楊婧

摘要：飛機(jī)部件數(shù)字化裝配作為一種裝配模式，綜合了測(cè)量、調(diào)姿、控制等技術(shù)。測(cè)量為條子提供數(shù)據(jù)支持，控制統(tǒng)領(lǐng)全局，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定裝配單元的初始狀態(tài)，根據(jù)比較結(jié)果校形，并規(guī)劃調(diào)姿路徑，驅(qū)動(dòng)數(shù)控定位器按既定路徑運(yùn)動(dòng)，對(duì)裝配單元進(jìn)行調(diào)姿，反復(fù)迭代后，確定裝配單元在飛機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)符合設(shè)計(jì)數(shù)模要求，即進(jìn)行定位和制孔連接。從而解決了裝配單元的定位和連接問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)部件；數(shù)字化；裝配

1.裝配單元姿態(tài)的測(cè)量與評(píng)價(jià)技術(shù)

傳統(tǒng)裝配方式下裝配單元姿態(tài)主要依靠裝配單元與工裝型架的符合性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如外形的評(píng)價(jià)依據(jù)是外形卡板，交點(diǎn)的評(píng)價(jià)依據(jù)是交點(diǎn)定位器等。在數(shù)字化裝配的條件下，裝配單元的姿態(tài)是通過(guò)測(cè)量確定的。 確定裝配單元的姿態(tài)主要通過(guò)測(cè)量實(shí)現(xiàn)，依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)裝配單元姿態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而判定裝配單元與設(shè)計(jì)數(shù)模的符合性。

將裝配單元考慮成為一個(gè)剛性體，理論上只要確定這個(gè)剛性體上空間不共面的三個(gè)點(diǎn)即可定位這個(gè)剛體。但實(shí)際上裝配單元并非是剛體，所以需要采用更多的點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)裝配單元的姿態(tài)。在數(shù)字化裝配的條件下，一般選用裝配單元上設(shè)定的基準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)裝配單元的姿態(tài)。這些基準(zhǔn)通常選用裝配單元的一些確定的點(diǎn)，且這些基準(zhǔn)在裝配過(guò)程中是統(tǒng)一的，一致的。在裝配單元本身裝配過(guò)程中，這些基準(zhǔn)點(diǎn)是裝配單元裝配的基準(zhǔn)，在裝配單元姿態(tài)的評(píng)價(jià)過(guò)程中，這些點(diǎn)是裝配單元姿態(tài)評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)。

在確定裝配單元評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)后，裝配單元姿態(tài)評(píng)價(jià)就是確定這幾基準(zhǔn)的空間坐標(biāo)。在數(shù)字化裝配的條件下，一般采用激光跟蹤儀或I-GPS來(lái)確定這些基準(zhǔn)的坐標(biāo)。以激光跟蹤儀為例，在如數(shù)控定位器支撐和夾持飛機(jī)裝配單元后，在裝配單元的定位基準(zhǔn)點(diǎn)上安裝光學(xué)靶球，通過(guò)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量裝配單元上的光學(xué)目標(biāo)點(diǎn)位置，獲得定位基準(zhǔn)點(diǎn)位置信息，在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)里將該位置信息與產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)集給出的基準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo)位置進(jìn)行比對(duì)處理，得到裝配單元裝配位置的修正值，將修正值傳遞給運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)多個(gè)機(jī)械隨動(dòng)定位裝置協(xié)調(diào)調(diào)整裝配單元的位姿，直到裝配單元的位姿達(dá)到公差允許范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)裝配單元間的精確定位。

在實(shí)際工作中，根據(jù)系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)要求，采用激光跟蹤儀和增強(qiáng)參考系統(tǒng)構(gòu)成裝配系統(tǒng)的空間測(cè)量場(chǎng)，增強(qiáng)參考點(diǎn)一般布局在裝配現(xiàn)場(chǎng)的地面或工裝上，主要用于確定跟蹤儀的位置，使測(cè)量坐標(biāo)系與現(xiàn)場(chǎng)裝配坐標(biāo)系一致。由于跟蹤儀是移動(dòng)測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量坐標(biāo)系跟隨跟蹤儀的移動(dòng)而變化。跟蹤儀通過(guò)測(cè)量并匹配這些增強(qiáng)參考點(diǎn)確定跟蹤儀當(dāng)前的位置和姿態(tài)，從而使在不同站位或不同跟蹤儀的測(cè)量值具有統(tǒng)一的坐標(biāo)系，以利于裝配單元、裝配系統(tǒng)的位置和姿態(tài)評(píng)價(jià)。

2.裝配單元空間六自由度調(diào)姿技術(shù)

