论文部分内容阅读
摘 要：目前，我国的飞机数字化装配技术正处于起步阶段，我国的飞机装配工装主要依靠经验和类比进行设计，工装设计欠合理，整体水平相对落后。与西方先进的航空制造企业相比，我国的飞机装配工装数目多、结构笨重、制造周期长、成本高，存在不同程度的刚度不足和刚度过剩的问题，严重阻碍了产品装配质量的提高和飞机制造业的进一步发展。因此，研究飞机数字化装配工装的系统设计是提高我国飞机数字化装配水平的关键。
关键词：飞机数字化装配系统；调姿工装
1.翼身数字化装配系统
根据翼身对接系统的工艺要求及翼身部件调姿技术指标，建立如下图1.1所示的翼身数字化装配系统，主要由调姿工装、测量系统、软件系统、控制系统等子系统组成。
图1.1 翼身数字化装配系统
2.调姿工装
调姿工装既是飞机部件调姿的执行机构，也是飞机部件装配过程中的夹具，是大飞机数字化装配系统的重要组成部分。本文所涉及的翼身数字化装配系统中，调姿工装主要包括三坐标定位器（三坐标定位器，以下简称定位器）、工艺接头。在翼身数字化装配系统中，考虑到机身部件尺寸大、重量大、工艺刚度弱等特点，调姿工装的优化设计应主要关注以下几方面的问题：
1）工艺接头与机身的连接方式
飞机部件与定位器之间是由专用的工艺接头过渡连接，工艺接头与机身之间通过螺栓组连接，定位器对飞机部件的作用载荷最终会通过工艺接头传递至机身。
2）支撑方式设计
飞机部件的支撑方式主要指定位器的数量与布局及工艺接头的安装位置，支撑方式会直接影响飞机部件的变形情况。因此需要合理的设置飞机部件的支撑点：既要保证飞机部件的变形满足工艺要求，也要控制调姿工装的制造成本。
3）定位器适度刚度设计
为保障飞机装配质量，通常要求调姿工装应有足够的定位精度，以便于后续的对接、装配等操作。因此应尽量提高定位器各部件的刚度。
3.控制系统
能够稳定支撑飞机部件，实现其空间六自由度的姿态调整，调姿工装中至少需要三个定位器。每个定位器包含三个运动输入轴，三个定位器共有九个运动输入轴，大干飞机部件的自由度数量。因此需对装配系统中的定位器进行统一的规划、控制、管理，保证飞机部件在调姿过程中各定位器能够协调运动。控制系统是实现飞机部件数字化装配的必要组成部分，主要包括以下功能：
1）由定位器组成的调姿单元的协调运动控制在翼身数字化装配系统中采用Synqnet实时现场总线技术构建控制网络，现场总线技术一般由工业控制计算机.运动控制器、驱动功能节点、信号传输电缆等组成。图3.1为多轴协同运动控制系统的一般拓扑结构。
图3.1 多轴协调运动控制系统拓扑结构
2）单个定位器各轴全闭环伺服运动控制
定位器采用绝对式直线光栅作为反馈元件实现每个轴的全闭环控制。绝对光栅选用德国海德汉公司生产的L483/183型绝对式光栅尺，分辨率0.01μm，精度为±5μm。
3）调姿对合过程的安全保护
为避免飞机部件与其他部件在装配过程中产生干涉、碰撞，在每个机身定位器翼展方向，以及靠近前机身的机身定位器的航向方向，都安装有超声波传感器。在定位器的各运动轴方向均设置有限位开关，并通过硬件限位、软件限位，位置伺服误差保护等方式对定位器的运动进行限位控制.在每个定位器上都安装了紧急停车按钮。另外在每个手轮上也有紧急停车按钮，在集成控制中心的控制计算机操作平台上也有急停按钮，这些按钮都以常闭的方式串联工作.
