數(shù)字化測量系統(tǒng)在大部段對接裝配中的應(yīng)用

1、數(shù)字化測量DIGITAL MEASUREMENT數(shù)字化測量系統(tǒng)在大部段對接裝配中的應(yīng)用Application of Digital Measurement System in Major Part Butt北京航空制造工程研究所 鄒冀華 周萬勇 鄒 方摘要 分析了數(shù)字化測量系統(tǒng)的作用和構(gòu)成，并針對飛機(jī)大部件對接，闡述其輔助裝配流程，測量數(shù)據(jù)處理以及測量環(huán)境的布置等問題。本研究為數(shù)字化測量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的工程化應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞： 數(shù)字化 測量 裝配 大部段ABSTRACT The function and the composition of the measurement syst

2、em are analyzed. Aiming at one major-part butt item, the aided assembly process, the mea-surement data treatment and the measurement environmen-tal layout are expatiated. Through the study, our technical base is expanded for the engineering application of the digital measurement technology in the ai

3、rcraft assembly.Keywords: Digitization Measurement Assem-bly Major part當(dāng)今飛機(jī)裝配技術(shù)正向著數(shù)字化、自動化、柔性化方向發(fā)展，這是飛機(jī)裝配領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，它使得裝配效率和質(zhì)量得以大幅度提高。而在飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配技術(shù)體系中，測量輔助裝配子系統(tǒng)成為其重要組成部分，并使用了數(shù)字化的高精度光學(xué)測量設(shè)備1。它對定位機(jī)構(gòu)、目標(biāo)產(chǎn)品等進(jìn)行監(jiān)控，并采集裝配對象的必要位姿信息，處理、傳遞數(shù)據(jù)信息給中央控制臺和控制系統(tǒng)，以幫助自動定位機(jī)構(gòu)的調(diào)姿運動。當(dāng)前國際上用于飛機(jī)裝配的先進(jìn)測量技術(shù)和設(shè)備越來越多，如應(yīng)用在787、A380、F-35等最

4、新機(jī)型的數(shù)字化裝配中。幾種主要數(shù)字化測量系統(tǒng)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用見圖12-3。1 測量系統(tǒng)的作用在飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)中，測量是“眼睛”，計算機(jī)軟件是“大腦”，控制系統(tǒng)是“神經(jīng)”，自動定位器機(jī)構(gòu)是“手腳”。測量系統(tǒng)的目的是為了更準(zhǔn)確地“看”到物體，進(jìn)行識別，并將有效的信息傳遞給“大腦”，如圖2所示。整個測量輔助裝配的流程包括了測量采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳遞與存儲、反饋控制等環(huán)節(jié)。通過激光跟蹤儀等光學(xué)測量設(shè)備與地面測量點建52航空制造技術(shù)2010 年第 23 期圖1 激光跟蹤儀、iGPS、激光雷達(dá)在新型飛機(jī)裝配中的應(yīng)用Fig.1 Application of laser tracker, iGPS

5、, laser radar in newaircraft assembly自動定位機(jī)構(gòu)先進(jìn)測量設(shè)備測量系統(tǒng)控制系統(tǒng)分析處理計算機(jī)軟件圖2 測量系統(tǒng)在飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)中的作用Fig.2 Role of measurement system in aircraft digital flexibleassembly system立裝配坐標(biāo)系，并與自動定位器、對接部件上測量點等建立關(guān)系。通過激光跟蹤儀自身的坐標(biāo)系，將地面基準(zhǔn)、定位器基座基準(zhǔn)、定位器頂端連接處位置、對接部段產(chǎn)品的空間位姿以及飛機(jī)理論坐標(biāo)系等相互聯(lián)系起來（見圖3），從而可以在裝配過程中確定出各個待測對象的位置，以便接下來的仿真分析、

6、后置處理和伺服控制調(diào)整4。2 測量輔助裝配子系統(tǒng)的構(gòu)成在硬件方面應(yīng)包括一套新型的光學(xué)測量跟蹤儀器及輕便的坐標(biāo)測量設(shè)備。目前，大尺寸空間測量設(shè)備主要包括激光跟蹤儀、iGPS測量系統(tǒng)、激光雷達(dá)、攝影測量設(shè)備等。數(shù)字光學(xué)測量儀器應(yīng)具有實時跟蹤測量、檢驗、校準(zhǔn)等功能，通常1臺儀器不一定能實現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化柔DIGITAL MEASUREMEN裝配坐標(biāo)系數(shù)字化測量姿機(jī)構(gòu)運動。（5）自動定位器調(diào)姿運動過程中，實時監(jiān)控和測量大部飛機(jī)全機(jī)坐標(biāo)系自動定位器空間位姿對接部段空間位姿段上各點坐標(biāo)，計算出其實時位姿，并及時修正運動路線，直至最終對接到位。地面上的基準(zhǔn)點自動定位器基座上的測量點自動定位器頂端連接處測量點對接

