基于数字化测量技术工装杯锥系统研究

王巍，刘焘

（沈阳航空航天大学航空宇航学院，沈阳 110136）

0 引言

传统的工装具有固定式、不可移动的特点，当成批量生产飞机零部件时，需要在同一厂房里复制多套工装，显然固定式的工装无法在紧凑的生产线布局中应用。若是新建厂房布置工装，这无疑是一笔巨大的花费，并且耗时过长，不适应现代飞机生产模式。传统固定式工装对结构本身装配精度要求不高，在每架飞机生产完成时，只是对工装上产品的定位组件进行定检测量，而无法检查工装整体结构状态，其工装有可能已经倾斜，发生重心偏移等问题。尤其需要多个工装协同工作时，累积的装配误差很难监测。

近几年来，柔性工装设计方案越来越多地应用到飞机装配生产线上，大大提高了飞机制造业的产能与效率。林明路等[1]对飞机工装制造效率提升进行研究，在工装设计与返修、工装工艺设计与采购、工装生产与外协、工装的物理信息全覆盖及系统融合这五大部分中，针对工装制造效率低下的问题，提出提升效率的方法与展望。王珉等[2]对航空整体结构件加工变形的快速在线测量方法进行研究，将结构件划分为若干个区域，每个区域可视为薄板结构，推导出薄板在典型变形下的变形函数，通过仿真验证变形函数的准确性，从而得到整体结构件的变形函数和评价方法，提出整体结构件的在线测量方法。孟俊涛等[3]对机身壁板装配数字化定位系统设计与实现进行研究，设计一套针对机身壁板装配的数字化定位系统，该系统由计算机控制定位过程，通过分析影响该定位系统准确度的因素，提出合适的补偿方法。

因此，本文提出数字化测量技术工装杯锥系统研究方案，基于工装制造效率、测量方法、精准定位等多方面进行系统分析，设计4组高精度配合的上下结构定位件，并通过激光跟踪仪自重水平仪建立大地坐标系，测量并调整底面平板，以保证底面平板相对大地是水平的，保证工装高稳定特性的同时，解决了工装可移动式、重复定位精度高的技术难题，同时该结构设计可应用于有复制工装需求的生产线中，加大飞机生产速率。

1 数字化测量技术

数字化测量技术是以数字化建模仿真与优化为特征的“数字化制造”，并以硬件系统和软件系统为依托，实现实时监控制造过程的先进技术。本文按照不同的测量方式研究测量设备系统构成，阐述在线测量设备组成，深化多种在线测量设备在飞机数字化装配中的应用。

1.1 数字化测量系统

数字化测量系统主要由硬件设备和软件系统组成。硬件设备包括电脑、控制器、驱动机构、执行部分和辅助测量装备等。软件系统则依托计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）技术，将设计信息转换成实时加工数据，完成现场装配任务。数字化测量系统如图1所示。

图1 数字化测量系统

在航空制造业高速发展的时代，多种高精度测量设备广泛应用于航空制造领域中。从最初的电子经纬仪、全站仪发展到三坐标测量机、机械关节臂、室内GPS、数字照相机、激光雷达测量机、激光跟踪仪等数字化测量设备。其中大尺寸测量为主的激光跟踪仪设备，以瑞典Leica产品、美国API公司、美国Faro公司生产的激光跟踪仪为主流使用设备[4]。通过将设计信息转换为实时装配信息，将CAPP技术充分地应用于实际生产中。方便操作人员工作的同时，提高产品装配精度、减少装配误差累积，在改善航空产品质量中起着决定性作用。数字化测量设备如图2所示。

图2 数字化测量设备

但是，受到激光技术难、设备昂贵、人才紧缺等多方面因素的限制，大多数国内企业对数字化测量设备接触少，技术层面熟知度不够，严重影响数字化制造进程，尤其对高技术的航空制造领域影响较深。若要提高飞机产品的整体制造精度，需要更多的测量人员投入其中，深入研究数字化测量技术，掌握高精度装配、高柔性工装定位方法[5]。

本文以激光跟踪仪测量设备为基础，实现工装杯锥系统数字化测量，保证其工装高精度装配。利用激光跟踪仪自身精度高、大尺寸测量、激光自动追踪、便携式等性能，结合CAD、CAM软件技术，实现飞机坐标系与实际坐标系的拟合转换，通过分析实际装配过程中的数据偏差，提前找到解决偏差来源的方案，减少装配的累计误差。此技术方案还可以通过建立计算机与测量设备之间的局域网，利用网络传输路径，实时进行数据监测，提高操作人员的工作效率，改善工装的装配质量。

1.2 系统精度分析

系统精度包含测量设备本身系统误差及装配公差要求。数字化柔性工装设计一般采用浮动调整方式，能够有效提高产品的定位精度，并且减少制造难度和节约生产成本[6]。因此最终系统精度包含测量设备系统误差Dev1、工装和产品之间的配合公差Dev2、浮动工装安装时的校准测量误差Dev3。

