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 和垂直转角 。

根据圆柱极坐标系便可确定目标反射镜(即被测点)的空间坐标。

由于激光干涉仪为增量码测量系统，测量前必须预设初值，这一固定点称为鸟巢(home point)。

图1某型号的激光跟踪仪组成4.2 激光跟踪仪测量原理使用激光跟踪仪进行装配时，进行以下几步坐标变换和计算。

设[A 1 B 1 C 1]表示飞机部件或装配工装上任取三点A 1，B 1，C 1，建立的坐标系，称为局部坐标系。

[ABC]则表示飞机整体坐标系。

若要测得对接装配中某关键点E 的空间位置是否与理论位置误差足够准确，则①在飞机设计图纸／模型中可取得E 点对于机身坐标系的相对位置关系E →[ABC]；②用激光跟踪仪可精确测得装配工作的局部坐标系对于跟踪仪鸟巢D 点的相对位置[A 1 B 1 C 1] →D ；③如果认为两个坐标系重合，即在激光跟踪仪工作软件中，将两坐标系进行拟合[ABC]= [A 1 B 1 C 1]，则得到D →[ABC]；④综上可得：(E →[ABC])=(E →D)-([A 1 B 1 C 1] →D)。

因此，只需在装配工作的局部坐标系(如对接装配工作站机体上)内任取3点进行测量，并测得E 点到激光跟踪仪鸟巢D 的距离，即可推得E 点在机身坐标系下的测量位置，用来与理论值比较。

上述方法就是激光跟踪仪的算法原理，如果点E 是型架上(如工作站的机械随动定位器头上)的KC 点，则可以进行型架的定位；如果点E 是零部件上的KC 点，则可以进行零件的检测，甚至是对接装配中的实时调整测量。

它在飞机部段对接的数字化装配中的应用有：①确定工作站平台上定位点的空间位置；②安装过程中的监测、调整；③安装后的检测；④柔性装配工作站的维护。

4.3 激光跟踪仪测量方法现在常用的测量方法为：激光跟踪仪对位于大部件和定位器球铰座上的多个靶球点进行测量。

激光跟踪仪的最基本功能就是能够采集靶球位置信息，即获取靶球所在位置的水平角、垂直角、距离等数据，经过软件计算，提供给用户显示界面的是靶球位置相对于激光跟踪仪系统坐标系的x，y，z坐标值。

图2 测量驱动的数字化对接流程。

图2 测量驱动的数字化对接流程4.4 调姿系统位姿的解算 4.4.1 各坐标系的建立飞机装配中部件的调姿过程首先要建立全局坐标系为了方便飞机不同部件位姿的调整，通过在调姿场地布设坐标基准点的方式建立全局坐标系，坐标基准点在布设上要包容整个调姿空间，布设时不能影响其他工装和工人的正常工作。

在以后的测量中，跟踪仪只要测量坐标系基准点，就可以根据其测量坐标系获得跟踪仪在全局坐标系下位姿，使得跟踪仪在任何站位的测量坐标系都与全局坐标系统一。

然后在进行局部坐标系的建立，一般情况下局部坐标系主要包括跟踪仪测量坐标系、飞机部件坐标系、X 向运动坐标系、Y 向运动坐标系、Z 向运动坐标系。

X 、Y 、Z 三个方向上的运动坐标系与全局坐标系各轴方向相同，位置通过伺服电机准确定位。

因此X 、Y 、Z 三个方向上的运动坐标系的理论位姿是确定的。

然后在进行测量坐标系与全局坐标系的统一，最后实现飞机部件位姿的标定。

4.4.2 测量坐标系与全局坐标系的统一设基准坐标点的测量坐标为m P ，坐标基准点在全局坐标系中的坐标为g P ，则m P ，g P 满足式（1）()()22111min min min mmmTi i i i ii i i i i i i i E H E H E H ωρωω===∆=-=--∑∑∑11g m g m P P A ⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦（1）式中，g m A 为测量坐标系相对全局坐标系的齐次变换矩阵。

gm A 可表示为式(2)cos cos cos sin sin sin cos cos sin cos sin sin sin cos sin sin sin cos cos sin sin cos cos cos sin cos sin cos cos 0001g m x y A z φθφθψφψφθψφψφθφθψφψφθψφψθθψθψ-+⎡⎤⎢⎥+-⎢⎥=⎢⎥-⎢⎥⎣⎦（2）式中φ，θ，ψ横滚角、俯仰角、偏转角，表示两坐标系的姿态关系；,,x y z 为坐标值，表示两坐标系的位置关系。

由式(1)可知，每测量一个基准点引入3个独立方程，当测量点数等于2时，方程个数与未知数个数相等，即可求得各位姿参数的解。

实际应用中，为减少测量随机误差，往往测量3个以上的基准点。