常正平，夏 松，楊根軍，王仲奇，李樹軍，蔣建軍

（1.西北工業(yè)大學 機電學院，陜西 西安 710072；2.陜西飛機工業(yè)（集團）有限公司，陜西 漢中 723213）

飛機裝配是保證飛機產(chǎn)品質(zhì)量、裝配準確度的決定性環(huán)節(jié)，其工作量約占飛機制造總勞動量的50%以上，裝配周期約占全機制造周期的50%～70%[1]?，F(xiàn)代大型飛機零件尺寸大、協(xié)調(diào)關系復雜、零件及連接件數(shù)量眾多，極易產(chǎn)生裝配變形和裝配應力，必須不斷提高飛機裝配工藝技術水平，研制新的工藝裝備，才能滿足新型飛機對裝配精度和服役壽命的更高要求。20 世紀90 年代以來，西方航空工業(yè)強國均把數(shù)字化裝配技術作為優(yōu)先發(fā)展的方向，并取得了很大的進展，如B787 客機在研制過程中采用了數(shù)字化協(xié)調(diào)的陣列式裝配技術，A400M 飛機在機翼翼盒裝配中大量采用多種柔性工裝，大大降低了裝配成本和裝配周期，但對我國采取了嚴密的技術封鎖[2]。近年來，在國家科技計劃的支撐下，我國飛機數(shù)字化裝配技術在單點實現(xiàn)了突破，但仍然存在很大差距。落實到飛行器制造工程專業(yè)的培養(yǎng)環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的實驗室條件嚴重落后于技術發(fā)展，針對相關技術的介紹僅限于文字介紹或視頻講授[3-4]。受限于航空制造技術企業(yè)的特殊性，生產(chǎn)實習也僅限于觀察，無法親身操作并了解其中的相關技術和原理。

因此，飛機裝配工藝作為飛行器制造工程專業(yè)的核心內(nèi)容，迫切需要在實驗室環(huán)境中搭建與先進飛機數(shù)字化裝配技術對應的實驗平臺。隨著我國大飛機和新一代軍機的研制生產(chǎn)，航空企業(yè)對掌握扎實飛機裝配知識并具備飛機裝配工程實踐能力的專業(yè)人才需求非常迫切。在學科建設經(jīng)費的支持下，結(jié)合科研成果轉(zhuǎn)化，西北工業(yè)大學飛機制造工藝與裝備實驗室自主設計搭建了飛機部件數(shù)字化裝配對接實驗平臺，并開設了4 個實驗教學項目。

1 飛機部件數(shù)字化對接裝配原理

飛機大部件對接是根據(jù)尺寸協(xié)調(diào)原則，采用工裝、測量設備等將多個部件對合連接的過程。傳統(tǒng)的對接技術多采用剛性工裝，結(jié)合人工吊裝、調(diào)試修配的方式完成大型部件的對合裝配[5]，對接工藝精度差、裝配效率低、修配補償方式落后。數(shù)字化對接利用高精度數(shù)字化測量手段確定部件初始位置，并實現(xiàn)部件位置的實時跟蹤定位，構(gòu)建全局測量場，結(jié)合數(shù)字化柔性工裝實時精確調(diào)整部件姿態(tài)，根據(jù)多軸聯(lián)動機構(gòu)的運動學原理，集成測量數(shù)據(jù)優(yōu)化計算調(diào)姿路徑，控制系統(tǒng)實現(xiàn)精準姿態(tài)調(diào)整，完成部件對接。

數(shù)字化對接的流程如圖1：①大部件與調(diào)姿定位設備（數(shù)控定位器、數(shù)控托架等）連接；②利用激光測量設備測量大部件上的靶標點；③根據(jù)靶標點測量結(jié)果及工藝要求計算大部件的位姿以及調(diào)姿定位設備的軌跡；④利用調(diào)姿定位設備帶動大部件做平移、旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)對接雙方的姿態(tài)以及位置調(diào)整；⑤完成 大部件的對合及裝配連接。

圖1 飛機部件數(shù)字化對接流程[6]

機翼部件的位姿是通過飛機坐標系（即全局坐標系）{ }A與機翼部件坐標系{ }W的變換關系定義的。如圖2 所示，飛機坐標系{ }A固定不動，{ }W先經(jīng)過平移AWO O與坐標系{ }A的原點重合，再按一定的旋轉(zhuǎn)順序繞3 個坐標軸旋轉(zhuǎn)與坐標系{ }A重合。以Z-Y-Z的轉(zhuǎn)序為例，3 個歐拉角φ、θ、ψ是機翼部件的3 個姿態(tài)角。

圖2 飛機坐標系與機翼坐標系

機翼部件的位姿參數(shù)可以定義為：3 個位置參數(shù)和3 個姿態(tài)參數(shù)。3 個位置參數(shù)，即坐標系{ }W的原點在坐標系{ }A下的坐標。3 個姿態(tài)參數(shù)，即坐標系{ }W旋轉(zhuǎn)到坐標系{ }A三軸平行方向相同的3 個旋轉(zhuǎn)角。機翼部件的位姿表示如下：

