測(cè)量線程需進(jìn)行多次測(cè)量，獲取測(cè)量點(diǎn)位置的均值，此數(shù)值稱(chēng)為裝配測(cè)量數(shù)據(jù);

（5）測(cè)量線程把均值發(fā)送給主線程，并設(shè)置測(cè)量線程為監(jiān)控測(cè)量狀態(tài);

（6）主線程得到多點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)后，把測(cè)量數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換到裝配測(cè)量坐標(biāo)系下，打包發(fā)送給控制系統(tǒng);

（7）控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)作出反饋，并執(zhí)行裝配動(dòng)作;

（8）測(cè)量線程在控制系統(tǒng)執(zhí)行裝配動(dòng)作期間，一直處于監(jiān)控測(cè)量狀態(tài);在此狀態(tài)下，裝配測(cè)量系統(tǒng)主線程每隔一定的周期向各測(cè)量線程發(fā)出一次監(jiān)控測(cè)量命令，測(cè)量線程立即獲取當(dāng)前位置數(shù)據(jù)信息，直接返回此數(shù)值，此數(shù)值稱(chēng)為仿真測(cè)量數(shù)據(jù);

（9）主線程獲取到仿真測(cè)量數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)和裝配歷史工程系統(tǒng);

（10）裝配執(zhí)行動(dòng)作結(jié)束后，如需再次獲取裝配位置數(shù)據(jù)，返回第2步;

（11）在裝配過(guò)程中，如遇到激光跟蹤儀斷光情況，如果當(dāng)前線程狀態(tài)為裝配測(cè)量狀態(tài)，則停止裝配，并彈出斷光警告，待操作人員排查斷光原因后，選擇繼續(xù)裝配命令完成后續(xù)裝配;如果當(dāng)前狀態(tài)為監(jiān)控測(cè)量狀態(tài)，則舍棄當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)包，繼續(xù)裝配。

4? 測(cè)量數(shù)據(jù)整理

一次裝配工作完成后，斷開(kāi)各激光跟蹤儀連接，關(guān)閉各測(cè)量線程，取出裝配過(guò)程中的實(shí)時(shí)并行測(cè)量數(shù)據(jù)，以文件形式保存。

5? 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化在線測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用是數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，具有無(wú)可估量的發(fā)展前景。我們要想在飛機(jī)裝配技術(shù)上取得長(zhǎng)足進(jìn)步就必須在這一技術(shù)領(lǐng)域不斷深入研究和應(yīng)用，才能使我們?cè)诤娇昭b配技術(shù)上邁上一個(gè)新的臺(tái)階，從而使我們?cè)趪?guó)際轉(zhuǎn)包市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力得到進(jìn)一步提高。

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