數(shù)字化對接在修理中的應(yīng)用研究

■ 宋悅 王文濤 李勝國 焦梅素/石家莊海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司

0 引言

數(shù)字化對接是基于數(shù)字量的協(xié)調(diào)裝配方法，是借助由數(shù)控定位器、激光測量系統(tǒng)和集成控制系統(tǒng)組成的數(shù)字化對接系統(tǒng)，按照技術(shù)要求，將部件支撐定位、調(diào)姿、對接成下一級裝配件或整機(jī)的過程。數(shù)字化對接分為部件間對接、翼身對接和頭中尾三段對接等。本文以某型飛機(jī)數(shù)字化對接裝配系統(tǒng)為例，完成飛機(jī)的數(shù)字化對接工作，并滿足數(shù)字化對接裝配中的激光測量、數(shù)字化定位、工藝管理和集成控制等關(guān)鍵技術(shù)要求，構(gòu)建對接平臺，分析解決修理中常見的故障難點(diǎn)。數(shù)字化對接裝配協(xié)調(diào)原理如圖1所示。

圖1 數(shù)字化對接裝配協(xié)調(diào)原理

1 數(shù)字化對接的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 激光測量技術(shù)

激光測量系統(tǒng)由現(xiàn)場激光跟蹤儀及測量工作站組成。系統(tǒng)通過測量安裝在飛機(jī)部件檢測點(diǎn)上的光學(xué)標(biāo)靶，得到飛機(jī)部件在現(xiàn)場裝配坐標(biāo)系下的空間位置，為生成調(diào)姿路徑、評價(jià)部件姿態(tài)提供依據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)調(diào)姿過程，對調(diào)姿誤差進(jìn)行評價(jià)分析。激光測量坐標(biāo)系設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 激光測量坐標(biāo)系設(shè)置界面

1.2 數(shù)字化定位技術(shù)

三軸數(shù)控定位器是數(shù)字化協(xié)調(diào)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，定位器除支撐對接部件外，還需完成移動、定位、調(diào)姿、固定、夾緊等工作。激光跟蹤儀作為位置測定反饋裝置，與自動定位器等機(jī)構(gòu)組成實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)。激光跟蹤儀為數(shù)字化測量系統(tǒng)捕捉目標(biāo)點(diǎn)信號并進(jìn)行處理，生成位置信息，與對接控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。控制系統(tǒng)對來自各部件基準(zhǔn)點(diǎn)或測量點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算部件的實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)，并與部件對接的理論位姿進(jìn)行比較，得出部件的位置姿態(tài)誤差，從而計(jì)算出部件各個(gè)定位器所需的移動指令值，最后發(fā)送給定位器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)精密對合。數(shù)字化測量系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。

圖3 數(shù)字化測量系統(tǒng)軟件界面

1.3 工藝管理技術(shù)

主控系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出機(jī)身在現(xiàn)場裝配坐標(biāo)系下的位置姿態(tài)，并進(jìn)行調(diào)姿路徑的仿真分析。確認(rèn)其安全可行后，將調(diào)整量發(fā)送給控制系統(tǒng)。

1.4 集成控制技術(shù)

在控制系統(tǒng)驅(qū)動下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)多定位器協(xié)同工作，快速靈活地完成飛機(jī)部件的姿態(tài)調(diào)整。控制系統(tǒng)硬件由控制工作站、伺服電機(jī)、控制器等組成。集成控制軟件系統(tǒng)將測量系統(tǒng)接口、姿態(tài)數(shù)據(jù)生成、模擬仿真、監(jiān)視系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等模塊結(jié)合起來，保證整個(gè)對接過程數(shù)據(jù)流的暢通。規(guī)范對接流程，實(shí)時(shí)檢測部件空間位姿以及對接系統(tǒng)各個(gè)定位器的當(dāng)前狀態(tài)，接收由主控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，生成調(diào)姿路徑，帶動相應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動定位器，實(shí)現(xiàn)部件位置姿態(tài)調(diào)整與準(zhǔn)確定位。

2 數(shù)字化對接的技術(shù)要求

2.1 設(shè)備技術(shù)要求

1）定位器

定位器用來支撐調(diào)整部件實(shí)現(xiàn)對接，并滿足剛度和安全性要求。實(shí)現(xiàn)三個(gè)坐標(biāo)方向的自動化聯(lián)動和操作單步驅(qū)動。數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動定位器在X、Y、Z方向移動和旋轉(zhuǎn)，將部件移動到準(zhǔn)確的對接位置并調(diào)整好對接姿態(tài)，技術(shù)要求如下：

a.最低高度：滿足飛機(jī)通過性要求并預(yù)留安全通過距離；

b.行程：X向（航向）、Y向（翼展方向）和Z向（垂直X、Y方向向上）移動均滿足測量范圍；

c.承載能力：保證整體支撐，并滿足剛度和安全性。

要求X、Y、Z向單坐標(biāo)運(yùn)動分辨率、定位精度和重復(fù)定位精度在行程范圍內(nèi)滿足對接的調(diào)整要求；三坐標(biāo)空間定位精度、多個(gè)定位器協(xié)同運(yùn)動精度和調(diào)姿定位精度在對接調(diào)整范圍內(nèi)，滿足對接的調(diào)整精度要求。

