某型飞机部件调姿对接系统设计与应用

穆志国 张博雅

摘要：大部件對接是结构集成中技术难度最大、安全风险最高、协调关系最为复杂的工艺过程，对飞机最终的装配质量与生产周期具有重要的影响。大部件数字化定位调姿系统具有对接效率高、对接质量好、人员劳动强度低的优良特点，在各类新型号飞机的大部件对接中取得了良好的应用效果。针对调姿对接系统构建、数控定位器的设计、测量场的构建技术进行研究，形成了一套满足某型飞机部件对接的调姿系统并得到了良好的应用。

关键词：数控定位器，调姿对接，激光跟踪仪，Synqnet

1 引言

近年来，随着激光跟踪仪高精度测量设备、数控定位器调姿设备等设备、技术的引进或者突破，配套控制系统及软件的开发，使得大部件数字化调姿对接成为可能，在各种新型号飞机的总装配中越来越多的使用数字化调姿对接系统完成大部件的对接。与传统情况下，通过目视观察引导、人工调整姿态实现大部件对接相比，在装配质量、装配效率等方面有了较大的提高，较好的减少了大部件对接后的残余应力。

2 主要研究内容

2.1 数字化调姿定位系统构建

某型飞机机身前段与机身中段数字化对接系统由测量设备、调姿设备、控制软件平台等三部分组成，其中测量系统用于机身前段与机身中段对接前姿态的测量、调姿测量点的测量以及对接过程中机身前段姿态的监控;调姿设备由七个数控定位器组成，其中三个数控定位器呈三角形布局支撑机身中段，另外四个数控定位器成矩形布局用于支撑机身前段;控制软件平台获取测量系统的测量数据完成机身前段与机身中段的可装配性评价、生成调姿路径以及各数控定位器的运动数据，驱动数控定位器完成机身前段的调姿与入位。

2.2 数字化调姿定位系统设计

2.2.1 数控定位器设计

数控定位器是大部件调姿对接系统的关键组成，在系统中发挥着大部件支撑定位、大部件调平、大部件姿态调整的作用，也是整个系统的执行机构，数控定位器的功能以及技术参数直接决定着系统整体的运行效果。数控定位器主要包括安装基座、支撑结构、伸缩缸体、纵横托板、驱动电机、丝杠螺母运动副、蜗轮蜗杆减速器、光栅尺、球头夹紧机构、力传感器、位移传感器等组成。

安装基座通过锥杯实现与地面的固连，定位器吊装到指定位置后，锥杯（凸头）与零点（接头）同时接触锥杯（凹头）与零点（夹持单元）。位于定位器下方的4只零点紧固接头入位安装于地面下方的零点（夹持单元）内（可倾斜一定角度入位），气路关闭，碟簧完成紧固接头锁紧动作。

纵横托板相对于基座沿水平方向移动，伺服电机驱动丝杠螺母副进行运动，通过光栅尺反馈定位器球头实时的空间位置;伸缩缸体实现竖直方向运动，伺服电机驱动伺服电机驱动丝杠螺母副进行运动，通过光栅尺反馈定位器球头实时的空间位置，并采用蜗轮蜗杆减速器，三个方向可以实现联动同步控制。

数控定位器上方设置球头锁紧机构，锁紧机构采用手动模式、机械锁紧，通过微动开关状态感知与状态指示灯一起形成闭环控制。锁紧时，旋转手柄带动内部变直径导轨做旋转运动，变径导轨运动中顶撞顶头从而带动顶头伸出实现对球头的锁紧。

2.2.2 数控定位器控制系统设计

为了提高机身前段与机身中段对接时的效率以及安全性，采用基于Synqnet实时现场总线实现多个数控定位器协同运动的控制技术，实现多台数控定位器的联动同步运行，更好的完成机身前段的姿态调整。系统采用3个由美国丹纳赫公司生产的ZMP型32轴运动控制器实现全部定位器的运动控制，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。因此对数控定位器的运动控制实质上是对其X、Y及Z轴方向上的伺服电机的运动控制，而每个伺服电机对应着一个伺服驱动器。其中工业控制计算机与ZMP运动控制卡通过PCI插槽相连，利用PCI总线进行数据交换，ZMP控制卡与各个定位器轴之间组成了SynqNet网络，通过寻找网络节点（Node）的方式实现对各个定位器不同轴的运动控制。

2.3 装配测量场构建

机身前段与机身中段吊装完成后，使用激光跟踪仪构建装配测量场，实现激光跟踪仪、数控定位器两者X轴、Y轴、Z轴方向的一致性。装配测量场构建是通过地面预设的ERS点实现的，数控定位器现场安装时必须保证多台数控定位器的X轴、Y轴、Z轴三轴相互平行，确保在接受调姿软件运动指令后多台数控定位器的运动方向一致，防止由于运动方向不一致导致的产品撕裂、拉伤等现象。数控定位器现场安装时通过激光跟踪仪进行空间相对位置标定，标定完成后同步在地面预设ERS点，此时ERS点与数控定位器处于同一个坐标系下，在此坐标系下实测ERS点的空间坐标值作为后续装配测量场构建的理论值。在每一架次机身前段与中段对接时使用激光跟踪仪测量地面ERS点并将实测值与理论值拟合计算后即可实现装配测量场的构建。

完成实测值后通过调姿测量软件实现两者的坐标转换，实现两者坐标方向的一致性。

2.4 大部件调姿对接

机身前段与机身中段调姿对接时，以机身中段为目标对象，通过调姿软件计算机身前段调姿测量点到机身中段调姿测量点的变换矩阵，从而求得两者之间的调姿路径。依据调姿路径解算出机身前段四台数控定位器的运动参数，在数控定位器的执行下完成机身前段的姿态调整，使得对接要素达到理论位置。

3 总结

针对某型飞机机身前段与机身中段对接，提出并设计了一套大部件数字化调姿对接系统，针对系统的总体架构、数控定位器结构设计与控制模式、测量场的构建进行深入研究，最终形成了一套完善的数字化调姿对接系统，已成功应用于该型飞机机身前段与机身后段的大部件对接，对接故障量较以前降低了38%，对接周期较以前缩短了27%，工人数量降低了15%，取得了良好的应用效果。

参考文献

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