飞机装配质量管理系统关键技术研究

飞机装配质量管理系统关键技术研究
摘要：飞机产品在制造过程中，其零部件的种类和数量非常多，整机结构复杂，装配耗时且成本高。

同时，构成飞机主体结构的零部件多为钣金件，尺寸较大、质量轻，在装配的过程中容易发生变形。

因此，为保证飞机的装配质量，必
须确保待装配零部件的结构外形与安装位置准确，这就需要在装配过程中大量使
用专用的装配工艺装备。

关键词：飞机；装配；质量管理系统；技术
引言
现代飞机制造已广泛采用数字化调姿对合技术以实现飞机部件姿态的自动测
量和调整，解决了传统人工作业方式存在的调姿精度差、效率低下、劳动强度大
等问题。

飞机部件数字化调姿包含3个主要步骤：位姿测量、位姿拟合、位姿调整。

位姿测量是利用激光跟踪仪等大尺寸测量设备测量飞机部件上的调姿基准点
在现场装配坐标系下的坐标；位姿拟合是将测量数据和理论数据进行配准，拟合
出部件在全机坐标系下的位姿参数；位姿调整是根据调姿机构运动学关系，将部
件的位姿参数转化为数控定位器的运动量，驱动飞机部件达到目标位姿。

1研究背景
飞机装配是飞机研制的重要环节，产品装配质量直接影响飞机的性能。

此外，装配效率和成本也是影响整个飞机研制非常关键的因素。

近年来，面向飞机的自
动钻铆技术备受广泛关注，很多研究表明，自动钻铆技术能够极大地改善飞机结
构件连接质量，减少了人为因素所带来的装配缺陷和损失，提升飞机表面气动外形，具有较大的发展前景。

ONCE(onesidedcellendeffector)机器人自动钻削系统，用于F/A-18E后缘襟翼的钻孔、锪窝和测量。

“机身自动直立装配系统(FAUB)”，实现机器人在前、后机身内外部的协同作业。

Ｒ
ACe(robotassemblycell)机器人钻铆系统，通过对机器人校准和压力补偿、网格
补偿以及温度补偿，可实现±0．3mm的精确绝对定位精度。

基于此，为了提高传
统机器人的性能指标和适用性，开发了高刚度、高精度的机器人钻铆系统Power
ＲＲAC，该系统的重复定位精度±0．1mm。

2PPR结构模型与工艺编制
在DELMIA软件的数字化工艺工程（Digitalprocessengineer，DPE）模块中
完成数字空间下型架装配工艺规划。

首先，工艺人员结合产品数模和型架物料清
单（Billofmaterial，BOM）表，对型架零部件按照精度要求和类型进行分类管理，确定型架的装配工序并编制详细的工步内容，针对型架的层次关系和属性信
息定制专属工艺模板。

其次，对生产过程中所有产品、工艺和制造资源信息进行
组织、管理和评估，以DPE二次开发的方式批量导入型架模型和信息，将装配过
程需要的人员信息、安装工具及测量设备等所有参与到实际装配过程的元素导入
资源信息，建立工艺结构树并录入工艺信息。

最后，开展装配工艺过程仿真，对
上述详细工艺内容规定的装配顺序、装配路径、工艺装备和工具、人机工程等进
行验证、调整和完善，直到获得正确的工艺规程，生成产品、工艺、资源相互关
联的产品–工艺–资源（Product–process–resource，PPR）结构模型。

3交互接口的构建
（1）装配执行。

装配现场操作人员接收工艺文件和装配指令后，依据可视
化的工艺指令，按步骤完成型架的装配工作，同时记录每个装配工步完成后的制
造信息、测量数据、进程信息和完工时间等工艺执行信息。

（2）信息反馈。

物
理现场装配过程中产生的信息分为2类：一类是装配工艺执行信息，另一类是装
配过程中出现的问题。

对于装配工艺执行信息，通过条码技术、RFID技术或人工
填报的方式进行采集，实做的装配工艺执行信息通过信息交互接口反馈至MES系统，通过MES系统随时监控当前的装配进度、产品工艺状态、设备状态、物料信
息和关键装配数据等执行信息。