7、部段上的測量點對接部段上的關(guān)鍵定位孔4 測量數(shù)據(jù)的處理用光學(xué)測量設(shè)備采集到的各種測量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行必要的處理、分析，才能很好地應(yīng)用激光跟蹤儀圖3 測量點和坐標(biāo)系的關(guān)系Fig.3 Relations diagram between measuring points and thecoordinate systems建立裝配坐標(biāo)系性裝配需求，則可通過多臺或多種設(shè)備組合來完成。在軟件方面可開發(fā)專用程序，以求解出最佳匹配運算方法。通過2步算法計算出最佳位置。第一步是將所有點的定位從它們自身的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的裝配坐標(biāo)系；第二步算法則用于計算將裝配部件運動到所需位置（如對接目標(biāo)位置）的運動量，即平移距離

8、和轉(zhuǎn)動角度等，并考慮到了操作者所用的裝配慣例。當(dāng)確定了裝配對象間的位置關(guān)系后，在中央計算機(jī)內(nèi)部可將處理的數(shù)據(jù)信息傳遞給控制系統(tǒng)，或編制出1份完整的報告，該報告為操作者提供調(diào)整定位器位姿所需的各種信息。對接部段1上的KC點理論數(shù)模對接部段2上的KC點計算轉(zhuǎn)換“目標(biāo)”位置路徑選擇與優(yōu)化反復(fù)修正測量對接部段上各關(guān)鍵點伺服控制指令伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)運動3 測量系統(tǒng)用于輔助裝配的流程對飛機(jī)大部件對接裝配實際過程而言，從對接部件吊裝定位到最后對接上準(zhǔn)備連接，整個過程的測量控制調(diào)整采用基于激光跟蹤儀的數(shù)字化測量子系統(tǒng)，其測量輔助裝配流程見圖45。（1）建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系：部段裝夾在型架上后需要確定其在裝配坐標(biāo)系中

9、的位置，因此建立的基準(zhǔn)坐標(biāo)系即裝配坐標(biāo)系應(yīng)盡可能與設(shè)計時理論的整體坐標(biāo)系一致。（2）激光跟蹤儀測量對接部段上各關(guān)鍵特征（Key Characteristic，KC）點坐標(biāo)，確定出該段在裝配坐標(biāo)系中的實際空間位姿。（3）根據(jù)實際空間位姿，與理論模型進(jìn)行比較，可以推算出對接部段在對接狀態(tài)下應(yīng)處于的空間位置，將這個結(jié)果作為對接移動的“目標(biāo)”。（4）根據(jù)部段在定位器上的初始位置和之前得到的“目標(biāo)”，設(shè)計并優(yōu)化部段裝配移動的路徑，并編譯生成控制系統(tǒng)語言，輸入到伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，驅(qū)動調(diào)是否達(dá)到目標(biāo)位置？Y對接到位，測量檢驗N圖4 飛機(jī)大部件對接中的測量輔助裝配流程Fig.4 Measuremont-ai

10、ded assembly flow in aircraftmajor-part butt于后續(xù)裝配工作環(huán)節(jié)中。在飛機(jī)對接裝配過程中，測量數(shù)據(jù)至少需要進(jìn)行以下3方面的基本應(yīng)用和處理。（1）測量數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在使用激光跟蹤儀這類測量儀器時，采集到的原始坐標(biāo)只是儀器設(shè)備自身坐標(biāo)系下的數(shù)值，必須根據(jù)裝配人員的需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如對接要在全機(jī)坐標(biāo)系下工作，則就要將其轉(zhuǎn)換為裝配坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。當(dāng)然，這要依靠地標(biāo)等基準(zhǔn)點來實現(xiàn)。測量數(shù)據(jù)常用到的坐標(biāo)系統(tǒng)有飛機(jī)坐標(biāo)系、部件局部坐標(biāo)系、工裝坐標(biāo)系等。（2）對接軌跡規(guī)劃計算。2010 年第 23 期航空制造技術(shù)53數(shù)字化測量DIGITAL MEASUREMENT在大部

