飞机附件数字化校准系统的开发与应用

黄 鹏，王 青，俞慈君，李江雄，柯映林

（浙江大学 机械工程学院 浙江省先进制造技术重点研究实验室，浙江 杭州 310027）

0 引言

飞机附件校准是飞机总装的一个重要环节，用以保证航炮、平显等附件与机身的相对位置正确一致。目前，对附件的调整主要依据简单的光学设备，基于模拟量传递协调参数，所采用的型架、模板和交点量规等装配工装的通用性很差［1-2］。校准过程人工环节多、占用空间大、效率低、精度差，难以适应流水线式的装配方式。此外，装配工艺信息及检测结果主要靠纸质文件和人工填写的方式存储和传递，信息化、集成化程度很低，对装配数据难以进行有效分析。随着飞机制造工业的发展，对零部件的尺寸位置提出了严格的公差要求，要求计量检测手段柔性化和通用化。传统的基于水平仪、光学瞄准镜等测量手段的附件校准方法已难以满足现代飞机柔性制造的需要。

近十年来，随着数控定位设备及激光跟踪仪等大范围空间三坐标测量技术的发展和应用，国外的飞机装配技术逐步实现了设备和工装的模块化［3］。通过与测量技术、自动化技术和信息技术相结合，建立了先进的装配系统，以保证新一代飞机制造的高质与高效［4］。而构建一个稳定可靠的软件系统和平台，是实现不同设备和系统之间的数据交换和集成、完成装配的流程管理与过程控制的基础［5-6］。国内一些学者对数字化装配的相关理论进行了研究，包括装配协调实例表示方法、数字化标准工装的定义以及计算机辅助装配过程控制方法等［7-10］。例如：陈哲涵等通过引入关键装配特征的概念，提出一种飞机装配检测数据建模方法［11］；朱永国等提出一种基于iGPS测量技术的飞机惯性导航部件安装校准方法，以提高装配效率［12］；余锋杰等提出一种飞机自动化装配系统的过程数据集成方法，已成功应用在生产实践中并取得了很好的效果［13］；蔡敏等利用装配尺寸链中各零件公差的综合来反映装配精度的准确性，并采用面向服务的体系框架（Service Oriented Architecture，SOA），利用接口将CAD 和CAM 软件集成起来，实现了装配序列规划、装配路径规划和装配分析等功能［14］；邹冀华等针对大型飞机部件对接装配的困难，提出一种集成多项先进数字化技术的柔性装配技术体系，并建立了用于部段对接装配的柔性装配工作站原型［15］。目前，对于数字化状态条件下零部件安装过程中的流程控制和数据集成方法还需要进一步研究，特别是对于附件安装这种精度要求高、协调困难的特殊部件的安装时，需要一种集成多项先进数字化技术的技术体系来实现多个系统的数据交换和控制。

为提高飞机装配测量的数字化和自动化水平，本文构建了一种飞机数字化附件安装校准系统的主要框架。采用激光跟踪仪完成附件和飞机的三坐标测量，以实现附件的参考几何特征的自动参数化建模和安装偏差计算。此外，通过建立基于统一装配数据库和工作流任务管理机制，实现装配及测量过程的实时控制和管理，完成自动控制设备和操作工人的协调工作。最后，利用与计算机辅助工艺规划（Computer Aided Plocess Planning，CAPP）和企业资源规划（Enterprise Resource Planning，ERP）系统的数据集成和共享，消除飞机制造过程中的信息断点和信息孤岛现象。

1 飞机附件数字化校准

飞机附件安装校准包括整机调平和附件调整两个环节，由多台三坐标数控定位器对飞机位姿进行自动调整，附件的位置调整主要依靠操作人员手工完成。与传统的光学校准方法不同，数字化校准方法在调整或校验飞机及附件的装配位置时，需要利用激光跟踪仪等三坐标测量设备对飞机及附件的关键装配特征进行检测。附件的关键装配特征包括安装平面、瞄准轴线等几何特征的参数。

1.1 附件安装校准过程

在进行附件安装校准时，要求飞机处于水平状态。飞机的支撑由3台三坐标数控定位器完成，通过控制定位器支撑球头的运动，实现对机身位姿的调整，如图1所示。调整完成后，由激光跟踪测量系统对整体机身的位姿进行测量和评价，确保机身位姿满足附件的安装要求。

