工装夹持优化.

一．柔性装配过程动态调姿理论

1. 飞机大部件数字化调姿、定位系统简介

飞机、船舶、火箭、化工罐体等大型部件的制造均采用模块化分段进行, 即采用“部装-总装”的生产模式。在部装时完成零件、组件的组装生产,形成部件；然后在总装时实现各部件之间的对合装配。在总装的对合装配过程中, 要求各个对合部件具有正确的位置和姿态, 这就需要对各部件的位置和姿态进行调整和测量。位姿调整的精度和稳定性直接影响对合后大型部件的外形精度和工作性能。数字化柔性装配系统要求对各大部件能够自动化调整姿态并对姿态进行实时测量。

飞机大部件数字化调姿、定位系统决定了飞机定位精度，从而决定了飞机装配的整体质量。传统刚性定位系统是将飞机部件定位在固定型架上，采用孔系定位基准、外形定位基准等刚性工艺装备，这样在刚性定位基准下，部件被定位后不能自由移动，即使定位有误差也不能进行分配、调整；有时候为了保证定位装置与飞机结构的连接，经常造成部件的过载，造成飞机部件结构变形；同时定位、装配依赖于多个操作人员、刚性装置，不能形成有效的集成系统。

现阶段飞机产品设计采用全数字化定义，且大部分产品数据、零件制造都依赖数字化软件及设备。在现代飞机大尺寸、高精度情况下，飞机部件的定位精度决定了飞机外形、整体气动性，这些都要求装配过程中需要采用新的工艺方法和技术来协调数字化制造的要求。

飞机部件数字化调姿、定位系统就是为了应对上述情况，通过数字量来实现制造、装配过程中的数据传递，满足数字化设计、制造一体化需求，不仅减少工装数量，降低研制成本，减少占地面积，缩短生产准备周期，减少外部工装与产品结构的接触，进一步保证装配质量。

2. 大部件对接飞机数字化装配系统及其特点

借鉴国外飞机自动化装配经验，在数字化测量系统技术、完整的数字化定义、数字化协调技术、基于并联机构的自动化控制和机械随动定位以及CAPE信息支撑

平台等集成技术支撑下，可以构建基于激光跟踪的飞机数字化装配系统。可以大致分为部件数字化装配系统和部件数字化对接总装系统。

系统主要由随动定位装置、控制系统、测量系统和计算机软件等组成。是集成了数字化定义技术、实时仿真技术、现代控制技术及机器人技术，并在数字化协调体系支持下的大型自动化系统。

其随动定位装置部分主要分为驱动机构和执行机构，驱动机构是电机伺服驱动或液压驱动来实现执行机构的调整与定位，执行机构由机械随动定位器构成，根据控制系统控制驱动机构来运动，可以完成定位、位置调整、固定、夹紧等活动。其主要由定位器构成。定位器主要起支撑和定位飞机构件作用，可以沿三个自由度方向运动。定位器具有较好的柔性调姿能力。测量系统采用激光跟踪测量系统实现装配过程中数据采集与位置监测，并将测得的结果反馈给控制系统。计算机软件将测量数据进行汇总、整理、分析、处理、传递和发送可控制指令等功能，作为测量系统和控制系统的桥梁与平台。控制系统主要是实现接收软件发出的控制指令，带动相应的驱动机构进行工作，并采用交互界面的方式实现对位置测量、目标移动的控制。控制软件主要是装配工作站控制软件和测量分析软件。整个系统可提供给一个方便的交互界面，使操作者能够方便和直观地观察飞机部件的运动和支撑定位件的运动，在交互界面上操作者能够根据自己的判断操作飞机构件的空间位姿。产品数字化设计给出的产品数字化定义中，包括和装配相关的信息，这些信息需要传输到制造场地的数字化装配测量分析系统上去，再通过自动控制设备，根据基于数字标工的装配协调方法及其装配工艺去控制实际的部件装配过程。在这装配过程中需要进行实时测量、过程控制以及测量数据与设计数据的实时比较、校验，直到零件到达公差范围内的准确位置上。

3. 飞机大部件数字化调姿、定位系统原理

飞机部件数字化调姿、定位系统采用的是测量辅助装配法(Measuring Aided Assembly，MAA)，其原理是依靠测量系统来辅助部件定位，测量系统基于飞机结构对象，同时在定位整个过程中对飞机结构对象进行实时测量，由获得的数字量坐标信息来指导控制系统完成部件的调姿和定位，保证部件定位精度。

测量辅助装配工艺与刚性定位工装基准体系完全不同，刚性定位工艺方法

下，飞机部件置于专用托架中，托架上有定位器、固定夹具等，通过手摇曲臂等方式来实现部件及工装的连续驱动，以实现部件定位；而测量辅助装配工艺方法下，柔性工装及测量设备之间以数字量传递、协调，飞机部件的定位、移动都是依赖外部控制系统，在调姿、定位、移动过程中，飞机部件不会受到外力压迫，并能得到更好的稳定性及定位精度。

测量辅助装配工艺的具体原理为：通过先进的坐标测量设备构建虚拟的基准虚拟坐标体系，该坐标系可以与飞机理论坐标系相互转换；部件调姿、定位过程中，测量设备实时测量飞机结构上的坐标点，得出其位置信息；利用点匹配算法使目标点的测量坐标与理论坐标进行比对，然后计算各个柔性定位器调整的参考值，最后发送指令给柔性定位器进行姿态调整。

4. 基于激光跟踪测量技术的调姿系统位姿的解算方法

4.1 激光跟踪仪的组成

采用了可控式的机械随动定位装置和基于三维数字模型的数字化协调方法，使得采用光学测量设备进行空间定位、位置精度测量和其他对接装配工作表现出很好的效果。相对于传统的3坐标测量机测量方式而言，数字化光学测量技术具有非接触、无导轨、检测速度快、便携性好等特点。目前，最先进和极具应用研究价值的是激光跟踪仪测量方式。激光跟踪仪是近十年才发展起来的新型测量仪器，集激光干涉测距技术、光电检测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等于一体，实时扫描测量，具有极高的测量精度及效率，可以对三维数据进行直接输入输出，并具有广泛、通用的接口，能够很容易地与其他数字化设备连接工作。使用激光跟踪仪进行测量时，跟踪头到被测目标点的距离可达几十米，测量精度可达到±5ppm，完全可以满足大尺寸部件对接装配的需要。

图1为某型号激光跟踪仪的组成。激光跟踪仪主要由跟踪头、目标反射镜、控制电箱和测量软件构成。跟踪头内部有一套激光干涉系统、两套角度编码器、电机，以及光电接受器件等。目标反射镜可使入射光沿原路或平行返回。反射回来的光束被分光镜分为两路：一路进入激光干涉系统形成干涉条纹，计算求得目标反射镜的移动距离L；另一路通过两个角度编码器，分别测出水平转角 和垂