面向飞机大部件的数字化测量站位规划方法

面向飞机大部件的数字化测量站位规划方法

尤海潮

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

摘要：飞机装配在飞机制造过程中占有重要的地位，大部件对接的质量对飞机的最终质量和周期有很大程度的影响，传统的飞机多应用刚性工装对接大部件，该方法对接精度较低，数字化对接技术的成熟可以提高部件的对接精度，缩短部件的对接时间。本文以某型机机身上下半部及客舱地板的对接为对象，从部件对接系统初始位置的设定、测量环境的构建、柔性机构的调姿、部件位置的跟踪测量、部件自动对接等方面进行研究，对飞机大部件数字化测量系统的功能和组成进行了介绍。

关键词：飞机大部件；数字化测量；

传统的飞机多应用刚性的工装实现大部件的对接，该方法通过工艺补偿来协调，对接精度较低、易导致部件对接差，无法通过实时调整部件位置来提高产品质量。近年，随着制造业平的提高，对飞机大部件对接技术有了高质量、柔性、快速等方面的要求，各航空企业均在该方面开展了相应的应用研究，并取得了较高成绩。本文以某型机机身上下半部及客舱地板的对接为对象，从部件对接系统初始位置的设定、测量环境的构建、柔性机构的调姿、部件位置的跟踪测量、部件自动对接等方面进行研究，并对飞机大部件数字化对接系统的功能和组成进行介绍。

一、部件数字化对接技术

某型机机身上下半部及客舱地板的对接控制系统主要由数控定位器、数字化测量系统和集成控制系统组成。在此对接控制系统中，飞机部件不直接与数控定位器相连，这两者均与托架相连；数控定位器由 4 根分散的立柱组成，通过每根立柱上的伺服电机驱动托架在X、Y、Z 3 个坐标系方向上移动，从而实现部件的位置调整。调整时，部件状态稳定，快速灵活，且可以实现多种产品的柔性定位。数字化测量系统由能覆盖整个测量场的数字化测量设备和软件组成，如激光跟踪仪、激光雷达等。集成控制系统集成有数字化测量数据处理系统、定位器控制系统等。

二、数字化对接技术的应用

某型机机身上、下半部及客舱地板，存在尺寸大、刚性不足、对接点较多等特点，为提高部件对接质量，实现部件对接柔性、快速等方面的要求，采用数字化对接技术实现机身上、下半部及客舱地板的对接装配。

2.1 部件对接工艺设计

某型机机身上、下半部及客舱地板对接时，先将客舱地板及其托架用数控定位器立柱上面 4 个点进行支撑，以厂房地面的地标点作为对接装配的基准，通过激光跟踪仪对客舱地板的托架上关键点进行测量，数控定位器的伺服电机驱动托架在 X、Y、Z 3 个坐标系方向上移动，调整位置后固定。再以客舱地板作为基准，将机身下半部及其托架用数控定位器立柱下面 4 个点进行支撑，通过激光跟踪仪对机身下半部托架上的关键点进行测量并调整位置，实现机身下半部及客舱地板的装配对接。最后将客舱地板托架移除，仍以客舱地板作为基准，将机身上半部及其托架用数控定位器立柱上面 4 个点进行支撑，通过激光跟踪仪对机身上半部托架上的关键点进行测量并调整位置，实现机身上半部与下半部、客舱地板的装配对接。

2.2 对接系统初始位置的设定

某型机机身上、下半部及客舱地板对接前，需要对对接控制系统的初始位置进行设定：将厂房地面的地标点设为全机坐标系，通过测量地标点建立对接控制系统初始位置，作为对接装配的基准；通过测量各组件托架上关键点，调整数控定位器上的伺服电机，驱动托架在 X、Y、Z 3 个坐标系方向上移动，调整各托架位置。数控定位器和机体组件之间非直接接触，是通过托架进行连接，托架在全机坐标系内与机体各组件关联，成一连体，托架位置即组件位置。整个部件在对接过程中的定位精度由数字化测量系统、数控定位器的精度保证。

2.3 测量环境的构建

某型机机身上、下半部及客舱地板的对接测量，有测量空间广、对象尺寸大、精度要求高和难度大等特点，要实现准确对接，需先做好测量环境的构建，这样能顺利实现对接控制系统数字化测量的数据采集和传递，提高测量系统的精度，实现大部件的对接。因此，在某型机机身上、下半部及客舱地板对接前，需先将厂房地面的地标点坐标系与全机坐标系拟合，作为大部件对接装配的基准；收集各大部件间准确的相对位置关系，整个对接过程都在地面的地标点坐标系下完成。

