飛機(jī)的測量輔助裝配技術(shù)

　　測量輔助裝配技術(shù)（Measurement Aided Assembly，MAA）是飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的重要組成部分，它使用了數(shù)字化定義模型和三維數(shù)字化測量設(shè)備輔助裝配工作，將裝配現(xiàn)場的零部件信息映射到理論數(shù)模中，縮短了尺寸傳遞路線，減少了對工裝夾具的依賴，將飛機(jī)裝配過程中原本由人工完成的修配、定位安裝工作變成使用自動化技術(shù)來完成，通過數(shù)字化三維測量技術(shù)獲得零部件的真實(shí)狀態(tài)信息，驅(qū)動自動化設(shè)備（如工業(yè)機(jī)器人、定位器）完成相應(yīng)的裝配工作，從而提高了飛機(jī)制造的柔性、敏捷性，它也受到飛機(jī)制造商的廣泛重視，多個(gè)MAA系統(tǒng)也被隨之開發(fā)出來。

　　本文從測量輔助裝配技術(shù)的基本概念出發(fā)，闡述了該技術(shù)在零部件定位、補(bǔ)償和大部件對接的應(yīng)用，總結(jié)了其關(guān)鍵技術(shù)，并對該系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)提出了建議。

　　測量輔助裝配系統(tǒng)的基本概念

　　測量輔助裝配是基于裝配對象的設(shè)計(jì)數(shù)模，依靠數(shù)字化三維測量系統(tǒng)，在裝配過程中對裝配對象進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，由獲得的幾何空間信息來指導(dǎo)定位和調(diào)整，保證對接工藝。國內(nèi)的文獻(xiàn)一般認(rèn)為，測量輔助裝配技術(shù)的系統(tǒng)組成應(yīng)當(dāng)包括2個(gè)方面［2-3］： 一是數(shù)字化測量定位系統(tǒng)；二是機(jī)電執(zhí)行系統(tǒng)。但本文持以下不同意見。

　　首先，測量輔助裝配系統(tǒng)的功能是通過數(shù)字化的測量設(shè)備將裝配現(xiàn)場的幾何信息映射到處理器中，同設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行比較對照，并反饋結(jié)果指導(dǎo)裝配。系統(tǒng)使用通用的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了裝配現(xiàn)場工作與設(shè)計(jì)數(shù)模的協(xié)調(diào)，從而減少了對傳統(tǒng)專用夾具樣板的需求，提高了飛機(jī)裝配的柔性和敏捷性。從這一點(diǎn)出發(fā)，機(jī)電執(zhí)行系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)是測量輔助裝配系統(tǒng)的必要組成部分。誠然，飛機(jī)裝配的自動化也是技術(shù)發(fā)展的必然要求，加上人工操作受到操作者的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和體力的限制，在實(shí)施測量輔助裝配時(shí)，普遍使用機(jī)電執(zhí)行系統(tǒng)來完成裝配操作，但是確實(shí)存在人工完成最終裝配操作的案例。

　　其次，雖然使用數(shù)字化測量設(shè)備是MAA的重要特征，但僅有數(shù)字化測量系統(tǒng)并不足以完成測量輔助裝配系統(tǒng)的全部功能，這項(xiàng)技術(shù)的基本功能是實(shí)現(xiàn)裝配現(xiàn)場零部件空間幾何信息和設(shè)計(jì)數(shù)模的對比協(xié)調(diào)，測量系統(tǒng)只是獲得幾何信息的技術(shù)環(huán)節(jié)，關(guān)鍵的對比協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)需要開發(fā)相應(yīng)的軟件完成。

　　綜上所述，狹義的測量輔助裝配系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由3部分構(gòu)成：數(shù)字化測量定位系統(tǒng)、數(shù)模對比協(xié)調(diào)系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)。其中，數(shù)字化測量定位系統(tǒng)由一種或多種數(shù)字化測量設(shè)備構(gòu)成，用于提供零部件的空間幾何信息；數(shù)模對比協(xié)調(diào)系統(tǒng)是一臺或者多臺存儲有飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)模的計(jì)算機(jī)，使用相應(yīng)的應(yīng)用軟件，完成現(xiàn)場幾何信息與數(shù)模的對比；反饋系統(tǒng)用于向裝配執(zhí)行者反饋對比結(jié)果，一般應(yīng)當(dāng)具有圖形顯示終端，將對比結(jié)果以圖形化的方式顯示出來。如果系統(tǒng)附帶有機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，反饋系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)對比結(jié)果計(jì)算相應(yīng)的裝配運(yùn)動，并產(chǎn)生相應(yīng)格式的信號驅(qū)動機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。考慮到某些飛機(jī)裝配工作人工較難完成，廣義的測量輔助裝配系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)包括機(jī)電執(zhí)行系統(tǒng)。

　　測量輔助零部件定位

　　使用工裝夾具定位是傳統(tǒng)飛機(jī)批量生產(chǎn)時(shí)常使用的定位方法，定位準(zhǔn)確度高，能夠保證各類結(jié)構(gòu)件的裝配準(zhǔn)確度要求，缺點(diǎn)是需要大量專用的工裝夾具，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期較長，測量輔助裝配技術(shù)則為減少準(zhǔn)備周期提供了可能的途徑。

　　OMC（Optical Metrology Centre）項(xiàng)目是 JAM（Jigless Aerospace Manufacture）項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)，目的是在六自由度機(jī)器人平臺上引入立體照相測量技術(shù)，以此驗(yàn)證在生產(chǎn)環(huán)境下的實(shí)時(shí)裝配系統(tǒng)。經(jīng)過和BAE Systems公司、Airbus公司、Bombardier Shorts Brothers公司、英國國家物理實(shí)驗(yàn)所的協(xié)作，項(xiàng)目于2001年10月結(jié)束，成功地開發(fā)了適于嵌入制造控制循環(huán)的立體照相測量系統(tǒng)，成功地將帶有OMC立體照相測量技術(shù)的六自由度工業(yè)機(jī)器人用于裝配和鉆孔。

　　OMC系統(tǒng)使用KUKA工業(yè)機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人的剛度和定位精度不足以應(yīng)對航空裝配的需求，因而OMC項(xiàng)目使用2個(gè)或多個(gè)智能攝相機(jī)來確定零部件的位置，構(gòu)成位置控制系統(tǒng)，引導(dǎo)機(jī)器人完成裝配操作。照相測量系統(tǒng)采用執(zhí)行終端（end-effector）布局，只測量執(zhí)行終端附近的空間，這樣可以降低對測量精度的要求。為了滿足實(shí)時(shí)測量的需要，OMC系統(tǒng)使用硬件圖像處理器和以太網(wǎng)通信，可以對多達(dá)170個(gè)目標(biāo)圖像的2-D位置進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算（每秒25~50次），同時(shí)使用編碼靶標(biāo)（coded targets）輔助測量。