基于数字化测量的飞机型架装配技术研究

胡涛 高双全 唐万寿 胡徐洋

摘  要：随着工业现代化过程的发展，航空制造业的蓬勃兴起和批量生产的需求要求组件的高度互换性以及对尺寸、位置和形状的严格公差要求。在更高的自动化程度的基础上，测量和检查方法应该是高速、灵活和通用的，并且传统的劳动仪器极大地限制了大批量的组装和制造以及复杂零件的加工和组装。特别是随着信息技术的飞速发展，飞机组装技术已经完全改变了数字时代。所有零件的加工和装配数据均采用数字模拟传输的形式，并且在加工和装配过程中对这些数据的检查和控制无法完全满足现代柔性制造和传统形状测量所需的更复杂形状工件的需求。因此，本文分析和研究了数字现场测量技术在飞机框架装配中的应用。

关键词：数字化测量  飞机  型架  装配技术

中图分类号：V262.4           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）07（a）-0088-03

Abstract： With the development of industrial modernization，the booming aviation industry and the need for mass production required a high degree of interchangeability and size of components，strict tolerance requirements for position and shape.On the basis of greater automation，the measurement and inspection method should be high speed，flexible and versatile，and the traditional labor instruments greatly limited the mass assembly and manufacture as well as the processing and assembly of complex parts.Especially with the rapid development of information technology，aircraft assembly technology has completely changed the digital age.The processing and assembly data of all parts are in the form of digital analog transmission.And the inspection and control of these data in the process of processing and assembly can not fully meet the requirements of modern flexible manufacturing and traditional shape measurement of more complex shape workpiece.As a result，this paper analyzes and studies the application of digital field measurement technology in aircraft frame assembly.

Key Words： Digital measurement; Plane; Type; Assembly technology

飛机数字组装方法不仅包括传统数字组装概念中的模具设计、制造和虚拟仿真，还包括其他自动组装方法，例如柔性组装方法和无模板框架组装方法。飞机数字装配技术是数字装配技术、光学检测和反馈技术、数字铆接技术、数字集成控制技术等许多先进技术的综合应用。数字组装技术在组装过程中实现了飞机的数字化、灵活性、信息化、模块化和自动化组装，将传统的依靠手工或专用型架夹具的装配方式转变为数字化的装配方式，将传统装配模式下的模拟量传递模式改为数字量传递模式。

1  数字化装配技术

1.1 数字化装配协调技术

数字协调方法，也称为数字标准工具协调方法，是一种基于数字标准工具定义的先进协调和通信技术，它将确保生产工艺装备之间、生产工艺装备与产品之间、产品部件与组件之间形成良好的协调。数字量传递的协调路径如下：（1）飞机的大型结构零件（与飞机的形状和位置有关），例如框架、横梁、肋骨和CNC模式。（2）在飞机坐标系下，模具设计人员以产品工程数学模型为基础，对模具进行数字化设计，并对与模具和产品定位有关的零件的所有定位元件进行数值加工。（3）在装配过程中，模具通过数字标准（数据）进行协调，并且激光自动跟踪测量系统进行测量，零件的安装位置由配合的坐标系确定，以满足空间坐标和精度安装参考要求。（4）飞机钣金零件模具的数字化设计和CNC加工。

1.2 数字化装配容差分配技术

容差值直接影响产品的质量和成本。因此，根据产品的技术要求、容差分析和设定，可以经济合理地确定产品的尺寸容差，以确保加工精度，提高产品质量，并满足最终设计需求，从而使产品获得最佳的技术水平和经济效益。根据以往的情况，很难确定组装后产品的容差是否可以满足产品设计的要求，或者在组装产品之前，每个零件都有一定的分配计划。现在可以使用数学统计来模拟装配过程和时间。可以看出，最终产品的容差与零件的容差和零件的装配顺序有关。在仿真部分的基础上，我们关注的重点是质量特征，设置容差和装配顺序，模拟使用数学统计数据，分析各种因素对质量的影响程度，找出质量问题的原因，为改善容差分配提供依据，并通过连续仿真形成最佳容差分配。

2  装配测量工作

装配测量准备工作完成后，开始执行对飞机部件的装配测量工作;在装配测量过程中，不仅需要为控制系统提供测量数据，同时也要监控整个装配过程并对测量数据保存管理;整个装配过程需要多激光跟踪仪进行实时并行协同测量，既要保证数据的高精度，又要满足实时要求;装配测量具体实施过程如下：

