基于关键测量特性的飞机装配工装在线检测

王 巍，高雪松，俞鸿均，穆志国

（沈阳航空航天大学　航空航天工程学部，沈阳 110136）



基于关键测量特性的飞机装配工装在线检测

王 巍，高雪松，俞鸿均，穆志国

（沈阳航空航天大学航空航天工程学部，沈阳 110136）

摘 要：现代飞机装配工装在装配一定数量的产品后需要进行检测，以确定该工装是否还能满足使用要求。现行的工装检测方法无法检测出工装定位型面的磨损，且检测效率较低。通过基于关键特性测量的飞机装配工装在线检测技术的研究，利用激光测量设备，通过最小二乘法建立工装坐标系，实时监测工装各关键部位，以完成对飞机装配工装的检测。结合某型飞机舱门装配工装的检测过程，以验证方法可行性。

关键词：关键测量特性；飞机装配工装；激光测量设备；在线检测

0　引言

飞机结构复杂，零件繁多，通过单个零件的形状和尺寸加工的准确度来保证装配精度是行不通的。因此必须要引入大量具有定位功能的辅助设备完成飞机的装配，以达到产品在从零件到组件再到部件最终直到整机的飞机装配过程中的制造精度和互换协调性［1］。

装配的准确度在很大程度上决定着飞机的制造精度，而飞机装配的准确度又与装配工装的准确度息息相关。新一代飞机的使用要求对飞机的装配准确度提出了更高的要求，作为飞机装配精度的保障，装配工装的制造和装配精度必须要精益求精，来满足日益严格的飞机装配精度需要。

从飞机最原始的飞机制造阶段到现在，飞机装配工装的制造与装配技术都有了巨大的变化。从开始的通过通用测量工具安装，到后来的标准样件安装，再到型架装配机和光学仪器安装，时至今日，数字化测量设备的大量使用使得工装装配技术在飞机装配新需求产生了革命性的突破［2］。目前国内航空企业普遍采用的工装装配方法是通过数字化测量设备检测技术，基于激光跟踪仪，电子经纬仪和iGPS等数字化测量系统，对飞机装配工装各零部件进行实时在线监测，并通过相应的方法，保证工装装配误差在公差范围之内。

由于装配场地及工装尺寸等条件限制，一般在工装装配时常采用激光跟踪仪实施实时监测。激光跟踪仪是目前在国内应用最广泛的数字化高精度测量设备，其测量范围广，测量精度高，采集数据的速度快、数量多，能够实现装配过程的数字化测量［3］，在大型产品的制造装配中有广泛的应用。

1　现行飞机装配工装检测方法

现在的工装设计是基于MBD技术完成的，设计完成后各零件均采用数控机床加工，MBD技术和数控加工技术在飞机装配工装生产中的使用极大地提高了工装零部件的制造准确度，以此方法制造大幅提高了零件制造互换协调性。为方便激光跟踪仪测量系统在飞机装配工装检测中的使用，工装设计时，在框架上设计基准工具球点（TB点），在工装定位器上设计OTP点，通过光学工具球对这些测量点的实时监测，确保工装的精度能够达到飞机产品的使用要求。

工装安装完成后，为验证装配好的工装是否满足产品的使用要求，需使用测量系统检测及零部件装配检测对工装进行检测。在使用一段时间后，由于装配过程中，工人会在工装型架上对产品进行钻孔，锪窝，铆接等操作，对工装零件产生载荷，使其位置发生偏离或零件发生形变，因此需对工装进行定检。

在飞机装配工装检测时，激光跟踪仪系统会测量每一工装零件上工具球的坐标值，与设计时给定的理论值做比对，工具球理论值均可在MBD数据集中获得。检测过程中需监测工具球点的坐标值，当实测值在工装设计时所给定的公差范围内时，零件在空间中的位置即为正确的工装装配位置。若实测值不在公差范围之内，则需根据工具球点的实测值与理论值调整零件在空间中的位置，直到实测值符合公差为止。

卡板、工装定位器通过“六点定位原则”在空间中的确定其位置［4］，通过三个点值限制零部件的在空间中的六个自由度从而确定零件的空间位置。每一个工装定位器的定位面上都会至少有两个光学工具球点（OTP）衬套孔［5］，以便在测量时放置工具球。在测量仅有两个OTP衬套孔的定位器时额外需要一个双点球座辅助测量，另外的孔使用普通球座，三个OTP衬套孔以上的定位器使用普通球座即可测量。

对于大型复杂工装检测，一台激光跟踪仪在一个站位下无法将所有工具球点测量完毕，需在多个站位下测量，这是就需要转站。为满足激光跟踪仪测量系统的工作要求，可通过在工装上标定基准ERS点构建工装增强基准坐标系快速精确测量。