2）激光跟蹤儀系統(tǒng)

激光跟蹤儀系統(tǒng)由跟蹤儀主體、靶球等附件組成（見圖4），用于飛機(jī)的調(diào)平、對接和水平的測量。

圖4 激光跟蹤儀系統(tǒng)圖

激光跟蹤儀利用軟件進(jìn)行跟蹤儀測量、遠(yuǎn)程控制軟件和校靶測量，并由校準(zhǔn)功能的軟件Emscon控制，使測量范圍、精度指標(biāo)、工作條件均滿足要求。Emscon測量操作界面如圖5所示。

圖5 Emscon測量操作界面

3）工作平臺

按照符合人機(jī)工程規(guī)范的一體化工作平臺要求，建立以精簡工裝和數(shù)字設(shè)備融合的大部件對接裝配平臺體系，以靈活準(zhǔn)確、高效地完成對接裝配工作，同時(shí)考慮人機(jī)工程及操作的安全性、可達(dá)性，并確立三維建模工作。

2.2 軟件技術(shù)要求

1）調(diào)姿對合控制軟件

控制定位器完成大部件的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對接，并具有防誤操作、中斷安全處理功能；具有對定位器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)布和預(yù)報(bào)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)施故障報(bào)警、診斷和記錄的功能；調(diào)姿對接過程保持定位器的平穩(wěn)運(yùn)動，滿足協(xié)同性。

2）數(shù)字化測量軟件

數(shù)字化測量軟件控制激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)翼身調(diào)整及對接過程的自動測量和數(shù)據(jù)提示。測量軟件界面如圖6所示。

圖6 測量軟件界面

技術(shù)要求如下：

a.軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有防誤操作、中斷安全處理、飛機(jī)姿態(tài)和全機(jī)水平測量計(jì)算的功能；

b.具有將測量的計(jì)算結(jié)果通過接口軟件傳遞至共享數(shù)據(jù)庫功能；

c.根據(jù)測量的工藝要求，提供可視化操作界面，指導(dǎo)操作按指定步驟完成測量任務(wù)。

3 修理中轉(zhuǎn)站過程

3.1 飛機(jī)地標(biāo)基站的建立

將白水泥稀釋到一定程度，然后把4個(gè)地標(biāo)塊固定在飛機(jī)周圍地面上，并注意以下事項(xiàng)：

1）4個(gè)地標(biāo)點(diǎn)一定要固定牢固，在整個(gè)測量過程中不能晃動；

2）4個(gè)地標(biāo)點(diǎn)均勻分布在飛機(jī)左右兩側(cè)，且不能共線；

3）4個(gè)地標(biāo)點(diǎn)按順序編號（1、2、3、4）。

3.2 飛機(jī)坐標(biāo)系的建立

1）建立站點(diǎn)1，將激光跟蹤儀置于飛機(jī)右側(cè)，選擇合適位置，保證跟蹤儀可以測到所有的地標(biāo)點(diǎn)，并可以測到飛機(jī)右側(cè)所有的點(diǎn)。

2）創(chuàng)建站點(diǎn)1和站點(diǎn)2，并將對應(yīng)位置點(diǎn)命名為R11、R57、L11、L57、M11、M21、M54等。

3）選擇創(chuàng)建按鈕，選中R11、R57、L11、L57，用來創(chuàng)建一個(gè)平面。

4）選中M21、M54兩點(diǎn)，用來創(chuàng)建一條直線。

5）將M11投影到創(chuàng)建的平面上。

6）在狀態(tài)欄中選擇創(chuàng)建幾何坐標(biāo)系，點(diǎn)開后出現(xiàn)界面，包含已自動選擇的新坐標(biāo)系、改變的坐標(biāo)軸，可選擇以前已做出的在平面上的投影點(diǎn)為原點(diǎn)，也可將坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行平移。

7）Y向（高度方向）確定：利用激光跟蹤儀測得飛機(jī)上的L11、L57、R11、R57這4個(gè)點(diǎn)，構(gòu)造飛機(jī)水平面，其法線作為裝配坐標(biāo)系的Y向，向上為正向。