具体过程如下：①用激光跟踪仪对若干公共点进行测量，将测量坐标系转换到预设全局坐标系下，并对机身和附件上的若干点进行采样测量；②基于这些点在参考坐标系下的坐标，由校准系统自动计算装配对象的几何特征元素，得到飞机和附件的空间位置信息，并计算安装偏差；③由操作人员根据测量结果调整附件位置，直至满足装配要求。测量结果为包含所有测量数据和安装偏差计算结果的数据文件。

1.2 系统整体框架

随着三坐标测量与数控调姿技术的引入，部件空间位置及装配协调过程的表达、模拟与分析越来越受到重视。建立面向附件安装需求的计算机工艺管理系统并集成装配和测量领域内的相关算法和模型，可以描述从直线、平面等简单几何特征到复杂CAD模型的空间位置，实现对整个附件安装的工艺过程管理，满足数控设备、测量设备、操作人员及CAPP、ERP等系统之间的数据交换和存储需求。该系统的整体框架可分为理论基础、系统实现和主要应用三部分，如图2 所示。在理论基础层，以几何、力学等数学工具为理论基础，结合模式识别等数据挖掘算法，建立数学和力学模型以映射实际装配场景及过程。在系统实现层，基于部件CAD 数据建立装配对象模型，以广义坐标为基础，定义变换与分析算子，计算部件空间位姿、相对关系及其不确定度；在主要应用层，开发稳定性好、可扩展的工艺管理系统软件，实现流程与设备管理等功能，以及复杂装配环境下各种模拟和预测的综合性研究，包括测量精度的空间分布结构、变化规律分析，各种误差的作用及传播机理，以及相关控制手段的模拟和仿真等。

1.3 控制体系与核心子系统

附件安装工艺涉及的软件系统主要包括企业CAPP系统、ERP系统和校准工艺管理系统。其中校准工艺管理系统由工艺管理系统、激光测量系统、现场可视化系统和飞机调姿控制系统组成。这些系统的连接关系如图3所示。其中：

工艺管理系统负责协调测量系统和调姿对合控制系统，完成机身的测量和调姿，并配合操作工人实现航炮校靶、雷达校靶和全机水平测量等工序，如图4所示；测量系统主要实现激光跟踪仪的控制和测量数据的获取；调姿控制系统驱动定位器完成机身的入位和调姿操作，并将定位器的硬件状态信息上传至工艺管理系统；装配专用数据库用于记录定位器设备参数、装配机型名义数据和装配工艺配置参数等相关信息，为测量系统和调姿控制系统提供数据支撑；接口数据库软件负责实现企业ERP系统与工艺管理系统之间的数据交换；现场可视化系统可将系统运行状态和关键过程信息显示在屏幕上，实现生产管理透明化。

2 校准过程数据处理

2.1 基于广义坐标的装配关系表达及误差传递模型

装配可分为测量和调整两个步骤，其基础和核心是部件间空间相对关系的计算。利用广义尺寸链表达部件之间的相对位置，适合高层次的特征表达，可作为计算机系统和数控设备信息传递的基础，需要利用三坐标测量结果和部件数模经过计算后得到。广义尺寸主要基于广义坐标的概念，两组广义坐标之间的差异或变换关系即广义尺寸。可以以某一固定的全局坐标系作为参考基准，然后结合部件CAD模型定义连体坐标系，利用该坐标系与全局坐标系的转换关系定义其在空间中的位姿。位姿可由连体坐标原点相对于全局坐标系的直角坐标及欧拉角或卡丹角组成，共有6个独立参变量。

定义广义坐标L=［x，y，z，α，β，γ］T。坐标系之间的相对位姿关系即广义尺寸，定义变换算子

在飞机附件安装校准过程中，协调对象的尺寸差异大，测量误差和定位调整方式不同。为满足容差要求，需要对飞机和部件进行多次调整。受测量误差和定位误差的影响，飞机及附件的最终测量结果和定位精度受各种误差因素的影响。通过分析装配专用数据库详细记录的附件校准测量结果、定位器状态、飞机调姿路径、任务执行过程和环境参数等历史数据，可以研究这些误差因素对测量精度的影响，建立装配空间精度场的统计学模型，分析其变化规律和性质，为不确定度分析和测量方案的优化提供依据。