將裝配單元考慮為一個(gè)剛體，可將其分解為無(wú)數(shù)相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)，其中任何一點(diǎn)在空間坐標(biāo)系內(nèi)都具有確定的坐標(biāo)X/Y/Z和α/β/γ三方向轉(zhuǎn)動(dòng)的六自由度的任意組合，通過(guò)調(diào)整這一組合任意坐標(biāo)值的變化，這一點(diǎn)的姿態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，從而帶動(dòng)相關(guān)聯(lián)點(diǎn)的變化，因此剛體的姿態(tài)就發(fā)生了變化?；谶@種原理，剛體就從一個(gè)姿態(tài)到另一個(gè)姿態(tài)的變化可以通過(guò)X/Y/Z和α/β/γ的任意組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示。

按照上述調(diào)姿原理，在對(duì)裝配單元調(diào)姿過(guò)程中，僅需要對(duì)裝配單元施加一定的外力，使其能按照既定的調(diào)姿路徑運(yùn)動(dòng)，根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動(dòng)原理，可將裝配單元的這種運(yùn)動(dòng)分解到三坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)的定位支撐上，這種支撐裝置就是數(shù)控定位器，通過(guò)工藝接頭與裝配單元連接，形成并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

對(duì)于剛體而言，在其上確認(rèn)不共面的三點(diǎn)即能定位這個(gè)剛體，即理論上上一個(gè)剛體通過(guò)不共面的三點(diǎn)支撐且這三點(diǎn)能夠運(yùn)動(dòng)即能是這個(gè)剛體的姿態(tài)發(fā)生變化。但實(shí)際上，裝配單元并非是一個(gè)剛體，所以，在裝配單元進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的過(guò)程中，需要考慮過(guò)約束的問(wèn)題，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持相對(duì)的剛性狀態(tài)。在實(shí)踐上，一般采用四點(diǎn)或六點(diǎn)支撐，或者輔以相應(yīng)的保形設(shè)施，這些支撐點(diǎn)與其連接的支撐裝置（數(shù)控定位器）形成一個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過(guò)每一個(gè)支撐點(diǎn)的三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，使裝配單元在各支撐點(diǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

裝配單元空間六自由度調(diào)姿即基于上述機(jī)理分析，對(duì)裝配單元的姿態(tài)在裝配系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程。在數(shù)字化裝配條件下，裝配單元空間六自由度調(diào)姿就是在對(duì)裝配單元在裝配系統(tǒng)中姿態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)裝配單元自動(dòng)化調(diào)姿定位。

3.裝配單元空間六自由度調(diào)姿路徑規(guī)劃技術(shù)

裝配單元空間六自由度調(diào)姿的目的是為了定位，即確定裝配單元在飛機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的位子。確定裝配單元在飛機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的位姿后，需要將該姿態(tài)與設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行比較，以確定其姿態(tài)的符合性。若裝配單元實(shí)際測(cè)量的姿態(tài)不符合設(shè)計(jì)數(shù)模，則需要就其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使其符合數(shù)模。從一個(gè)姿態(tài)到另一個(gè)姿態(tài)的變化，裝配單元需要運(yùn)動(dòng)一定的路徑。將裝配單元想象成為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，從一點(diǎn)到另外一點(diǎn)可以通過(guò)多個(gè)路徑實(shí)現(xiàn)，其中一條路徑是最優(yōu)化的，選擇這條最優(yōu)化路徑的過(guò)程就是調(diào)姿路徑規(guī)劃。一般說(shuō)來(lái)，調(diào)姿路徑規(guī)劃的約束條件包括裝配單元空間位置幾何關(guān)系的約束，各軸驅(qū)動(dòng)力最小，且驅(qū)動(dòng)力平衡，運(yùn)動(dòng)速度快且平穩(wěn)。路徑規(guī)劃的算法需要考慮各軸的進(jìn)給量、運(yùn)動(dòng)速度、加速度、加加速度。

按上述分析，裝配單元的空間六自由度調(diào)姿過(guò)程是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，使裝配單元的實(shí)際姿態(tài)無(wú)限接近理論數(shù)模，在規(guī)范和誤差許可的范圍內(nèi)，可認(rèn)為裝配單元調(diào)姿結(jié)果符合要求。在調(diào)姿完畢后，將數(shù)控定位器鎖死，是裝配單元保持調(diào)姿后的姿態(tài)即定位后，就可以連接。

4.數(shù)字化裝配系統(tǒng)集成控制技術(shù)

集成控制技術(shù)的核心是軟件系統(tǒng)。根據(jù)功能分類，其軟件系統(tǒng)包含集成管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)客戶端、調(diào)姿定位控制系統(tǒng)、數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)等等。各個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接。

根據(jù)功能需求，以及實(shí)際需要，可將集成管理系統(tǒng)劃分為工藝流程管理模塊、現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算分析與仿真模塊、過(guò)程監(jiān)控模塊、異常處理模塊與用戶接口模塊等，構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)軟件體系。

（作者單位：中航飛機(jī)股份有限公司）