（1）装配件入位，工装位置调整好后，利用吊装设备完成装配件的入位。

（2）导入装配数模，如工装数模、激光跟踪仪模型、装配件数字标工。

（3）装配测量开始前对各激光跟踪仪进行预热、IP设置、网路组建工作，建立通信连接，初始化，并检测跟踪仪工作状态。

（4）控制系统硬件部分就位，各软件系统完成初始化，操作人员经装配系统主界面发出执行装配命令，装配测量系统接收到执行装配命令后，开始启动多台跟踪仪的动态测量工作。

（5）装配开始时，装配测量系统发送给控制系统各装配测量点初始位置数据及装配测量点理论位置数据，并发出执行装配动作的命令;控制系统根据位置的偏差计算出控制机构的步长，之后执行装配动作。

（6）在执行装配动作的过程中，激光跟踪仪根据一定的频率采集测量点数据，每次采集的数据均与上次采集的数据点做一次差运算，如果差值在很小的范围内，且持续了较长时间，即认定执行机构装配动作结束;否则继续以固定频率采集测量点数据。

3  实时并行协同测量

动态装配实时仿真需要在装配过程中，由多台激光跟踪仪测量装配件位置信息并分析装配状态，整个装配过程无需人工干预;为了满足测量数据实时同步、各激光跟踪仪并行协同测量、测量数据管理便捷的要求，提出了基于多线程技术的实时并行协同测量方法;此方法对非激光跟踪仪的其他测量设备也同样适用，适合多类型测量设备的混合并行协同测量;实时并行测量是整个测量装配工作的核心，它是基于TCP/IP协议，建立激光跟踪仪组和主机之间的局域网通信连接，具体流程如下。

3.1 建立局域网络

建立方式包括两种：一种是有线路由方式，另一种是通过无线连接。

3.2 多线程并行测量

多线程通信连接方式，根据激光跟踪仪设备数量，客户端动态分配线程，每个线程负责单独的激光跟踪仪的测量工作，客户端主线程负责控制各激光跟踪仪线程，同时负责与控制系统的通信，激光跟踪仪测量模式设置为动态测量模式。具体执行过程如下：

（1）装配测量开始后，进程动态分配各测量线程，每个线程建立一套激光跟踪仪通信连接，并设置测量模式为动态测量模式;

（2）设置测量线程为装配测量状态，在此状态下，各测量线程立即向激光跟踪仪服务器发出测量命令;

（3）激光跟踪仪服务器收到测量命令后，返回测量值;

（4）在装配测量状态下，测量线程需进行多次测量，获取测量点位置的均值，此数值称为装配测量数据;

（5）测量线程把均值发送给主线程，并设置测量线程为监控测量状态;

（6）主线程得到多点的测量数据后，把测量数据矩阵转换到装配测量坐标系下，打包发送给控制系统;

（7）控制系统根据测量数据作出反馈，并执行装配动作;

（8）测量线程在控制系统执行装配动作期间，一直处于监控测量状态;在此状态下，装配测量系统主线程每隔一定的周期向各测量线程发出一次监控测量命令，测量线程立即获取当前位置数据信息，直接返回此数值，此数值称为仿真测量数据;

（9）主线程获取到仿真测量数据后，把数据转发给实时仿真系统和装配历史工程系统;

（10）装配执行动作结束后，如需再次获取装配位置数据，返回第2步;

（11）在装配过程中，如遇到激光跟踪仪断光情况，如果当前线程状态为装配测量状态，则停止装配，并弹出断光警告，待操作人员排查断光原因后，选择继续装配命令完成后续装配;如果当前状态为监控测量状态，则舍弃当前测量点数据包，继续装配。

4  测量数据整理

一次装配工作完成后，断开各激光跟踪仪连接，关闭各测量线程，取出装配过程中的实时并行测量数据，以文件形式保存。

5  结语

数字化在线测量技术在飞机装配中的应用是数字化装配技术发展的趋势，具有无可估量的发展前景。我们要想在飞机装配技术上取得长足进步就必须在这一技术领域不断深入研究和应用，才能使我们在航空装配技术上迈上一个新的台阶，从而使我们在国际转包市场上的竞争力得到进一步提高。

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