利用广义坐标向量定义装配现场中的部件、工装和设备等单个元件的状态矢量。然后利用参数矩阵的形式建立传递函数，描述不同部件的广义坐标向量之间的传递关系，从而实现误差分析和来源回溯，并评估最终的协调不确定度。

对某部件进行N次调整过程时，误差传递模型如图5所示，可用一个线性过程模型描述每个协调过程的状态：

式中：T为调整前设定的部件目标广义坐标；Y为关键装配特征；X为部件当前广义坐标；P为控制点空间坐标向量；ε为定位过程中的随机误差（如定位器运动误差、接头变形和扰动等）；A为装配特征到控制点状态的传递关系矩阵；B为前次调整导致的变形影响矩阵；C为控制点状态到部件状态的传递关系矩阵；D为部件状态到关键特征的传递关系矩阵；ηkpc为测量过程中的随机误差（测量系统误差和环境误差等）。

当利用历史数据得到测量误差和定位误差的统计特征参数，如均值、方差或经验概率分布函数后，采用极值法和概率法就可以得到部件位置参数的变化范围或不确定度。

2.2 数据存储策略

采用Oracle10g数据库系统实现附件安装校准全过程的柔性数据管理和快速存取，建立由实际数据、数据结构与存取机制、用户需要的应用程序组成的三级数据访问机制。数据库详细记录了产品特征参数、设备配置信息、测量数据、任务流程日志和检测报告等过程数据，作为后续处理和分析的依据。

机型参数和装配工艺参数由于类型各异、属性繁多、逻辑复杂，且涉及大量与装配工艺相关的设备工装参数、门限参数、报警参数和配置参数等数据，难以直接结构化表达。对于这类易变动数据关系的抽象比较困难，可利用Oracle中的大对象二进制方式（blob类型），将非结构化的数据进行解析，转换后再保存到数据库中。以可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML）技术作为通用的数据平台，通过预先定义的协议将非结构化数据打包成二进制文件，并保存成数据表中的一个字段，从而使非结构化数据满足结构化管理的要求，如图6所示。XML文件中包含版本信息，可根据版本号调用相应的打包和解析程序，并支持版本转换，以适应系统升级和兼容的需要。

对于实测数据这类读写频繁的数据，根据数据元素之间固有的、规范的关系，采用表、列、行模式进行结构化的抽象和管理，以保证读写的速度和可靠性。与飞机及附件三坐标测量相关的数据包括检测点的定义、标定数据、转站数据、检测点测量和跟踪数据。检测点测量、跟踪及转站数据表的定义与ER 图如图7所示。其中检测点数据表定义了检测点的几何参数、靶标安装参数和补偿参数；检测点标定数据表和转站数据表记录了跟踪仪工作时的标定信息和转站信息，每次测量任务和跟踪任务都有与之相关的标定数据和转站数据。

检测点的基本信息包括检测点ID、编号、名称、检测点所在部件、检测点在部件坐标系和飞机坐标系下的设计坐标、检测点类型、靶标参数、补偿量和允许容差等。

标定数据包括标定编号、跟踪仪ID、标定内容和标定时间。标定数据以二进制方式详细记录了激光光强和气象站检查、靶标检查、前视／后视检查、激光干涉仪field检查、绝对距离测量（Absolute Distance Measurement，ADM）检查、点对点长度测量示值误差、双面测量示值误差等标定数据。

检测点测量数据包括检测点ID、标定编号、转站编号、检测点在参考坐标系下的实测坐标、转站后数据、会签通知单编号、会签处理意见、会签处理原因、允许容差和实际误差等。当会签通知单编号不为空，即对检测点做特殊处理时，会签意见包括“放大容差”和“抛弃处理”；当会签通知单编号为空时，会签处理意见为“正常处理”。

检测点跟踪数据包括检测点ID、标定编号、转站编号、工艺编号和检测点在参考坐标系下的实测坐标等。在机身调平工艺过程中，激光跟踪仪对若干个检测点进行实时跟踪，系统定时记录跟踪数据。

