飞机的测量辅助装配技术

使用OMC测量辅助技术安装翼肋前段，过程分为2步：首先，机器人使用吸盘夹持翼肋前段，运送到大致的安装位置，然后在测量系统的引导下将组件安放到精确的位置和机翼前梁进行装配。在上述过程中，摄相机测量机翼前梁上的目标基准面（Target Datum Interface， TDI），并与CAD数模中的目标基准面相比较，得到从数模设计坐标系到摄相机测量坐标系的变换关系。据此对设计数模中的翼肋前端上的TDI进行坐标变换，得到其在装配中的位置。该位置连同由摄相机测量确定的机翼前梁TDI位置计算出摄相机应当运动的六自由度参数，最后根据机器人中心点进行偏置得到机器人坐标系下的翼肋前端装配运动参数。

　　OMC系统能够直接测量零件配合面的几何特征，但是也同时开发了编码靶标作为目标物辅助测量，编码靶标也是OMC项目的一项有价值的研究成果，特点是相对于可用的编码数量，靶标的体积小，识别可靠性高。需要指出的是OMC系统使用的照相测量技术是其能够在满足实时控制要求的同时测量零件配合面的关键，这种测量技术是现有测量技术中最快的。

　　上述测量辅助装配技术使用的是单一测量设备以及通用的作为执行机构的工业机器人，而飞机制造企业一般会拥有多种适用于不同测量任务的三维数字化测量设备，即使是同一类型的设备也可能来自不同的供应商，综合运用各种设备有利于发挥各类设备的优势。波音公司的计算机辅助设计制造与测量集成项目综合应用多种测量设备，集成了测量软件和带有公差信息的CAD模型，构建测量辅助定位系统，成功地减少了装配飞机零件所需的工装，系统可以以人工或自动2种方式完成装配操作。以在翼梁上安装加强件和销轴为例，测量辅助装配系统使用了一台移动式坐标测量系统（PCMM）和2台不同型号的激光跟踪仪。系统的图形化软件平台实时动态地显示每一个组件相对于CAD数模的移动，一旦操作工（或机电执行系统）移动零件的关键特征到设定的公差范围内，系统就会发出信号，告诉操作工（或机电执行系统）零件处于预定的位置上［4］。

　　多设备测量辅助装配技术的实施难点之一在于各设备间的操作软件存在差异。能够熟练操作一种测量设备的技术人员，在操作由不同厂家提供的设备时可能会遇到困难；设备的数据分析功能也不一定能够实现兼容；并且每个设备软件包的CAD数据输入输出精度都存在差异［4］。对此，波音公司开发了集成的测量软件平台，从不同测量设备中获取的测量数据可以同时在界面中显示，界面中对各种测量设备的操作模式是完全相同的，降低了对人员培训的要求并且提高了硬件设备的利用率［4］。

　　在A380机翼装配中，测量系统同样由2种不同的测量设备构成，分别是激光跟踪仪和激光雷达。其中，激光跟踪仪用于对正运动机械结构；激光雷达用于直接测量配合面的特征和关键特征对正。测量系统和CAD数模集成后可以直接根据特征进行装配和检测［5］。

　　2007年，牛鎏等［6］公布了一个基于激光跟踪技术的数字化装配定位系统的设计原型。原型系统硬件主要由主机、系统软件平台、激光跟踪测量仪和机械随动定位装置构成。

　　由机械随动定位装置来支承和夹持飞机构件，多个机械随动定位装置组成定位工作站，系统工作示意图如图1所示。构件的定位基准点上安装有光学靶球，激光跟踪测量仪测量这些目标点位置，与由产品工程数据集下达的基准点目标位置，由数据处理模块进行对比处理后，计算修正值，驱动机械随动定位装置调整构件的位姿，实现构件间的精确定位［6-7］。

　　测量辅助装配补偿

　　在飞机结构中存在着一些结构复杂，协调尺寸较多的部位，并且某些零件、组合件的刚度较小且装配变形又无法预先估计，在这种情况下，过分地提高零件、组合件的制造准确度和协调准确度在经济上是不合理的，在技术上也难以达到［8］。在现代数字化的飞机制造中，这个问题依然存在，如果零部件的配合面超过了设计误差，无论是自动化装配设备还是传统的手工装配都无法将其安装到位，需要进行补偿以提高装配的准确度。

　　空客公司在三维数字测量技术的辅助下，结合其他一些技术，使用通用的自动化设备完成了以往需要人工或使用专门设备才能进行的补偿工作。

　　以蒙皮和肋板的装配为例，它们会出现2种超差不协调的状况：配合面存在间隙和配合面存在干涉，分别需要使用增加垫片和修整肋板根部的方法来协调装配。

　　图2显示了自动扫描蒙皮和肋板配合面的过程和设备布局，在工装夹具和零件上设计有参考结构，用于确定2个零件的配合面。通过三维数字化测量设备，获得关于配合面的形状信息，判断在配合面上存在间隙或者是干涉。如果存在间隙，系统会驱动自动化设备制造合适的垫片；如果存在干涉，系统会根据获得的干涉量和肋板根部的初始位置，生成一个迭代模型，并计算每一步的修整深度，修整的切削工作由工业机器人完成。

测量辅助部段对接

　　飞机装配可以分为组合件装配、部件装配和部段（大部件）对接3类。对接在本质上也是一种装配定位，但是对于尺寸较大的飞机部段而言，其定位、调整和连接都是非常困难的。因而，需要在飞机数字化装配中给以特别的关注。

　　由于飞机大部件的重量和体积都比较大，因而在应用MAA技术时，必须使用机电执行系统（定位器），构成数字化对接系统。目前，数字化对接系统主要有分布式和整体托架式2种类型［9］。

　　在分布式的对接系统中定位器采用分布式布局，每台定位器与机体部件单独相连，由伺服电机驱动在X、Y、Z 三个方向上移动。如前文所述的牛鎏等［6］公布的MAA系统就具备升级为大部件对接系统的潜力。