1）测量设备系统误差。如图3所示，以LEICA激光跟踪仪为例，4 m内跟踪仪角度误差为15 μm+6 μm/m×4 m=0.039 mm，ADM 距离精度为0.010 mm，即激光跟踪仪最大允许误差为±0.04026 mm，反射球补偿精度为0.005 mm，反射球同心度为0.010 mm，即反射球总精度为最终计算出测量设备系统误差±0.042 mm。

图3 LEICA激光跟踪仪

2）工装和产品之间的配合公差（理论要求）。零件装配误差Dev2=±0.03 mm。

3）浮动工装安装时的校准测量误差。通过RSS均方根法配合蒙特卡洛法进行系统误差分析，考虑到所有公差均符合正态分布，少数的零件尺寸接近上下限公差值，大部分零件尺寸接近中间值，故设定过程能力指数Cpk=1（拉依达准则-3σ），如图4所示。即取0.27%的失效率。

图4 过程能力指数Cpk=1（拉依达准则-3σ）

所有输入公差考虑3σ，T为过程统计量的技术规格的公差幅度，σ为过程统计量的综合偏差，可以在过程处于稳态时得到。Cpk=T/（3σ），由于输入的过程能力指数相同，取Cpk=1时，σ=T/3，即σ2=T2/9，得出

综合偏差计算公式可以简化统计为

计算得出，浮动工装安装时的校准测量误差Dev3=，工装和产品之间的配合公差为±0.03 mm。

4）系统精度。最终系统误差Uxyz=±（0.084052+0.032）1/2=±0.08924 mm（一般工装的装配公差为±0.1 mm，满足技术需求）。

2 工装杯锥系统

工装杯锥系统是工装整体结构的一部分，由上下两个结构组成。上部分与工装整体结构连接，下部分与地面相连接。通过激光跟踪仪对其进行在线测量与调整，可保证其上下结构配合的准确性[7]。通过对工装的装配工艺分析，解决定位重复性精度低的问题，从而大大提高工装的装配精度。工装杯锥系统的研究对效率工装的成功应用也具有重大借鉴意义。

2.1 工装结构分析

工装整体结构是由杯锥系统、承重立柱、定位工装3部分组成，其主要材料选用的是Q235B。杯锥系统作为其主要连接部位，实现工装与地面之间的分离。为了提高产品产量和效率，只需满足杯锥系统的外形结构尺寸一致性，就可实现多功能工装之间的互换。承重立柱是产品定位组件与杯锥系统相连接的组件，用来保证工装整体结构的稳定性[15]。定位工装是保证产品各零部件定位准确性的组件，根据产品的结构不同，也会设计一些小的定位器，也可设计产品制孔钻模板的定位组件，属于产品装配环节的功能性组件[8]。

以某型号飞机工装的结构为例，此工装整体质量约为1.3 t，尺寸约为2 m×2 m×4 m，工装结构形式如图5所示。

图5 工装结构形式

工装作为加载产品的主要生产依据，可提供各类夹具接口，设计时需考虑工装的整体强度及刚度是否满足生产需求，通过对工装整体结构进行FEMA分析，保证其设计的合理性[11]。

基于CYPE 3D的钢结构有限元分析，证明目前设计方案中的工装整体结构强度完全能够满足结构技术需求。有限元分析载荷分布如图6所示。

图6 有限元分析载荷分布

在数据分析过程中，根据实际生产需求，将加载以下方面的载荷数据：1）钢结构自重及其安装在结构上其他零组件重力为13.6 kN；2）操作人员重力×1.5倍安全系数，载荷为1.12 kN；3）操作人员手动制孔的水平推力，取最危险位置载荷为0.6 kN；4）加载产品和其可拆卸组件的重力，非均匀分布载荷，载荷为4.8 kN。

操作人员进行产品装配时，受到自重、产品工装分布载荷、操作人员重力时，工装最大挠度为0.14 mm，得出工装整体刚度满足技术要求。工装挠度分布如图7所示。

图7 工装挠度分布

由所有载荷最大结构应力分布分析可知，平均使用应力不超过37 MPa，为Q235B材料屈服强度的16.05%，最大局部应力使用25.36%。所有应力分布如图8所示。

图8 所有应力分布

通过以上计算分析，此工装整体结构设计满足技术要求，符合航空设计标准，可进行制造实施，并在现场安装后再次验证其各项技术指标。

2.2 杯锥系统在线测量

杯锥系统下部构件由4个平板加上2个杯锥头构成，上部构件由2个杯锥盘及2个平板组成。工装坐标系以其中一个杯锥头的圆心作为原点，此原点指向另一个杯锥头作为X轴，在平板的平面上垂直X轴的方向为Y轴，按笛卡尔坐标系法则垂直平板的方向为Z轴。立柱作为整个工装的承重结构，也作为与杯锥系统对接的主要构件。定位板主要负责支撑产品壁板的型面，保证产品的理论外形。当利用可视化软件对实际坐标系与理论坐标系拟合转化后，可实现对定位板的监测，保证其型面在公差范围内。构件分析如图9所示。