4.测量系统
测量系统能根据其它操作的需要，随时提供关于飞机部件、柔性工艺装备的位置和/或姿态信息，引导调姿过程、对合过程：r-‘E装备的运动：测量系统提供的信息应该足以使操作者能对飞机部件的调姿误差、对合精度作正确的评价。测量系统的主要硬件包括4台Leiea公司的最新型号激光跟踪仪：AT90I-LR&AT901-B，一定数量的靶标和靶标座，以及布置在装配现场的公共观测点（ERS点）。激光跟踪仪的测量半径为40m，水平方向可360度旋转，垂直方向为±45°AT901-LR、AT901.B激光跟踪仪对单点测量的不确定度为：UXYZ 全量程=±（15μm+6μm/m）。
5.软件系统
按照总体规划，分步实施的设计思想，统筹考虑翼身数字化装配的软件功能需求以及现场操作软件与企业ERP系统数据交换的需要，将现场软件系统划分
为三个层次：设备控制层软件、工艺管理层软件和企业高层管理软件，其中软件的结构层次如图5.1所示。
图5.1 软件系统组成
6.系统集成
机身、机翼的数字化调姿、对接由集成管理系统依据工艺流程协调测量系统软件和调姿对接控制系统软件完成。在装配过程中，集成管理系统从装配专用数据库读取装配对象的特征参数以及各工装、检测点分布等预存储信息，并按照工艺流程的规划，分配装配任务指令，由调姿对合控制系统软件和测量系统软件分别完成对定位器的运动控制和跟踪仪的测量控制，并实时获取调姿对接控制系统的调姿、对接过程数据以及测量系统软件的测量结果，通过数据处理与分析模块实现机身、机翼的姿态评价、翼身对接协调性评价、对接过程的合理性评价和装配现场的监控仿真，实现对接工艺的流程控制、数据的记录分析和装配过程的图形界面显示。
数据库是整个系统的数据源和数据存储中心，数据库客户端通过企业局域网为装配系统服务，由开放的访问接口实现数据的统一读写、装配参数的可视化配置和过程数据的无缝集成。通过数字化测量系统、调姿对接控制系统的相互配合完成具体的装配操作，并将采集的状态数据、测量数据及处理结果保存至数据库。调姿对接控制系统接收来自主控系统的任务调度信息，向各工艺装备控制器下发配置信息。调姿对接控制系统根据主控系统所下发的机身姿态信息即当前姿态与目标姿态之间的偏差规划调姿路径，并在接收到主控系统的调姿指令后，控制定位器进行调姿操作。调姿、对接过程中不斷将状态数据和测量数据上传至集成管理系统，实现实时监控。各工装设备控制器从调姿对合控制系统中读取配置参数，完成指定的运动控制和逻辑控制目标，并将自检信息、位置数据、状态数据和受力数据等信息发送至调姿对接控制系统。数字化测量系统接收来自集成管理系统的测量任务、检测点的理论位置和其它测量参数，并向激光跟踪仪发送相应的测量指令和请求信息。激光跟踪仪控制器接收并解析数据包，完成相关检测点的测量，并将跟踪仪的状态数据、环境参数和测量结果上传到数字化测量系统，实现集成管理系统下达的测量任务。
结论
本文介绍了翼身数字化装配系统中的调姿工装、控制系统、测量系统、软件系统等各子系统的设计以及各子系统间的数据集成。为其他飞机翼身数字化装配系统的建立起到了一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 余锋杰，王青，柯映林，等.飞机自动化装配过程数据集成与实现[J].浙大学报（工学版），2009，43（2）：207-212.
关键词：飞机数字化装配系统；调姿工装
1.翼身数字化装配系统
根据翼身对接系统的工艺要求及翼身部件调姿技术指标，建立如下图1.1所示的翼身数字化装配系统，主要由调姿工装、测量系统、软件系统、控制系统等子系统组成。
图1.1 翼身数字化装配系统
2.调姿工装
调姿工装既是飞机部件调姿的执行机构，也是飞机部件装配过程中的夹具，是大飞机数字化装配系统的重要组成部分。本文所涉及的翼身数字化装配系统中，调姿工装主要包括三坐标定位器（三坐标定位器，以下简称定位器）、工艺接头。在翼身数字化装配系统中，考虑到机身部件尺寸大、重量大、工艺刚度弱等特点，调姿工装的优化设计应主要关注以下几方面的问题：
1）工艺接头与机身的连接方式
飞机部件与定位器之间是由专用的工艺接头过渡连接，工艺接头与机身之间通过螺栓组连接，定位器对飞机部件的作用载荷最终会通过工艺接头传递至机身。
2）支撑方式设计
飞机部件的支撑方式主要指定位器的数量与布局及工艺接头的安装位置，支撑方式会直接影响飞机部件的变形情况。因此需要合理的设置飞机部件的支撑点：既要保证飞机部件的变形满足工艺要求，也要控制调姿工装的制造成本。
3）定位器适度刚度设计
为保障飞机装配质量，通常要求调姿工装应有足够的定位精度，以便于后续的对接、装配等操作。因此应尽量提高定位器各部件的刚度。
3.控制系统
能够稳定支撑飞机部件，实现其空间六自由度的姿态调整，调姿工装中至少需要三个定位器。每个定位器包含三个运动输入轴，三个定位器共有九个运动输入轴，大干飞机部件的自由度数量。因此需对装配系统中的定位器进行统一的规划、控制、管理，保证飞机部件在调姿过程中各定位器能够协调运动。控制系统是实现飞机部件数字化装配的必要组成部分，主要包括以下功能：
1）由定位器组成的调姿单元的协调运动控制在翼身数字化装配系统中采用Synqnet实时现场总线技术构建控制网络，现场总线技术一般由工业控制计算机.运动控制器、驱动功能节点、信号传输电缆等组成。图3.1为多轴协同运动控制系统的一般拓扑结构。
图3.1 多轴协调运动控制系统拓扑结构
2）单个定位器各轴全闭环伺服运动控制
定位器采用绝对式直线光栅作为反馈元件实现每个轴的全闭环控制。绝对光栅选用德国海德汉公司生产的L483/183型绝对式光栅尺，分辨率0.01μm，精度为±5μm。
3）调姿对合过程的安全保护
为避免飞机部件与其他部件在装配过程中产生干涉、碰撞，在每个机身定位器翼展方向，以及靠近前机身的机身定位器的航向方向，都安装有超声波传感器。在定位器的各运动轴方向均设置有限位开关，并通过硬件限位、软件限位，位置伺服误差保护等方式对定位器的运动进行限位控制.在每个定位器上都安装了紧急停车按钮。另外在每个手轮上也有紧急停车按钮，在集成控制中心的控制计算机操作平台上也有急停按钮，这些按钮都以常闭的方式串联工作.