2.3 与ERP和CAPP系统的数据交换

工艺管理系统可以通过接口数据库与ERP系统和CAPP系统建立数据通讯通道，实现双方数据的读写和信息互换。通过数据库接口程序，软件系统可读取数据库已存储的装配大纲（Assembly Order，AO）状态信息，并在操作完成后将操作结束信息和相关数据存入接口数据库软件，待企业ERP系统查询后，记录操作结果或测量数据，更新自身的AO状态。

CAPP系统向中间数据库提供工艺数据，包含物料清单（Bill of Material，BOM）、AO信息、AO相关的配套信息（包含零件、成品、辅料等）等，如图8所示。ERP从中间库获取这些信息后进行现场派工作业，将派工指令和完工信息等提供给公共接口数据库，工艺管理系统通过结果数据库获取已派工的指令，执行相应的装配操作，并将实测数据提供给中间库，ERP现场管理系统通过读取实测数据表进行展示。工序完工时现场填写工序作业单和工序检验数据，实现数据采集和生产进度监控。AO 发生更改时也要将路线数据及时传递给ERP系统。

具体交换的信息包括：

（1）接口数据库中预存储的数据信息 主要包括AO派工信息，包含AO 的执行状态（已派工、已确认开工、已完成）。相应的工艺内容包括：飞机调平技术要求、惯导安装测量技术要求、航炮校靶测量技术要求和平显校靶技术要求。

（2）安装质量入库信息 主要包括：机身相对于全局坐标系的广义坐标；机身中轴线的方向信息；全机水平测量操作的状态信息和水平测量点检测的数据；惯导安装的状态信息和惯导水平测量数据；航炮校靶操作的状态信息和检测数据；平显调试安装操作的状态信息和检测数据。

3 核心子系统及实现

3.1 工艺管理系统

通过建立符合业务流程逻辑的工作流管理系统（workflow management systems），可以协调人员和工装设备的工作，保证信息和数据在参与者之间正确传递，共同完成附件校准任务［16］。工艺管理系统可以与ERP系统、CAPP系统、跟踪仪测量系统和定位器控制系统紧密集成，为附件安装中的装配环节提供完整的技术数据支撑和流程管理。除了具有完善的异常处理和数据存储功能外，还可基于完整的安装过程数据并结合统计分析技术将工业测量延展到设计、制造、过程控制和质量保证等领域，详细操作流程如图9所示。

任务是由工艺管理系统分配的必须在一定时间内完成的操作过程。所有任务均由工艺管理系统下达，在相关子系统中对任务进行具体化和细化，并向执行机构发送动作指令。任务的所有直接派生任务称为子任务，子任务既可以提交也可以回滚。系统允许人工干预，将生成的任务挂起或终止。若挂起则需要保护现场，即保存底层各执行机构的状态数据；然后在用户请求下恢复现场，并唤醒被挂起的任务。任务管理器根据任务间的父子关系和顺序关系，对所有测量任务和调姿任务进行组织与协同。根据工艺流程严格保证顶层任务及其所有子任务的执行序列，在单个子任务执行完成后，方可执行后续操作。

3.2 激光测量系统

激光测量系统通过访问激光跟踪仪服务器并控制激光跟踪仪，实现初始化、松电机、开关激光、回鸟巢、测量和搜索等操作。它允许用户基于测量点坐标进行各种特征元素的构造，如直线、平面等，可以实现装配现场坐标系的建立和部分计算工作。测量系统能与工艺管理系统实现无缝连接，处理工艺管理系统发送的测量指令并进行自动测量，完成包括全机水平测量、航炮校靶测量、平显校靶测量等多项任务。该系统支持Leica LTD640、LTD840等多型激光跟踪仪，支持T-Cam 和T-Probe进行测量。此外，为保证装配对象的安全，在测量超差或可能出现异常时，系统将自动报警并给出提示，以便人工介入操作。

通常激光跟踪仪上设有接口emScon，测量系统可通过TCP／IP 网络与跟踪仪进行通信［17］。该接口为一个COM 对象，可接收事件／消息（event）。控制命令为同步命令时系统挂起，直到该命令完成并返回相应的数据；控制命令为异步命令时，执行结果和数据以事件的方式返回。利用该接口不但可以自动获取测量数据，还可以对跟踪仪进行控制，实现多点的自动指向和连续测量。

