飞机大部件数字化对接关键技术研究

摘要：飞机大部件数字化对接对于实现飞机总装的柔性化、自动化及数字化有着重要的意义，能够提升生产效率，提升对接质量，降低制造成本。基于此，文章从对接系统布局、大部件对接位姿调整、数字化测量和精确定位、集成控制、定位精度提升机安全设计六个方面研究了飞机大部件数字化对接的关键技术。

关键词：飞机装配；大部件对接；数字化；位姿调整；定位器 文献标识码：A

中图分类号：V262 文章编号：1009-2374（2017）02-0012-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.006

飞机装配是飞机制造过程中的关键环节，大部件数字化对接以数字量装配协调为基础，利用定位器、测量系统、集中控制系统等共同组成大部件数字化对接系统，以技术要求为根据，支撑大部件，调整大部件位姿，实现大部件的精确对接。飞机大部件数字化对接打破了传统装配方式的局限性，提升了对接自动化水平，对于实现飞机总装柔性化、数字化有着重要的作用。就目前来看，我国飞机大部件数字化对接技术取得了一定的成果，但整体应用水平还比较低，需要进一步优化数字化对接技术。基于此，本文简要研究了飞机大部件数字化对接的关键技术。

1 对接系统总体布局

飞机大部件数字化对接系统的整体布局是一项系统性的工程，涉及到的因素众多，例如大部件对接工艺流程、飞机产品结构设计、装配平台安装、对接系统安装方式等，在布局的过程中，需要协调考虑上述因素，保证对接系统总体布局的合理性和科学性。一般来说，飞机大部件数字化对接系统包括两种布局类型：

1.1 分散式对接系统

对于分散式对接系统来说，采用分散式布局方式进行数控定位器的布局，可以采用向上支撑及驱动的千斤顶式定位器，以工艺支撑来连接定位器和机体，通过伺服电动机驱动定位器在X、Y、Z三个坐标方向进行移动，通过对多台定位器的协调联动来支撑、调整及定位飞机大部件，从而实现飞机大部件的数字化对接装配。

1.2 整体托架式对接系统

对于整体托架式对接系统来说，定位器与机体不直接相连，定位器通过托架与飞机部件连接，利用伺服电机驱动托架，以此来调整机体部件的位姿。整体托架式对接系统在调整的过程中，飞机部件受力均匀，产生的变形较小，有利于产品设计，生产线的移动十分方便。

2 调整大部件对接姿态

对接姿态调整的原理是利用定位器与控制软件形成闭环控制回路，对飞机大部件的对接过程进行实时控制，以此来实时调整对接姿态。采用数字化测量系统精确的测量对接的飞机大部件位置，以此为依据，利用多轴数控系统对分布式定位器进行驱动，使其在X、Y、Z三个坐标方向进行移动和旋转，将大部件移动到对接位置，并对部件对接姿态进行调整。

从实质上来讲，定位器是一种多运动轴机床，将旋转编码器设置在伺服电机中，通过伺服电机来驱动定位器精确的运动。将测力传感器设置在驱动机构中，测量对接部件受到的应力，对接过程中应力过大损坏部件。

对接部件姿态调整及驱动控制算法思路如下：物体位姿空间的自由度有6个，即通过6个轴就可以满足物体位置和姿态的调整要求。对于飞机大部件数字对接系统来说，只需要确定6个驱动轴即可对多个定位器进行控制，以并联机构运动学为基础，根据实际情况选择算法。如果给定各个轴的坐标值，则可以采用正解算法来计算飞机大部件的位置和姿态，如果给定飞机大部件位置和姿态，则可以利用反解算法计算出各個轴坐标值，从而确定大部件位姿空间与轴空间的对应关系，以此为基础来实现数字对接系统的运动控制。

3 对接数字化测量及精确定位

对于飞机大部件对接来说，以数字化测量系统对大部件位置进行测量，例如激光跟踪仪等，数字化测量系统与自动定位器一起形成实施闭环控制系统。数字化测量系统捕捉目标点信号，并对捕捉的信号进行处理，从而生成要对接的大部件位置信息，利用工业以太网，实现数字化测量系统与对接控制系统的通信，对接控制系统接收到位置信息之后，会对信息数据进行处理，以此来计算出对接大部件的实时位置及姿态，将计算结果与理论结果进行对比，得出位姿误差，换算为定位器需要移动值，最后下达指令，调整定位器，以此来保证飞机大部件对合的精密性。

4 对接过程的集成控制

飞机大部件数字化对接中，对接过程的集成控制至关重要，需要依靠集成控制软件来实现，即集成控制系统。集成控制系统中有机集合了多种模块，主要包括测量系统接口模块、模拟仿真模块、数据库模块等，以此来保证飞机大部件数字化对接过程数据流的畅通流转，提升对接流程的规范性，同时能够对大部件空间位姿、定位器状态进行实时检测和调节，从而生成姿态调节路径，在保证飞机部件安全的基础上，利用定位器多个运动轴的联动来准确定位部件。