对于装配过程中出现的问题，进一步细化为产品、工艺和资源3类信息，便于相关部门处理不同类型的问题。

通过信息交互接口记
录问题内容、发生时间、工艺状态、产生原因、处理方案、处理结果和处理人员
等信息，并反馈至MES系统，形成实做工艺执行信息，作为后续装配工作的参考。

（3）复检与维护。

该功能区详细记录着型架每次的检测信息以及维护内容，登
记检测人员和型架使用状态等基本信息，重点检测使用焊接或水泥等方式固定的
位置，避免误差累计从整体评价零件组合间的形位公差，选择添加附件可将每次
的检测报告上传至系统。

每次复检和维护的型架状态、时间和人员等信息通过信
息交互接口记录并反馈至MES系统，便于在装配工艺执行过程中获取型架的最新
状态信息。

4基于接触式压力脚的机器人制孔法向检测与调姿方法
目前，在自动化制孔系统中采用的法向检测方法按照是否接触产品，分为非
接触式与接触式两类。

根据检测传感器类型不同，非接触式法向检测又可分为基
于电涡流传感器、基于激光位移传感器和基于十字激光器等；接触式法向检测主
要分为基于六维力/力矩传感器和基于接触式位移传感器等。

用4个激光位移传
感器读数得到法向投影偏角，再根据几何关系计算得到法向偏角。

该检测方法可
直接得到法向偏角，但因涉及三角函数导致计算复杂且误差环节较多。

利用3个
激光位移传感器读数，计算得到产品表面的照射点坐标，由向量叉乘计算得到当
前待制孔位置处的法向量。

利用3个电涡流传感器读数进行法向检测，适用于金
属产品表面的法向检测，另外电涡流传感器体积较大，而且测量时需要尽可能接
近产品表面，对产品的开敞性要求较高。

采用机器视觉的方式进行法向检测，由
相机拍摄提取十字激光条纹图样上的点并拟合出两条曲线的方程，根据曲线方程
分别求出两条曲线在曲线交点处的切矢，叉乘得到当前待制孔位置处的法矢。

该
方法可以同时检测待制孔点处的位置和法向，但某些产品表面容易反光产生亮斑，影响十字激光条纹的提取，最终影响条纹曲线方程和条纹交点的计算。

利用结构
光生成工件表面点云数据，通过在线手眼标定方法，将相机坐标系中的点云转换
成道具坐标系的点云，通过提取待制孔点法向量。

利用高分辨率条纹投影传感器
设计了一种基于二维相位图的两级控制方案，包括粗调和细化法向方向调整。

其
中粗法向调整使用相位图来估计法线方向，用于合成基于位置的控制方案；精细
的法向调整使用相位图来合成基于图像的控制方案，但因为是逐像素的计算，因
此实时构建控制率较慢。

5离线编程与仿真技术
相较于其他机械产品，飞机自动化装配数控程序编程最主要的特征是离线编程。

飞机批量低，曲面不简单，孔位数量多，不能有效应用于车辆等大批量自动
化生产线应用的示教编程，使得离线编程成为飞机自动化装配的核心软件技术。

这一技术主要由紧固件信息提取、数控自动编程、刀位文件生成、离线仿真以及在线监测等模块构成。

相比于轻型自动化制孔系统，自动钻铆技术更加复杂，需要进行更细致的检查。

离线编程的难点在于必须从产品数模中自动提取出紧固件位置信息，而实现这一工作的前提是产品数模必须对紧固件信息进行严格规范的定义。

目前，我国正在逐渐加大这项工作的重视程度，已形成基于模型的定义（ModelBasedDefinition，MBD）技术规范体系。

结束语
针对飞机大部件调姿中的位姿拟合问题，提出了一种基于粒子群优化结合加权奇异值分解的方法，将不同精度要求的基准点赋予不同的权重，权值的分配由粒子群算法进行迭代优化，并将每个基准点的转换残差均满足精度要求作为优化的约束条件。

通过飞机数字化装配中的应用分析验证了算法的有效性。

参考文献
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