应用程序接口（Application Programming Interface，API）层上的主要数据存储结构和组织关系如图10所示。其中：CFormCalibCan为校准测量操作界面类；CLeicaLaserTracker为基于eMScon TPI V2.3编写的跟踪仪通信及控制类，用于跟踪仪的通信和控制；TI＿WatchView 为实测偏差计算及显示类；DAAO 为AO 状态信息查询类；DAT＿Act-Measure为接口数据库访问类；CprintRX 为测量结果打印类。CLeicaLaserTracker的主要功能有：①跟踪仪信息查询，包括连接状态、跟踪仪的IP地址和跟踪仪的端口号等；②通讯相关功能，包括发送命令类和接收信息类，可实现测量数据的上传；③跟踪仪的状态信息和配置操作。

对测量工装和机身上的检测点进行测量后，测量系统可自动完成飞机对称轴线的计算，并将偏差实测结果显示在软件界面上，指导工人对附件作进一步调整。最后，测量结果以用户定义的报告形式打印，并发送至接口数据库。

例如，在惯导安装时，首先根据惯导水平测量的工艺步骤和特点，提供图示化向导式操作界面，使操作人员可以根据图示化的操作向导，按照指定的步骤高效完成惯导水平测量任务；然后依次实现飞机对称轴线数据的读取、靶标点自动或手动测量、惯导校准模板水平偏差计算（含俯仰偏差和倾斜偏差）、惯导校准模板航向偏差计算、计算结果的可视化显示（模拟实际的靶板给出图像化的惯导水平测量结果）、调整方法提示等功能。其基本流程如图11所示。

4 应用案例——惯导部件安装校准

惯导系统安装时，要求安装面与飞机参考平面的夹角满足容差要求。利用一个惯导校准模板，可对惯导安装平面进行测量，其两个工作平面能正确反映惯导安装面的位置和方向。惯导调整装置的测点布置如图12所示：首先对飞机参考点进行测量，确保其姿态满足调平要求（飞机构造水平面与全局坐标系参考平面重合），并构造飞机对称轴线；然后获取惯导调整装置上6个测量点的坐标值，并计算安装偏差角。

操作人员在工艺管理系统“装配指令查询”对话框中输入装配指令编号，查询该装配指令是否已经派工。在“整机调平”操作中，工艺管理系统根据飞机相对于全局坐标系的位置，计算出三个定位器的路径轨迹点并驱动其运动。其中位姿采用广义坐标向量的形式表示。

飞机调平后，操作人员启动激光测量系统软件，并手持T-Probe完成飞机测量点的测量。测量系统自动计算飞机的对称轴线和调平偏差，完成惯导工装上测量点的测量。软件图形界面显示惯导工装的各向偏差角，以提示调整方向，如图13所示。若未达到容差要求，则继续人工调整并重新测量。在惯导安装平面调整完成后，将当前部件的安装精度检测结果发送至工艺管理系统和接口数据库。

5 结束语

本文构建的飞机附件数字化安装校准系统以数据库技术为支撑，以工艺管理系统为核心，基于工作流的任务调度方法实现装配过程规范化和自动化，实现飞机产品的三坐标精密测量、参数化几何建模和安装偏差计算，同时与企业ERP、CAPP 等系统无缝集成。基于广义坐标实现飞机及附件的关系表达，并建立了多次定位的误差传递模型，通过工艺数据、测量数据和状态数据的全面集成，有助于更好地发挥数字化装配的优势，实现现场制造数据管理和装配质量信息的及时反馈。通过对数字化附件校准流程的分析，对系统进行了模块划分，研究开发了适用于我国航空制造业数字化建设需求的实用软件系统，为全面提高我国航空企业数字化装配水平进行了有益的探索和尝试。

飞机装配工艺参数存储机制是整个系统的基础，飞机附件校准时涉及大量关系复杂的特征和约束条件，仅靠基于预设坐标系的广义坐标表达难以保存所有的相关信息，针对产品设计、制造和装配等不同阶段中的部件几何信息的统一表达和计算的框架方法，还需要作进一步的补充和完善。此外，校准系统应用过程中，累积了大量的过程数据和装配实例，需要充分利用这些数据中隐含的信息和知识，开发知识数据的检索、推理和数据挖掘等功能模块，为相似飞机产品的工艺设计和装配方案优选提供参考和帮助，这也是下一步需要重点研究的方向。

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