各模块功能如下：（1）装配工艺规划及数据管理模块：主要功能包括用户、任务的管理，制定大部件对接装配流程、数据管理及生成工艺报表等；（2）测量模块：主要功能包括拟合及构件对接现场装配坐标系、空间测量点的测量及测量数据处理等；（3）算法模块：主要功能包括位姿计算、规划运动函数等；（4）仿真模块：主要功能是进行飞机大部件在线对接装配仿真、在线评估飞机大部件可装配性等，同时能够根据仿真结果和评估结果生成对接路径；（5）对接过程处理模块：主要功能是提供飞机大部件对接调姿手段，包括手动调姿和自动调姿两个方面，例如原路返回、按照指定路径进行调姿等；（6）运动控制模块：主要功能是对定位器运动轴的运动进行控制。

5 对接系统定位精度

足够的定位精度是保证飞机大部件精确对接的关键所在，用t来表示对接系统定位精度，其影响因素包括四个方面：（1）t1：测量系统测量误差，指的是仪器本身测量误差及测量转站误差等；（2）t2：定位器系统运动误差；（3）t3：大部件变形修正误差，指的是考虑飞机大部件自重对理论数据修正产生的误差；（4）t4：算法模型误差，指的是简化处理对接调姿算法或参数标定等引起的误差。对接系统定位精度公式如下：

测量系统测量误差t1的主要来源包括：（1）s1：仪器测量误差；（2）s2：测量目标安装座定位误差；（3）s3：测量转站误差；（4）s4：地基振动误差。t1计算公式如下：

需要注意的是，上述两个公式是对误差空间时量关系的体现，由公式可知，要想提升定位精度，需要从以下两个方面着手：（1）减少测量误差：减少测量过程中的转站、选择精度高的测量系统，减少地基振动、保证目标安装座定位的精确性；（2）提升定位器系统运动精度：优化设备结构设计、消除减速器间隙、软件补偿、提升光栅尺分辨率等。

对于飞机大部件对接系统来说，可采取力反馈控制及带浮动轴等措施实现系统的自适应设计，从而提升定位精度。例如北京航空制造工程研究所就研制出了一种带自适应设计的飞机大部件数字化对接系统，其重复定位精度能够达到0.03mm。但需要注意的是，一些精密的飛机大部件对接要求定位精度达到0.01mm，例如火箭筒体的对接，常规数字化对接方案难以实现，此时可采用销孔导向定位技术。

6 安全防护设计

6.1 负载裕度设计

为了满足大部件入位、调整等产生的负荷，承受相关载荷，飞机大部件对接系统需要有着足够的强度、刚度及抗冲击负载能力。在设计定位器的时候，可以通过有限元分析及设计计算来进行负载裕度设计，在研制的过程中，通过负载试验进行检验。

6.2 硬件限位

硬件限位对于保证设备安全有着重要的作用，以定位器各运动轴运动行程为基础，设计行程开关，以此来实现位置限位。定位器运动轴运动到极限位置会自动停止并发出警报，运动控制系统智能判断定位器是否到达给定位置，

是否出现电流超载等异常情况，以此来保证设备安全。

6.3 自适应设计

飞机大部件对接系统在带动大部件调整位姿的过程中，系统产生驱动力，在驱动力的作用下，大部件及定位器运动轴的运动有着时间滞后，二者并不能完全同步，且会产生弹性形变，这就使得部件内部会产生内应力，内应力过大会使部件和设备损坏。针对这个问题，在定位器设计过程中可以设置一定数量浮动轴，以此来自适应弹性形变，提升定位精度，保证部件和设备安全。为了防止产品和定位器产生较大的力，可以进行力反馈控制，将三维力传感器设置到定位器中，实时监测位姿调整过程中三个轴方向力的大小，并与理论数据进行对比，判断各个轴方向力是否超出允许范围，以此来保证设备安全。

6.4 人机工程设计及可靠性

飞机大部件数字化对接系统需要保证人员操作的安全性和便利性，可采用模拟件空载运行和负载运行试验对系统可靠性进行验证，及时发现问题，并进行设计优化。

6.5 工艺仿真验证

对整个飞机大部件对接工艺流程、定位器运动轴移动过程及位姿调节路径等进行仿真分析和参数验证，并针对性地进行优化，以此来保证整个对接系统的安全性和可靠性。

7 结语

综上所述，飞机大部件数字化对接是一项系统性的工程，需要考虑的因素众多，整个技术流程相对复杂。在未来的发展中，应当积极研究飞机数字化对接关键技术，加强国内外技术交流，积极开展自主创新活动，以此来促进飞机大部件数字化对接技术的进一步应用和发展，从而提升我国的飞机制造水平。

参考文献

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[2] 许国康，高明辉，侯志霞，邹冀华，周万勇.飞机大部件数字化对接关键问题及应用分析[J].航空制造技术，2011，（22）.

[3] 刘继红，庞英仲，邹成.基于关键特征的飞机大部件对接位姿调整技术[J].计算机集成制造系统，2013，（5）.

作者简介：占建国（1979-），男，湖北红安人，中航飞机股份有限公司西安飞机分公司工程师，研究方向：飞机装配技术。

（责任编辑：黄银芳）