利用激光跟蹤儀可測得機翼部件實際位姿和理論位姿之間的變換量v=[δx,δy,δz,ε x,ε y,εz]，即獲得部件姿態(tài)變換矩陣旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。飛機大部件的位姿由定位器來驅(qū)動變化，位姿變化的路徑規(guī)劃實際上就是確定各定位器的調(diào)整順序和調(diào)整量，使得被調(diào)部件的實際位姿與理論位姿無限接近。在機翼部件的實際位姿及理論位姿已知的情況下，可以規(guī)劃出機翼部件由實際位姿向理論位姿的運動路徑。

定位器定位末端球頭是支撐定位部件的實際接觸點且與部件保持固定的相對位置，因此用球頭表示定位器的位置，獲取定位器各軸驅(qū)動量后，需要根據(jù)實際驅(qū)動平臺定位器移動方式規(guī)劃定位器的運動軌跡，完成部件調(diào)姿過程，保證調(diào)姿過程平穩(wěn)、可靠。

2 實驗平臺設計

2.1 設計目標及原則

飛機數(shù)字化對接裝配實驗平臺及實驗項目為落實先進裝配技術在飛行器制造工程專業(yè)人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)而設計，要求學生具備裝配工藝規(guī)劃、數(shù)字化測量、協(xié)同控制的相關知識。通過該實驗，能夠促進學生對數(shù)字化對接裝配技術的理解，提高學生的知識應用能力，讓學生在實驗中自主探索、交流合作，提高發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，提高學生的工程應用和科技創(chuàng)新意識。

為鍛煉學生的自主學習能力和實踐動手能力，結(jié)合每個項目的實驗要求和具體目標，要求學生通過互聯(lián)網(wǎng)、圖書等途徑查閱相關知識，自主設計實驗方案并獨立完成實驗內(nèi)容。

2.2 實驗平臺組成與使用

飛機部件數(shù)字化對接裝配實驗平臺主要由實驗件、調(diào)姿定位系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)和集成控制軟件部分組成。如圖3 所示，對接系統(tǒng)包括一套機翼、機身實驗件，7 個三坐標數(shù)控定位器，21 個伺服電機和伺服驅(qū)動器。測量設備采用激光跟蹤儀、控制器、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感器若干。集成控制軟件將大部件的測量、姿態(tài)運算、現(xiàn)場設備控制集成為一個軟件系統(tǒng)。

圖3 部件對接實驗平臺

（1）翼身對接實驗件。實驗設計機身、機翼實驗件一套，如圖4 所示，其下側(cè)分別帶4 個、3 個連接球頭，用于調(diào)姿過程中對機身和機翼的支撐；實驗件上側(cè)分別帶有8 個測量點的測量座，用于機身、機翼姿態(tài)檢測。

圖4 機翼、機身實驗件

（2）三坐標數(shù)控定位器。數(shù)控定位器是整個調(diào)姿定位系統(tǒng)的核心和大部件調(diào)姿運動的執(zhí)行機構(gòu)[6]，定位器需要支撐起整個需要調(diào)姿的大部件，并在調(diào)姿過程中帶動部件運動到目標位置。平臺設置調(diào)姿定位器（POGO 柱）7 套，每套POGO 柱均包含X、Y、Z3 個坐標方向的伺服運動。數(shù)控定位器主要由固定底座、Z向托板、X向托板、Y向支撐、鎖緊機構(gòu)、三維力傳感器、伺服電機、導軌、絲杠等組成，如圖5 所示。

圖5 定位器底座驅(qū)動結(jié)構(gòu)

每套POGO 柱上端均有三爪卡盤，如圖6 所示，用于對機身機翼下側(cè)連接球頭的夾持和鎖緊，三爪卡盤內(nèi)帶有球窩與連接球頭配合。

圖6 定位器末端鎖緊結(jié)構(gòu)

（3）測量控制系統(tǒng)。整個實驗過程的數(shù)據(jù)測量用激光跟蹤儀以及傳感設備獲取。同時由于激光跟蹤儀光學測量的特點，需要保障測量過程無遮擋，提前做好測點的標注和儀器使用的培訓學習。對接控制系統(tǒng)主要包括控制器和驅(qū)動系統(tǒng)。控制器負責硬件的邏輯控制，驅(qū)動系統(tǒng)負責將控制器或控制系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橐慌_機器或設備的控制動作[7]。

（4）集成控制軟件。在大部件對接過程中，集成控制軟件要能夠?qū)崿F(xiàn)大部件的測量，然后計算大部件的位姿，控制現(xiàn)場設備自動完成兩個部件的對接過程。同時，集成控制軟件需要實時地向?qū)硬僮魅藛T提供對接過程中的各種信息，處理對接過程中可能出現(xiàn)的各種意外狀況，如圖7 所示。

圖7 部件數(shù)字化對接集成控制系統(tǒng)

