飞机数字化装配技术应用探讨

周华

【摘 要】基于数字化技术的大型飞机安装彻底打破以往以钢丝绳吊装发动机的形势，消除吊装过程中因柔性摆动而导致的安装位置难以控制、安装精度不足的问题，真正实现可控的数字化发动机调姿过程。

【关键词】飞机数字化装配技术;测量;定位和连接问题

前言

对接安装作业位于飞机发动机装配的末端，安装质量在一定程度上决定了飞机运行的安全性和稳定性。相较于飞机发动机研发，有关发动机装配的技术水平比较滞后。数字化技术的发展和应用给发动机装配技术创新带来新的切入点，有必要对相关工艺进行研究。

1飞机数字化对接安装工艺构成

1.1激光测量系统

激光测量系统由T-CAM、T-PROBE激光跟踪仪、联合控制器、定位器等专业设备构成。系统配备多种测量计算方式，如直线拟合、椭圆拟合、投影测量等，得到全面、多角度的测量数据。激光测量系统的运行原理为，测量仪发出激光照射被测量对象，根据照射反馈出的光学信号及标准光轴偏差角度，计算被测量对象与测量点之间的真实距离，以此来对目标进行调整。激光测量是飞机发动机数字化安装对接的第一步，系统与集成管理中心相连接，在接收到系统指令后，激光测量系统依照指令要求自动测量飞机发动机导轨。在定位到适当安全角度后，再将测量结果传输回集成管理中心。若测量过程因外界干扰而产生较大的误差时，系统自动报警提醒现场人员及时进行处理，以便得到最精确的数据反馈信息。

1.2脉动生产线集成管理系统

脉动生产线集成管理系统能够将激光测量系统、站位控制系统、数据库等子系统相整合，以对飞机机身、发动机及其他大型构件的位置和形态进行调整。该系统是飞机总装脉动生产线的中心，對其他子系统的运行状态进行监督和调控，以保证飞机装配过程高效、顺利进行。集成管理系统接收来自激光测量系统的真实数据，依照系统内设标准对数据进行分析，向对接安装平台下达指令，调整发动机位置及方向。若发动机达到指定位置，系统结束调整任务，若不符合要求，继续调整直到发动机满足对接安装的要求。

2装配单元姿态的测量与评价技术

传统装配方式下装配单元姿态主要依靠装配单元与工装型架的符合性进行评价，如外形的评价依据是外形卡板，交点的评价依据是交点定位器等。在数字化装配的条件下，装配单元的姿态是通过测量确定的。确定装配单元的姿态主要通过测量实现，依据测量数据对装配单元姿态进行评价，从而判定装配单元与设计数模的符合性。将装配单元考虑成为一个刚性体，理论上只要确定这个刚性体上空间不共面的三个点即可定位这个刚体。但实际上装配单元并非是刚体，所以需要采用更多的点来评价装配单元的姿态。在数字化装配的条件下，一般选用装配单元上设定的基准来评价装配单元的姿态。这些基准通常选用装配单元的一些确定的点，且这些基准在装配过程中是统一的，一致的。在装配单元本身装配过程中，这些基准点是装配单元装配的基准，在装配单元姿态的评价过程中，这些点是装配单元姿态评价的基准。以机身壁板为例，基准一般为机身框上取制的基准，这些孔是机身壁板装配时框的定位基准，在机身总装配过程中，各壁板的姿态通过安装在这些孔上的激光测量靶标，评价壁板姿态。在确定装配单元评价的基准后，装配单元姿态评价就是确定这些基准的空间坐标。在数字化装配的条件下，一般采用激光跟踪仪或I-GPS来确定这些基准的坐标。

3装配单元空间六自由度调姿技术

将装配单元考虑为一个刚体，可将其分解为无数相关联的点，其中任何一点在空间坐标系内都具有确定的坐标X/Y/Z和α/β/γ三方向转动的六自由度的任意组合，通过调整这一组合任意坐标值的变化，这一点的姿态就会发生变化，从而带动相关联点的变化，因此刚体的姿态就发生了变化。基于这种原理，刚体就从一个姿态到另一个姿态的变化可以通过X/Y/Z和α/β/γ的任意组合运动实现。按照上述调姿原理，在对装配单元调姿过程中，仅需要对装配单元施加一定的外力，使其能按照既定的调姿路径运动，根据并联机构逆运动原理，可将装配单元的这种运动分解到三坐标方向运动的定位支撑上，这种支撑装置就是数控定位器，通过工艺接头与装配单元连接，形成并联机构。对于刚体而言，在其上确认不共面的三点即能定位这个刚体，即理论上上一个刚体通过不共面的三点支撑且这三点能够运动即能使这个刚体的姿态发生变化。但实际上，装配单元并非是一个刚体，所以，在装配单元进行姿态调整的过程中，需要考虑过约束的问题，使其在运动过程中保持相对的刚性状态。

4装配单元空间六自由度调姿路径规划技术

装配单元空间六自由度调姿的目的是为了定位，即确定装配单元在飞机坐标系内的位子。确定装配单元在飞机坐标系内的位姿后，需要将该姿态与设计数模进行比较，以确定其姿态的符合性。若装配单元实际测量的姿态不符合设计数模，则需要就其姿态进行调整，使其符合数模。从一个姿态到另一个姿态的变化，装配单元需要运动一定的路径。将装配单元想象成为一个质点，从一点到另外一点可以通过多个路径实现，其中一条路径是最优化的，选择这条最优化路径的过程就是调姿路径规划。一般说来，调姿路径规划的约束条件包括装配单元空间位置几何关系的约束，各轴驱动力最小，且驱动力平衡，运动速度快且平稳。按上述分析，装配单元的空间六自由度调姿过程是一个反复迭代的过程，使装配单元的实际姿态无限接近理论数模，在规范和误差许可的范围内，可认为装配单元调姿结果符合要求。在调姿完毕后，将数控定位器锁死，是装配单元保持调姿后的姿态即定位后，就可以连接。

结束语

数字化对接安装工艺的研发和应用极大填补了我国飞机自动化装配领域的空白，逐渐提高飞机装配能力与自主研发能力间的匹配程度，促进航空事业进一步发展。

参考文献：

[1]居玮.数字化装配技术在民机项目中的应用[J].技术与市场，2018，25：43-45.

[2]赵纯颖.数字化装配仿真装配技术在飞机装配中的应用探究[J].科技风，2018（29）：107.

（作者单位：中航飞机股份有限公司）