飛機的測量輔助裝配技術(shù)

使用OMC測量輔助技術(shù)安裝翼肋前段，過程分為2步：首先，機器人使用吸盤夾持翼肋前段，運送到大致的安裝位置，然后在測量系統(tǒng)的引導(dǎo)下將組件安放到精確的位置和機翼前梁進行裝配。在上述過程中，攝相機測量機翼前梁上的目標基準面（Target Datum Interface， TDI），并與CAD數(shù)模中的目標基準面相比較，得到從數(shù)模設(shè)計坐標系到攝相機測量坐標系的變換關(guān)系。據(jù)此對設(shè)計數(shù)模中的翼肋前端上的TDI進行坐標變換，得到其在裝配中的位置。該位置連同由攝相機測量確定的機翼前梁TDI位置計算出攝相機應(yīng)當運動的六自由度參數(shù)，最后根據(jù)機器人中心點進行偏置得到機器人坐標系下的翼肋前端裝配運動參數(shù)。

　　OMC系統(tǒng)能夠直接測量零件配合面的幾何特征，但是也同時開發(fā)了編碼靶標作為目標物輔助測量，編碼靶標也是OMC項目的一項有價值的研究成果，特點是相對于可用的編碼數(shù)量，靶標的體積小，識別可靠性高。需要指出的是OMC系統(tǒng)使用的照相測量技術(shù)是其能夠在滿足實時控制要求的同時測量零件配合面的關(guān)鍵，這種測量技術(shù)是現(xiàn)有測量技術(shù)中最快的。

　　上述測量輔助裝配技術(shù)使用的是單一測量設(shè)備以及通用的作為執(zhí)行機構(gòu)的工業(yè)機器人，而飛機制造企業(yè)一般會擁有多種適用于不同測量任務(wù)的三維數(shù)字化測量設(shè)備，即使是同一類型的設(shè)備也可能來自不同的供應(yīng)商，綜合運用各種設(shè)備有利于發(fā)揮各類設(shè)備的優(yōu)勢。波音公司的計算機輔助設(shè)計制造與測量集成項目綜合應(yīng)用多種測量設(shè)備，集成了測量軟件和帶有公差信息的CAD模型，構(gòu)建測量輔助定位系統(tǒng)，成功地減少了裝配飛機零件所需的工裝，系統(tǒng)可以以人工或自動2種方式完成裝配操作。以在翼梁上安裝加強件和銷軸為例，測量輔助裝配系統(tǒng)使用了一臺移動式坐標測量系統(tǒng)（PCMM）和2臺不同型號的激光跟蹤儀。系統(tǒng)的圖形化軟件平臺實時動態(tài)地顯示每一個組件相對于CAD數(shù)模的移動，一旦操作工（或機電執(zhí)行系統(tǒng)）移動零件的關(guān)鍵特征到設(shè)定的公差范圍內(nèi)，系統(tǒng)就會發(fā)出信號，告訴操作工（或機電執(zhí)行系統(tǒng)）零件處于預(yù)定的位置上［4］。

　　多設(shè)備測量輔助裝配技術(shù)的實施難點之一在于各設(shè)備間的操作軟件存在差異。能夠熟練操作一種測量設(shè)備的技術(shù)人員，在操作由不同廠家提供的設(shè)備時可能會遇到困難；設(shè)備的數(shù)據(jù)分析功能也不一定能夠?qū)崿F(xiàn)兼容；并且每個設(shè)備軟件包的CAD數(shù)據(jù)輸入輸出精度都存在差異［4］。對此，波音公司開發(fā)了集成的測量軟件平臺，從不同測量設(shè)備中獲取的測量數(shù)據(jù)可以同時在界面中顯示，界面中對各種測量設(shè)備的操作模式是完全相同的，降低了對人員培訓(xùn)的要求并且提高了硬件設(shè)備的利用率［4］。