3 教學項目設計

3.1 教學目的與要求

通過飛機部件數(shù)字化對接裝配實驗，讓學生初步了解飛機數(shù)字裝配技術體系、數(shù)字化裝配柔性定位技術與裝備，掌握機翼、機身對接裝配的基本原理、定位調(diào)姿系統(tǒng)設計及構(gòu)建、大尺寸零件空間測量方法及應用、大部件調(diào)姿路徑規(guī)劃等相關技術和方法，為從事飛行器制造領域的學習和研究打下堅實基礎。實驗結(jié)合軟、硬件平臺的搭建和使用、裝配路徑的編程求解，主要目的是培養(yǎng)和鍛煉學生利用所學知識解決實際工程問題的能力，進一步激發(fā)面向工程問題的探索和求知興趣[8]。具體要求如下：

（1）加深對飛機裝配工藝學相關知識點的理解，了解飛機部件對接裝配技術體系的構(gòu)成。

（2）熟悉飛機機身、機翼對接的基本原理、工藝過程、激光測量和運動分析方法，掌握基于MATLAB工具箱的運動軌跡求解與優(yōu)化。

（3）學會操作使用飛機部件數(shù)字化對接裝配實驗平臺，能夠結(jié)合出現(xiàn)的問題及時排除錯誤，使軟硬件程序能夠正確運行。

3.2 教學內(nèi)容

飛機部件數(shù)字化對接裝配實驗項目的實驗目的和內(nèi)容見表1，包含數(shù)字化裝配定位、大尺寸零件測量、大部件調(diào)姿軌跡規(guī)劃和對接過程集成控制4 個模塊，總實驗學時為8 學時。

表1 飛機部件數(shù)字化對接裝配實驗項目

3.3 教學范例

部件對接裝配實驗調(diào)姿流程如圖8 所示。機身、機翼的理論調(diào)姿位置是基于激光跟蹤儀建立的數(shù)字化裝配測量場所得。當機身、機翼安裝入位以后，中央工控機啟動激光跟蹤儀測量機翼上分布的測量點，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂破?。中央控制器調(diào)用位姿計算算法得到當前位姿狀態(tài)，調(diào)用調(diào)姿算法以目標位置和當前位置作為輸入進行處理得到調(diào)姿軌跡。調(diào)姿軌跡傳輸給控制單元，通過數(shù)控定位器多軸協(xié)同控制調(diào)姿。調(diào)姿運動完成以后，使用激光跟蹤儀再次測量機身、機翼上的測量點，評價調(diào)姿效果。

（1）首先結(jié)合實驗平臺，如圖9 所示，介紹飛機部件數(shù)字化對接裝配的相關知識理論，重點講解對接裝配原理及調(diào)姿方法以及主要實驗步驟。

（2）部件位姿測量，利用激光跟蹤儀測量機翼機身、機翼部件表面位姿基準點，分別求得機身、機翼部件的位姿參數(shù)。

圖8 部件對接裝配實驗調(diào)姿流程

圖9 實驗室機翼、機身對接調(diào)姿實驗平臺

（3）調(diào)姿路徑規(guī)劃，結(jié)合部件初始位姿和目標位姿，規(guī)劃調(diào)姿路徑，路徑規(guī)劃結(jié)果包括機身部位12個電機（機翼部位9 個電機）每一步的同步位置值。

（4）對接過程集成控制，進入定位器控制界面，對各運動軸進行通電，開始啟動調(diào)姿過程。

（5）調(diào)姿結(jié)束后，進行調(diào)姿狀態(tài)評估，打開跟蹤儀測量界面（圖10），復測各測量點。如果復測后測量點評估合格（復測值和理論值偏差均小于±0.5 mm），則本次調(diào)姿結(jié)束；如果不合格，則需要再次測量并調(diào)姿，直至評估合格為止。

3.4 教學效果

參與飛機部件數(shù)字化對接裝配實驗的學生共有16 組，每組4～5 人，要求每組學生自主完成準備、實驗和總結(jié)。學生完成4 個實驗項目后，對飛機數(shù)字裝配的關鍵技術和知識點有了更加深入的了解，掌握了柔性定位、測量場構(gòu)建、姿態(tài)求解、路徑規(guī)劃的相關理論，對飛機裝配領域的學習興趣有了顯著的提高。本次實踐教學實驗得到了學生的高度認可，完成了實驗教學的目的。

圖10 激光跟蹤儀測量界面

4 結(jié)語

當前，我國航空航天領域正處于高速發(fā)展時期，對掌握先進技術理論的飛行器制造工程專業(yè)人才需求非常迫切。飛機部件數(shù)字化對接裝配實驗平臺融合當前飛機裝配領域數(shù)字化柔性定位、大尺寸零件測量、多軸協(xié)同運動控制等先進技術，主要面向具備相關知識的高年級本科生及低年級研究生開設。實驗項目涉及飛行器制造工程方向的多門課程，不僅可以加深學生對飛機裝配工藝學相關知識點的理解，更能啟發(fā)學生對多學科知識的探索，提高其自主學習能力及工程創(chuàng)新能力。