8）X向（逆航向方向）確定：利用激光跟蹤儀測得飛機(jī)上的M11及M54兩點(diǎn)，構(gòu)造一條直線，將直線投影到飛機(jī)水平面上，即為飛機(jī)的軸線，定義為裝配坐標(biāo)系的X向，機(jī)頭指向機(jī)尾方向?yàn)檎?/p>

9）坐標(biāo)系原點(diǎn)確定：根據(jù)某全機(jī)水平測量圖構(gòu)造原點(diǎn)O11，激光跟蹤儀測得飛機(jī)上的M11點(diǎn)，投影到飛機(jī)水平面上，即為4框飛機(jī)軸線上的點(diǎn)，向X軸反方向平移Amm，即為坐標(biāo)原點(diǎn)O11。

10）構(gòu)造完成的坐標(biāo)系在右側(cè)顯示窗口顯示。

4 修理中常見故障及問題難點(diǎn)

4.1 對接系統(tǒng)的定位精度

數(shù)字化對接的精準(zhǔn)直接影響對接精準(zhǔn)度，飛機(jī)轉(zhuǎn)站中地標(biāo)的建立，雷達(dá)天線面板底座安裝（俯仰誤差即安裝面與飛機(jī)構(gòu)造水平面的誤差、方位誤差即雷達(dá)天線安裝平面與飛機(jī)對稱面的垂直度誤差），光電轉(zhuǎn)塔底座平臺的安裝（俯仰角、橫滾角、方位角及極性的判斷），慣導(dǎo)航向測定等。而精確對接需要對接系統(tǒng)有足夠的定位精度，保證精度需要控制對接系統(tǒng)定位精度的各個(gè)影響因素。

影響對接系統(tǒng)定位精度t的因素包括測量系統(tǒng)測量誤差t1、定位器系統(tǒng)運(yùn)動誤差t2、部件變形修正誤差t3和算法模型誤差t4等幾個(gè)方面。其中，部件變形修正誤差是指在大部件對接狀態(tài)下，由于考慮大部件自重引起的變形而對理論數(shù)據(jù)進(jìn)行修正產(chǎn)生的誤差；算法模型誤差則是由對接調(diào)姿算法模型的簡化處理和參數(shù)標(biāo)定等因素引起的。

4.2 對接精度和誤差的計(jì)算分析

1）方位角誤差計(jì)算

雷達(dá)天線安裝平面與飛機(jī)對稱面的垂直度誤差，為方位角誤差（飛機(jī)坐標(biāo)系，向右取正值、向左取負(fù)值）。因此，雷達(dá)天線安裝平面的方位角即為雷達(dá)天線面板與飛機(jī)對稱面中心面的夾角?？蓪⒚媾c面的夾角轉(zhuǎn)換為線與線的夾角進(jìn)行計(jì)算。

利用雷達(dá)天線面板平面LDPM與坐標(biāo)系XOZ平面構(gòu)造一條交線，命名FWL，則FWL與Z軸的夾角即為方位角。

方向的判斷：方位線與Z軸做交點(diǎn)，判斷焦點(diǎn)的Z坐標(biāo)值。若交點(diǎn)的Z坐標(biāo)值為正，則為右偏，方位角為正；若焦點(diǎn)的Z坐標(biāo)值為負(fù)，則為左偏，方位角為負(fù)。如圖7所示。

圖7 方位誤差計(jì)算示意圖

2）慣導(dǎo)方位角精度計(jì)算

利用激光跟蹤儀對慣導(dǎo)工裝上的測量點(diǎn)OTP1、OTP2、OTP3進(jìn)行測量，得到三點(diǎn)在飛機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)OTP1（X1，Y1，Z1），OTP2（X2，Y2，Z2），則慣導(dǎo)方位角的計(jì)算可參考公式：Θ方 位=arctan（X1-X2）/（Z1-Z2）[1]，通過測量精度，應(yīng)用不確定度公式、靈敏度公式、靈敏系數(shù)公式計(jì)算出方位偏差的不確定度是否在規(guī)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

通過對數(shù)字化對接關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)要求、常見問題及難點(diǎn)進(jìn)行探討，能為修理中數(shù)字化對接的應(yīng)用和排故提供參考。對接定位精度是一個(gè)難點(diǎn)，計(jì)算錯(cuò)誤往往會出現(xiàn)應(yīng)力，導(dǎo)致故障出現(xiàn)。借鑒本文方法可以防止類似偏差的出現(xiàn)。對于數(shù)字化對接這種較新的技術(shù)而言，還需要在今后的實(shí)踐應(yīng)用中積極探討，以便充分掌握并運(yùn)用好這項(xiàng)技術(shù)，不斷完善數(shù)字化對接體系，提高修理裝配的高度。