图9 构件分析

3 某型飞机工装杯锥系统数字化在线测量

数字化在线测量技术的实际应用体现在装配过程中，可视化实时监测与反馈测量数据，通过理论数模与实际装配测量数据的对比，计算出被测物体的位置偏差，根据偏差值对实际零部件的位姿进行调整，直至偏差值达到所要求的公差范围内。在线测量技术在某型飞机工装杯锥系统安装过程中的成功应用[9]，为飞机产品高精度装配提供了可靠测量方案，实现装配过程的数字化实时监测，并保留装配过程中各零部件的位置信息，对飞机产品最终检测结果提供误差依据，缩短飞机交付周期[10]。

3.1 在线测量技术流程

杯锥系统是柔性工装的重要组成，在安装过程中采用数字化协调，实现模块化的连接组件精准定位与装配[11]。基于激光跟踪仪对杯锥系统模块化的监测与实际空间位置调整，提高杯锥系统上部构件与下部构件配合的准确性，保证了重复定位的可靠性[12]。

激光跟踪仪集成三维数字化分析软件SpatialAnalyzer，实现数字化协调与可视化分析[13]。软件通过激光反射回的数据，计算设备与工装之间相对位置，并通过与理论数据进行对比分析，得出实际零部件与理论零部件的位置偏差值，操作员可以根据其偏差值对零部件位置进行相应调整，实现在线测量与分析，大大提高了产品装配的准确性与效率。而在测量过程中，对关键零部件的监测是对整个工装装配过程的数字化测量，属于过程监测[14]。

利用点线面建立三维坐标系，拟合理论坐标系与实际坐标系，并分析出偏差值。理论坐标系的元素提取依据是三维数字化模型，而实际坐标的选取元素是在实际被测物体上找到与理论数模相对应的位置，通过测量设备采集数据点，并通过软件建立实际被测物体的点线面。两个坐标系的空间几何变换公式为Pt=RPr+T。其中Pt为理论坐标系，Pr为实际坐标系，R为旋转矩阵，T为平移矩阵。坐标系转化过程如图10所示。

图10 坐标系转化过程

工装杯锥系统在线测量技术基于激光跟踪仪硬件及集成的数据分析软件，通过对真实零件采集的数据分析后，建立实际坐标系，并与理论模型坐标系进行拟合转化，实现坐标系的统一。利用可视化窗口实时监测在工装坐标系下其他零组件的相对位置关系，并对偏差值进行调整，实现精准装配。在线测量流程如图11所示。

图11 在线测量流程

3.2 工装杯锥系统数字化测量

在工装杯锥系统装配过程中，利用激光跟踪仪对杯锥系统进行在线监测与实时调整。首先通过实际坐标系与理论坐标系的拟合转化，得出工装坐标系。转化矩阵算法如图12所示。

图12 转化矩阵算法

经过计算调整，测量设备处于工装坐标系下，将实际测量的零组件位置反馈给测量软件，计算出真实零组件的空间位置，并通过实时监测的偏差值将每个组件的空间位置调整到公差范围内[15]。坐标系拟合转化结果如图13所示。

图13 坐标系拟合转化结果

利用激光跟踪仪对杯锥系统进行监测，首先保证4个杯锥的底板相对大地的高度是一致的，当上部结构与下部结构配合后，工装整体结构相对大地是垂直的，从而保证整个工装结构的重心平稳，减少结构变形量。在测量过程中，通过激光跟踪仪自重水平仪建立大地坐标系，实时监测杯锥系统底面平板Z方向的偏差值，使杯锥系统整体高度满足公差要求，可通过计算底板平面的平面度来实现高度，一般平面度公差要求0.05 mm。平面度及垂直方向数值分析报告如图14所示。

图14 平面度及垂直方向分析报告

杯锥系统的安装技术指标满足公差后，开始验证工装重复定位精度是否满足需求。在工装的周围选择4个固定点（P01～P04）进行数字化监测，将第1次测量数据记录下来。并通过吊装形式对工装的杯锥系统进行剥离与再定位，重复5次。通过5组数据的分析对比，可得出其偏差值，其偏差值就是整体工装的重复定位精度。重复定位精度数据如图15所示。

通过6组测量数据的对比分析，其偏差值可以满足公差±0.05 mm要求，从而确定工装杯锥系统重复定位精度满足生产需求，工装杯锥系统满足飞机生产需求。

4 结语

基于数字化测量技术工装杯锥系统研究是以激光测量技术及三维分析软件为依托，通过对杯锥系统测量数据分析，从而在线跟踪调整其零组件的数字化装配过程[16]。模块化的工装杯锥系统设计，实现工装的可移动性与稳定性[17]。通过工装实际坐标系与理论坐标系的拟合转换，对比其数据偏差值，找到偏差来源，从而减小偏差。然后测量杯锥系统地面平板的水平高度，保证整体结构相对大地是水平的，实现工装整体结构的稳定性。最后验证杯锥系统重复定位精度，满足高精度重复定位需求。该技术研究的成功应用对整个飞机制造过程的成本节约及效率提升具有重要意义。