数字化装配技术概述

尤海潮

摘  要：飞机部件数字化装配作为一种装配模式，综合了测量、调姿、控制等技术。测量为条子提供数据支持，控制统领全局，对测量数据进行分析，确定装配单元的初始状态，根据比较结果校形，并规划调姿路径，驱动数控定位器按既定路徑运动，对装配单元进行调姿，反复迭代后，确定装配单元在飞机坐标系内符合设计数模要求，即进行定位和制孔连接。从而解决了装配单元的定位和连接问题。

关键词：飞机数字化装配技术;测量;定位和连接问题

中图分类号：V262.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）04-0161-02

Abstract： As a kind of assembly mode， digital assembly of aircraft parts integrates the technologies of measurement， attitude adjustment， control and so on. The measurement provides data support for the sliver， controls the overall situation， analyzes the measurement data， determines the initial state of the assembly unit， calibrates the shape according to the comparison results， plans the attitude adjustment path， and drives the CNC locator to move according to the given path. After repeated iterations， it is determined that the assembly unit meets the requirements of the design digital model in the aircraft coordinate system， that is， positioning and hole-making connection. As a result， the problem of positioning and connection of the assembly unit is solved.

Keywords： aircraft digital assembly technology; measurement; positioning and connection problems

1 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。以激光跟踪仪为例，在如数控定位器支撑和夹持飞机装配单元后，在装配单元的定位基准点上安装光学靶球，通过激光跟踪测量系统测量装配单元上的光学目标点位置，获得定位基准点位置信息，在数据处理系统里将该位置信息与产品工程数据集给出的基准点目标位置进行比对处理，得到装配单元装配位置的修正值，将修正值传递给运动控制系统，驱动多个机械随动定位装置协调调整装配单元的位姿，直到装配单元的位姿达到公差允许范围内，从而实现装配单元间的精确定位。

由于装配单元并非是刚体，在实际装配过程中，装配单元在其装配型架上因与型架连接，刚性较好，其姿态符合理论数模。考虑到装配变形、装配单元的刚性状态、运输转站和吊装的影响，装配单元在其刑架上的状态和下架后的状态是有区别的，或多或少会产生一定得变形（而非形变）。为了使装配单元加上状态经下架后在数字化装配系统内具有一致性，一般都需要校形的过程。手下在装配单元下架前，需要测量其姿态，即测量相关基准的坐标值并记录。在装配单元进入装配系统后，与数控定位器相连接，再一次测量其姿态，与其下架前的姿态进行比较。若符合其下架前的姿态，则说明装配单元未变形，可以进行姿态调整，反之，则说明装配单元发生变形，需要校形，使其符合下架前的状态，才能进行姿态调整。

2 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，在裝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。在实践上，一般采用四点或六点支撑，或者辅以相应的保形设施，这些支撑点与其连接的支撑装置（数控定位器）形成一个并联机构，通过每一个支撑点的三坐标运动，使装配单元在各支撑点复合运动的过程中进行姿态调整。

装配单元空间六自由度调姿即基于上述机理分析，对装配单元的姿态在装配系统中进行调整的过程。在数字化装配条件下，装配单元空间六自由度调姿就是在对装配单元在装配系统中姿态评价的基础上，实现装配单元自动化调姿定位。

3 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。

4 装配单元姿态测量技术

在飞机数字化装配系统中，一般采用激光跟踪仪或I-GPS对装配单元的姿态进行测量。其原理是利用激光跟踪仪或I-GPS建立飞机坐标系，测量装配单元在装配系统中的适时姿态，并将测量数据反馈给控制系统进行姿态分析和调姿路径规划。飞机数字化装配测量系统总体上分为三个子系统，即激光跟踪测量系统、数据处理系统、实时动态仿真系统。

激光跟踪仪测量系统是飞机数字化装配测量系统的重要组成部分，其主要功能是负责激光跟踪仪与计算机之间的通信，激光跟踪仪初始化，激光跟踪仪静、动态数据采集，前视、后视检查等。该子系统是基于激光跟踪测量仪进行开发的。激光跟踪测量仪与计算机之间的通信采用串口通信。

数据处理系统是飞机数字化装配测量系统最重要的子系统，系统大部分的计算工作在这里完成。其主要功能是将激光跟踪测量系统测量的基准点信息转化为模型的位姿信息，并与产品数据集的数字模型进行比对，求出位姿误差，并给出装配件当前的位姿以及装配件的位姿调整方向。在各种位姿转换的过程中，坐标转换是重要的内容。

5 数字化装配系统集成控制技术

集成控制技术是研究如何实现装配单元姿态的自动化测量与评价以及空间六自由度自动化调姿的技术。在此技术研究的基础上构建集成控制系统，包含相关硬件设施和软件系统，对整个装配系统进行集成控制，实现飞机部件装配时装配单元的自动化测量和自动化调姿。

集成控制技术的核心是软件系统。根据功能分类，其软件系统包含集成管理系统、数据客户端、调姿定位控制系统、数字化测量系统等等。各个子系统之间通过工业以太网连接。其网络拓扑图如图1所示。

集成管理系统与数据库服务器之间主要进行数据存取与交互，集成管理系统各个调姿定位控制系统，数字化测量系统和自动化加工系统之间通过特定的协议进行连接和通讯。

根据功能需求，以及实际需要，可将集成管理系统划分为工艺流程管理模块、现场过程数据采集模块、计算分析与仿真模块、过程监控模块、异常处理模块与用户接口模块等，构成整个控制系统软件体系。

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