11、段對接裝配過程中，往往需要進(jìn)行1次或多次的運動調(diào)姿，方可到達(dá)目標(biāo)位姿，即對接狀態(tài)。這就需要在已知對接調(diào)姿部件的初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的前提下，規(guī)劃最優(yōu)運動軌跡，并在軌跡中合理插值設(shè)置多步“中間位姿”，且計算獲得對接部段從前一步位姿運動到后一步位姿的空間6個自由度的變化量。（3）測量誤差分析。測量系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輔助裝配時會帶入多種誤差，這對最終裝配結(jié)果會有一定的影響，因此要有對測量數(shù)據(jù)的誤差分析。測量數(shù)據(jù)誤差除了主要來自于測量設(shè)備的固有誤差、測距帶來的誤差和轉(zhuǎn)站誤差外，還有環(huán)境變化的影響。對于激光跟蹤儀，它可以對溫度、濕度、壓力的變化進(jìn)行一定范圍的補償，從而減小環(huán)境對測量數(shù)據(jù)的影響；而對光線、

12、氣流等環(huán)境因素的影響，由于難以直接補償，常靠人為控制。5 飛機(jī)大部段對接中的測量環(huán)境布置測量系統(tǒng)在飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)中應(yīng)用時，首先必須解決好測量環(huán)境的設(shè)計問題，即測量場（測量系統(tǒng)根據(jù)測量儀器設(shè)備所能覆蓋的測量范圍）的布置。這對整個測量系統(tǒng)的數(shù)字量數(shù)據(jù)采集和傳遞，提高測量精度，順利實現(xiàn)輔助裝配都大有益處。5.1 建立坐標(biāo)系根據(jù)控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、調(diào)整算法等的需求，必須在裝配方案中提前明確該裝配系統(tǒng)所使用到的相關(guān)坐標(biāo)系的數(shù)量、種類、名稱等，并做詳細(xì)定義和說明。要求概念清晰，種類盡量簡化、減少，各坐標(biāo)系之間的關(guān)系要明確，在算法中應(yīng)有各個坐標(biāo)系之間的關(guān)系框圖及轉(zhuǎn)換關(guān)系圖等。用于建立坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點的

13、具體要求包括：（1）以地面上平整、穩(wěn)定的點作為基準(zhǔn)點的靶標(biāo)（Tooling/Ball，T/B）位置；（2）間隔較大，多方向（非一條線上）排布，覆蓋整個測量場；（3）至少3個T/B點才能進(jìn)行建立坐標(biāo)系的操作，更多的點擬合效果更好；（4）這些點的實測值與其理論值進(jìn)行擬合，所建立的坐標(biāo)系稱之為現(xiàn)場裝配坐標(biāo)系，整個機(jī)翼對接過程都在此坐標(biāo)系下完成；（5）所建立的全部坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系。5.2 布置激光跟蹤儀位置基于對接精度要求、裝配工藝流程要求、性價比分析等的考慮，常常采用激光跟蹤儀作為主要測量實施設(shè)備。按照激光跟蹤儀測量原理和空間幾何算法，3點可以確定物體空間位姿，故至少需要3臺激光跟蹤儀對裝配大

14、部段上3個KC點進(jìn)行實時測定。在使用少于3臺激光跟蹤儀的情況下，推薦使用步進(jìn)式穩(wěn)定點輪換測54航空制造技術(shù)2010 年第 23 期量方式，且考慮以下要求。激光跟蹤儀布置位置必須能保證測量全過程中不發(fā)生斷光、顫動、碰撞等。距離盡量靠近對接區(qū)。10m范圍內(nèi)儀器精度達(dá)到0.05mm以內(nèi)。但激光跟蹤儀還不能過于靠近，測量俯仰角不宜過大（Leica LT最大俯仰角45；API LT最大俯仰角85），過大的俯仰角和測量頭轉(zhuǎn)動速度有可能會使得測量精度降低。激光跟蹤儀基本高度小于1.7m，因此如若考慮測量較高空間范圍，則可將激光跟蹤儀安裝在型架平臺上，即將其抬高從上方測量。5.3 布置各測量點針對飛機(jī)大部段對

15、接中的數(shù)字化測量輔助裝配，一個主要任務(wù)就是對靶標(biāo)工具球（即測量點）的位置布置設(shè)計，即確定其在自動定位器和裝配產(chǎn)品上的準(zhǔn)確位置，各測量點主要包括表1中的3類。表1 各測量點的布置5.3.1 地標(biāo)地標(biāo)點在此主要用于建立坐標(biāo)系，其位置理論坐標(biāo)值應(yīng)有詳細(xì)列表。地標(biāo)座可以采購成品，如徠卡公司的Foundation Baseball，外表面鋼制材料，其直徑約51mm，高度約32mm，在廠房水泥地面上鉆一個直徑52mm、深33mm直孔，將其嵌入，上表面與地面平齊，四周縫隙用環(huán)氧樹脂填充。它配合1.5棱鏡反射鏡進(jìn)行測量，以建立坐標(biāo)系。當(dāng)然，也可以自行設(shè)計簡易地標(biāo)座，但要準(zhǔn)確計算所放置靶球的球心位置坐標(biāo)值。5.