图1　激光跟踪仪测量安装工装过程

2　基于关键测量特性的飞机装配工装在线检测

传统的飞机装配工装检测方法为保证型面在空间中的准确位置，对于除了定位器和卡板上的工具球孔需要测量外，每个与定位器相连的零件都需要测量，以保证才尺寸传递时不会出现偏差。这种检测方法的工作量太过庞大，工作效率低。

2.1关键测量特性

针对上述情况，结合飞机制造关键特性，提出了基于测量关键特性的飞机装配工装在线检测。在飞机制造的过程中，若某个特性的改变会对产品的互换协调性产生巨大的影响，那么这个特征即为关键特性［6］。对于飞机整机，关键特性是要保证飞机的气动表面外形；对于飞机部件，关键特性是要保证各个部件问交点处互相协调的准确性，如交点孔位置度、同轴度，连接面的轮廓度；对于飞机零件，关键特性是各个零件上定位孔、定位面、工艺孔等的位置度。测量关键特性即根据装配工艺和现场测量条件在产品上提取的需要检测的对互换协调性影响较大的几何特征。

飞机装配工装的目的是保证飞机产品的装配精度，满足产品的精度要求，所以对产品互换协调性产生巨大影响的飞机产品的关键特性可以一一对应到装配工装上（例如保证外形的卡板，保证长桁位置的定位器，以及定位销、定位孔等），通过飞机产品的关键特性，就能得到产品工装的关键特性。

图2　工装上的关键测量特性

2.2在线测量技术

在线测量技术是通过数字化测量设备对产品的零组件装配过程进行监测并将数据实时的反馈。通过测量软件进行理论数模与实际位置的比对，得出目前的装配误差，从而控制可移动装配定位器精确定位［7］。

在对飞机装配工装进行在线检测时，使用激光跟踪仪构建在线测量系统，如图3所示。

图3　基于激光跟踪仪的在线检测系统

在激光跟踪仪在线测量系统的测量软件中建立工装坐标系，并将工装数模导入到软件系统中，通过光学工具球实时跟踪关键测量特征的空间位置，通过与数模比对实现工装在线测量。根据实时测量达到的数据，通过对定位器的微调使误差在公差带范围之内，使工装符合产品的使用性要求。

2.3工装坐标系的建立

基于MBD技术的工装检测，首先需要确立测量坐标系。一般是用数字化测量系统测得工装坐标系基准点点值（TB点点值）［8］和来自MBD数字化模型上基准点的理论值，通过最小二乘法拟合［9］得到测量时使用的坐标系。其中所有的工具球点理论值都可以在产品工装的数模中找到。

假设基准点的理论值为Pi=（Xi，Yi，Zi）T，实测值为Pi'=（Xi，Yi，Zi）T，i=1，2，3，4。用最小二乘法解下面的函数：

设：

记：

可以得到理论坐标系和测量坐标系的最优解和。

图4　工装坐标系拟合示例

2.4基于关键特性测量的飞机装配工装检测

基于工装关键测量特征的在线检测技术，是参照设计要求和产品的使用要求，采用数字化高精密测量设备，依据产品的关键测量特性进行检测工装相应位置的轮廓度、平面度、位置度、同轴度等［10］，取代以往通过OTP点的检测间接确定工装定位器空间位置，并实时反馈以指导工装修配。这样不仅可以精确地检测出工装是否满足功能性要求，同时减少了检测人员的工作量，提高了检测效率。

激光跟踪仪测量系统的数据采集可以得到测量关键特性得到实测值，通过MBD数字模型可以得到理论值，这样就可以在测量系统软件中直观得出基准点理论值与测量值的拟合结果。在测量开始时，建立工装坐标系的方法与传统方法一致，都是通过TB点的理论值与实测值拟合建立坐标系。通过激光跟踪仪测量系统重新对工装上关键测量特征进行测量，实际的关键测量特征与MBD数字模型上的差距。根据测量软件给出的实时监测结果对工装进行适当调整，以保证装配工装能满足产品的使用要求，能装配出合适产品。

这样做保证了定位面，定位孔等关键特征的准确位置，同时省去了传统方法检测工装时，为保证定位面等的准确位置需对尺寸链上所有零件进行测量，大大减小了工作量，提高了工作效率。同时，若关键特征发生形变，这种方法可以将其很直观的反给工人，这样可以节省部分查找问题的时间。