　　在A380機翼裝配中，測量系統(tǒng)同樣由2種不同的測量設(shè)備構(gòu)成，分別是激光跟蹤儀和激光雷達。其中，激光跟蹤儀用于對正運動機械結(jié)構(gòu)；激光雷達用于直接測量配合面的特征和關(guān)鍵特征對正。測量系統(tǒng)和CAD數(shù)模集成后可以直接根據(jù)特征進行裝配和檢測［5］。

　　2007年，牛鎏等［6］公布了一個基于激光跟蹤技術(shù)的數(shù)字化裝配定位系統(tǒng)的設(shè)計原型。原型系統(tǒng)硬件主要由主機、系統(tǒng)軟件平臺、激光跟蹤測量儀和機械隨動定位裝置構(gòu)成。

　　由機械隨動定位裝置來支承和夾持飛機構(gòu)件，多個機械隨動定位裝置組成定位工作站，系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。構(gòu)件的定位基準點上安裝有光學(xué)靶球，激光跟蹤測量儀測量這些目標點位置，與由產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)集下達的基準點目標位置，由數(shù)據(jù)處理模塊進行對比處理后，計算修正值，驅(qū)動機械隨動定位裝置調(diào)整構(gòu)件的位姿，實現(xiàn)構(gòu)件間的精確定位［6-7］。

　　測量輔助裝配補償

　　在飛機結(jié)構(gòu)中存在著一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，協(xié)調(diào)尺寸較多的部位，并且某些零件、組合件的剛度較小且裝配變形又無法預(yù)先估計，在這種情況下，過分地提高零件、組合件的制造準確度和協(xié)調(diào)準確度在經(jīng)濟上是不合理的，在技術(shù)上也難以達到［8］。在現(xiàn)代數(shù)字化的飛機制造中，這個問題依然存在，如果零部件的配合面超過了設(shè)計誤差，無論是自動化裝配設(shè)備還是傳統(tǒng)的手工裝配都無法將其安裝到位，需要進行補償以提高裝配的準確度。

　　空客公司在三維數(shù)字測量技術(shù)的輔助下，結(jié)合其他一些技術(shù)，使用通用的自動化設(shè)備完成了以往需要人工或使用專門設(shè)備才能進行的補償工作。

　　以蒙皮和肋板的裝配為例，它們會出現(xiàn)2種超差不協(xié)調(diào)的狀況：配合面存在間隙和配合面存在干涉，分別需要使用增加墊片和修整肋板根部的方法來協(xié)調(diào)裝配。

　　圖2顯示了自動掃描蒙皮和肋板配合面的過程和設(shè)備布局，在工裝夾具和零件上設(shè)計有參考結(jié)構(gòu)，用于確定2個零件的配合面。通過三維數(shù)字化測量設(shè)備，獲得關(guān)于配合面的形狀信息，判斷在配合面上存在間隙或者是干涉。如果存在間隙，系統(tǒng)會驅(qū)動自動化設(shè)備制造合適的墊片；如果存在干涉，系統(tǒng)會根據(jù)獲得的干涉量和肋板根部的初始位置，生成一個迭代模型，并計算每一步的修整深度，修整的切削工作由工業(yè)機器人完成。

測量輔助部段對接

　　飛機裝配可以分為組合件裝配、部件裝配和部段（大部件）對接3類。對接在本質(zhì)上也是一種裝配定位，但是對于尺寸較大的飛機部段而言，其定位、調(diào)整和連接都是非常困難的。因而，需要在飛機數(shù)字化裝配中給以特別的關(guān)注。

　　由于飛機大部件的重量和體積都比較大，因而在應(yīng)用MAA技術(shù)時，必須使用機電執(zhí)行系統(tǒng)（定位器），構(gòu)成數(shù)字化對接系統(tǒng)。目前，數(shù)字化對接系統(tǒng)主要有分布式和整體托架式2種類型［9］。

　　在分布式的對接系統(tǒng)中定位器采用分布式布局，每臺定位器與機體部件單獨相連，由伺服電機驅(qū)動在X、Y、Z 三個方向上移動。如前文所述的牛鎏等［6］公布的MAA系統(tǒng)就具備升級為大部件對接系統(tǒng)的潛力。