16、3.2 裝配產(chǎn)品部段上及工藝裝備上的測量點（1）對接裝配部段上的測量點設(shè)置在運動過程中不易發(fā)生擋光干擾處，在不易變形處和主要承力點附近，并要求在大部段位置由制造保證精確，其作用是用于將機(jī)體坐標(biāo)系與裝配坐標(biāo)系一致起來，二者能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。測量點靶標(biāo)采用0.5in（1inch=25.4mm） RRR（CCR）靶球，配合6.35mm的靶球座，且根據(jù)對應(yīng)測量點的孔位狀態(tài)可采用相應(yīng)的轉(zhuǎn)接座或襯套。而有的點隱藏較深，根據(jù)情況可增加隱藏點轉(zhuǎn)接工具或用probe測量。（2）支撐定位工裝上的測量點采用工裝部門設(shè)計給定的T/B點和ERS（Enhance Reference System）點，但是在對接裝配中只作為補充

17、使用。一般情況下，可認(rèn)為部段在工裝上安裝準(zhǔn)確，該工裝上的點無需檢測。（3）自動定位器上的測量點包括定位器底座上的測量點和工藝接頭上的測量點。前者是為了確定自動定位器在裝配坐標(biāo)系中的位置，以及用于對接系統(tǒng)在工作一定時間后進(jìn)行系統(tǒng)檢定。后者用于確定對接初始時連接球頭球心位置，作為運動算法的輸入?yún)⒖肌?.3.3 對接面上的掃描點在對大部件對接面進(jìn)行測量時，其表面上制孔的位置精度和孔徑精度難以達(dá)到測量需要，因此不易布置測量孔位，而改由Scan掃描方式測量對接區(qū)面。這類點用于對接開始前的仿真分析，以檢驗對接兩端的誤差是否在要求范圍內(nèi)，如果超大，不能實施自動對接工作。6 結(jié)束語數(shù)字化測量技術(shù)正隨著飛機(jī)數(shù)字

18、化柔性裝配技術(shù)體系的發(fā)展而不斷發(fā)展，其目標(biāo)是實現(xiàn)高精度、高效率的完全自動化、柔性化裝配。因此，該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用必然會極大促進(jìn)當(dāng)代飛機(jī)新型制造模式的變革。雖然有資料表明，國外采用數(shù)字化測量輔助裝配技術(shù)已在飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)中進(jìn)行了初步工程應(yīng)用，但其中仍有很多問題存在，有些難點還需投入更多人力、物力去攻克。數(shù)字化柔性裝配的目標(biāo)是高精度、高效率，而受到精度限制，還無法完全實現(xiàn)全自動化裝配，主要原因如下：（1）測量設(shè)備精度是影響整個DMAA過程的基本因素；（2）數(shù)據(jù)篩選機(jī)制和處理算法的建立很重要，這直接影響到系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性的提高；（3）變形問題，在越大的飛機(jī)裝配工程中就越為重要，很好地解決該類

19、問題直接影響裝配精度；（4）多種數(shù)字化測量手段的未合理運用。基于本研究，北京航空制造工程研究所已將該技術(shù)在國內(nèi)某型機(jī)大部件數(shù)字化對接裝配中進(jìn)行了開發(fā)，并即將用于工程應(yīng)用。這大大推動了我國數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)的研制，使之接近國際先進(jìn)水平。參 考 文 獻(xiàn)1 許國康.飛機(jī)大部件數(shù)字化對接技術(shù).航空制造技術(shù),DIGITAL MEASUREMEN數(shù)字化測量2009(24):42-45.2 Marguet B, Ribere B. Measurement-assisted assembly applications on airbus final assembly lines. SAE 2003-01-2950, 2003.3 DeLand J.Large scaleassembly utilizing laser radar & IRGPS.SAE 2004-01-2831, 2004.4 鄒冀華.飛機(jī)數(shù)字化測