2.4 柔性机构的调姿

飞机大部件对接过程前，采用激光测量系统对部件托架关键点进行测量，并对部件对接面的关键点进行测量；在对接控制系统中根据测量数据构建出对接部件和托架的实际位置，分析、模拟部件和部件、托架和托架对接的最优路径，设定数控定位器立柱上支撑点的运动参数，控制伺服电机驱动托架和部件在 X、Y、Z 3个坐标系方向，以及 α、β、γ 角的移动和调整，实现部件的对接。

2.5 部件位置的跟踪测量

因整个大部件对接过程中的定位精度由数字化测量系统、数控定位器的精度保证，即大部件对接控制系统在部件对接过程中存在对接误差，因此在大部件对接过程中，须借用激光测量系统对部件托架的关键点进行实时测量，以便实现对部件位置的实时跟踪。大部件对接误差主要包括制造误差、对接坐标系的误差以及激光测量系统的自身测量误差等。对接坐标系的误差是坐标系构建过程中地标点的安装误差，可由激光测量系统自动校正进行修正；激光测量系统的自身测量误差，由制造商在理想的环境下测试后提供。

2.6 部件自动对接

整个某型机机身上、下半部及客舱地板的对接过程如下：

1. 客舱地板与托架关联，由数控定位器立柱上面 4 个点支撑；

2. 测量客舱地板托架关键点，调整客舱地板与托架的位置；

3. 机身下半部与托架关联，由数控定位器立柱下面 4 个点支撑；

4. 依客舱地板的位置为基准，测量机身下半部托架关键点，调整机身下半部与托架的位置；

5. 机身下半部与客舱地板关联，并移除客舱地板托架；

6. 机身上半部与托架关联，由数控定位器立柱上面 4 个点支撑；

7. 依客舱地板的位置为基准，测量机身上半部托架关键点，调整机身上半部与托架的位置；

（8）机身上半部与客舱地板、机身下半部关联，实现大部件最终对接。其中，坐标系的构建和关键点的测量对整个对接工作的准确开展起着关键作用。

三、飞机大部件外形精度组合测量系统流程构建

测量前在预定位置布置工装 ERS（Enhanced Reference System）参考点，便于激光跟踪仪在飞机坐标系下建站。依据精度要求，将大部件外形划分成两类区域，一类为精度要求高、需要大量数据的复杂型面区域，另一类为精度要求相对较低的简单表面区域。测量流程可以划分成摄影测量、关节臂扫描测量和激光跟踪仪测量 3 个步骤。

步骤 1 ：摄影测量。在简单表面区域粘贴人工标志点，密度参照被测表面曲率值，曲率值大的区域标志点密集、曲率值小的区域标志点稀疏，在保证测量精度的情况下尽量减少处理数据量。区域内部以及边界粘贴适量编码点，保证拍摄的每一张照片中含有 3 个以上编码点。在区域顶点设置 4 个以上靶座，以便测量靶心坐标。布置完成后，手持数码相机围绕标志点多站位、多角度拍摄，获取标志点重叠照片用于后期处理。

步骤 2 ：关节臂测量仪测量。复杂型面区域通过臂长进一步划分为若干小块，在各块区域中布置公共基准点，公共基准点必须包含 3 个及以上不在同一条直线上的点。在公共基准点处放置靶球，关节臂测量仪扫描各分区表面以及靶球面，获得复杂型面分区及靶球轮廓的扫描点云。将点云数据存储在工控机中，通过计算控制平台转入数据处理软件。

步骤 3：激光跟踪仪测量。测量主要包括两个方面一个方面是在摄影测量过程中，利用激光跟踪仪测量摄影区域边界设置的靶心坐标，以此作为摄影测量与激光跟踪仪测量的公共基准点；另一方面，利用激光跟踪仪测量关节臂扫描分区中的靶球，获取靶心坐标，并将其编号保存，作为关节臂测量仪与激光跟踪仪的公共基准点。

结论：通过对某型机大部件对接过程中关键技术的分析，阐述了其在部件对接过程中的数字化应用。应用结果表明：采用大部件数字化对接技术，可有效提高部件对接质量，实现部件对接柔性、快速等方面的要求。

参考文献：

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