4.测量系统
测量系统能根据其它操作的需要，随时提供关于飞机部件、柔性工艺装备的位置和/或姿态信息，引导调姿过程、对合过程：r-‘E装备的运动：测量系统提供的信息应该足以使操作者能对飞机部件的调姿误差、对合精度作正确的评价。测量系统的主要硬件包括4台Leiea公司的最新型号激光跟踪仪：AT90I-LR&AT901-B，一定数量的靶标和靶标座，以及布置在装配现场的公共观测点（ERS点）。激光跟踪仪的测量半径为40m，水平方向可360度旋转，垂直方向为±45°AT901-LR、AT901.B激光跟踪仪对单点测量的不确定度为：UXYZ 全量程=±（15μm+6μm/m）。
5.软件系统
按照总体规划，分步实施的设计思想，统筹考虑翼身数字化装配的软件功能需求以及现场操作软件与企业ERP系统数据交换的需要，将现场软件系统划分
为三个层次：设备控制层软件、工艺管理层软件和企业高层管理软件，其中软件的结构层次如图5.1所示。
图5.1 软件系统组成
6.系统集成
机身、机翼的数字化调姿、对接由集成管理系统依据工艺流程协调测量系统软件和调姿对接控制系统软件完成。在装配过程中，集成管理系统从装配专用数据库读取装配对象的特征参数以及各工装、检测点分布等预存储信息，并按照工艺流程的规划，分配装配任务指令，由调姿对合控制系统软件和测量系统软件分别完成对定位器的运动控制和跟踪仪的测量控制，并实时获取调姿对接控制系统的调姿、对接过程数据以及测量系统软件的测量结果，通过数据处理与分析模块实现机身、机翼的姿态评价、翼身对接协调性评价、对接过程的合理性评价和装配现场的监控仿真，实现对接工艺的流程控制、数据的记录分析和装配过程的图形界面显示。
数据库是整个系统的数据源和数据存储中心，数据库客户端通过企业局域网为装配系统服务，由开放的访问接口实现数据的统一读写、装配参数的可视化配置和过程数据的无缝集成。通过数字化测量系统、调姿对接控制系统的相互配合完成具体的装配操作，并将采集的状态数据、测量数据及处理结果保存至数据库。调姿对接控制系统接收来自主控系统的任务调度信息，向各工艺装备控制器下发配置信息。调姿对接控制系统根据主控系统所下发的机身姿态信息即当前姿态与目标姿态之间的偏差规划调姿路径，并在接收到主控系统的调姿指令后，控制定位器进行调姿操作。调姿、对接过程中不斷将状态数据和测量数据上传至集成管理系统，实现实时监控。各工装设备控制器从调姿对合控制系统中读取配置参数，完成指定的运动控制和逻辑控制目标，并将自检信息、位置数据、状态数据和受力数据等信息发送至调姿对接控制系统。数字化测量系统接收来自集成管理系统的测量任务、检测点的理论位置和其它测量参数，并向激光跟踪仪发送相应的测量指令和请求信息。激光跟踪仪控制器接收并解析数据包，完成相关检测点的测量，并将跟踪仪的状态数据、环境参数和测量结果上传到数字化测量系统，实现集成管理系统下达的测量任务。
结论
本文介绍了翼身数字化装配系统中的调姿工装、控制系统、测量系统、软件系统等各子系统的设计以及各子系统间的数据集成。为其他飞机翼身数字化装配系统的建立起到了一定的借鉴作用。
参考文献
[1] 余锋杰，王青，柯映林，等.飞机自动化装配过程数据集成与实现[J].浙大学报（工学版），2009，43（2）：207-212.