图5　实时监测窗口及数据显示

3　关键测量特性在飞机舱门装配工装在线检测中的应用

选用某型号飞机的舱门装配工装为例，使用测量关键特性的方法进行检测。

3.1导入数据

在开始测量之前，需先将工装的MBD数字化模型导入到激光跟踪仪测量系统计算机软件之中，以方便后期对于坐标系建立后的实际检测。这其中包括工装骨架上用来建立坐标系的工具球孔坐标理论值与含有测量关键特性工装的MBD数模。数模可以是完整的工装数模，也可以是仅仅提取出关键测量特性的数模。

3.2建立工装坐标系

通过激光跟踪仪测量系统测量工装骨架上的TB点（一般TB点的数量要多于4个），在测量数据处理软件中通过最小二乘法拟合理论值建立工装坐标系。在建立坐标系时，尽量保证坐标系误差在0.10mm以内，若坐标系建立后其误差超过0.010mm则需重新测量建立坐标系。

在实际工作中，对基准点进行测量，实测值会受到大气压强、环境温度、噪音等多种因素影响，即需要把测量误差补偿到实测值中。

3.3检测工装零件

将光学工具球放在关键测量特征上，用激光跟踪仪测量系统实时监测的工具球坐标值，利用SA软件本身自带的功能与MBD数字化模型给出的理论值作比对。由于实际坐标值与理论坐标值之间必定存在误差，适当调整零件位置，使得误差值达到设计时给出的公差带范围之内，即确定了零件的正确位置。如果在测量型面时发现坐标值激变，说明该处存在人为损坏，需对该零件进行修配，若已无法修配，则需更换零件。在需修配时，通过实施监视窗口所反映的数据，通过向相应方向加垫片等措施，将定位面调整到公差范围之内。

在测量时，在一个站位下肯定无法将所有的测量关键特征全部测完，需进行多次转站测量。因此，在选择站位时要考虑到重定位误差带来的影响，尽量可以测到尽可能多的关键测量特征的站位。

4　结束语

基于测量关键特征在线检验飞机装配工装，相比现行的工装检验方法提高了飞机装配工装的制造与安装精度，有效的保证了飞机产品的精度要求。有效防止了现行工装检测方法无法发现定位面小幅损伤，检修后产品不合格问题的出现。因为工作量的减少，极大地提高了工装检测的工作效率。

在不久的将来，国内航空制造企业要向国外先进的航空制造企业靠拢，实现无型架装配。通过数字化在线测量系统，飞机产品只需要支撑工装，即可通过对飞机关键特性的实时在线监测完成飞机装配，不再需要一系列的装配工装，这将有效的降低飞机产品在制造过程中的误差，大幅提高飞机产品装配质量。

图6　实时修配监视

参考文献：

［1］ 刘洪.飞机工装设计制造技术探讨［J］.航空制造技术，2006（12）：69-71.

［2］ 范玉青，梅中义，陶剑，等.大型飞机数字化制造［M］.北京：航空工业出版社，2011.9.

［3］ 李广云.LTD500激光跟踪测量系统原理及应用［J］.测绘工程，2001（12）：3-8.

［4］ 全志民，唐文彦，刘建新，等.基于激光跟踪仪和坐标测量臂的工业测量系统［J］.计量技术，2008（5）：13-16.

［5］ 王巍，杨亚文，安宏喜，张哲.基于数字化测量的飞机型架装配技术研究［J］.2014（21）82-85.

［6］ 陈哲涵，杜福洲，唐晓青.基于关键测量特性的飞机装配检测数据建模研究［J］.航空学报，2012.33（11）：2143-2152.

［7］ 王巍，俞鸿均，安宏喜，谷天慧.大型飞机数字化装配在线测量技术研究［J］.航空制造技术，2015（7）：48-52.

［8］ 邹爱丽，王亮，李东升，等.数字化测量技术及系统在飞机装配中的应用［J］.航空制造技术，2011（21）：5-6.

［9］ 韩清华，郑保，郭宏利，等.采用激光跟踪仪测量飞机外形［J］.航空计测技术，2004，24（1）：15-16，33.

［10］ 刘志存，邹冀华，范玉青.飞机制造中关键特性的定义与管理［J］.计算机集成制造系统，2007，13（10）：2013-2018.

Aircraft assembly tooling on-line detection based on key measurement characteristics

WANG Wei， GAO Xue-song， YU Hong-jun， MU Zhi-guo

中图分类号：V262.4+2

文献标识码：B

文章编号：1009-0134（2016）05-0107-04

收稿日期：2016-01-04

作者简介：王巍（1965 -），女，教授，博士，研究方向为数字化飞机制造技术、飞机装配工装的通用性及模块化设计。