飞机数字化柔性装配技术的发展现状与未来趋势

要实现数字化柔性装配系统，需要将数字化柔性装配测量系统与柔性工装控制系统集成，通过实时准确的数据传输和精确的驱动控制实现数字化柔性装配过程，因此柔性装配系统集成技术的研究对数字化柔性装配系统具有重要意义。

柔性装配测量系统概述

在飞机装配过程中，由于飞机零部件数量多、精度要求高，装配难度大、工艺复杂。传统的飞机装配过程中，需要使用大量专用装配工装，这些工装设计周期长、仓储面积大，不利于提高装配质量和装配效率。因此，为了满足现代飞机制造与装配的要求，需要一种数字化柔性装配系统。

针对某航空企业的实际需求，研制了飞机部件数字化柔性装配系统。本文主要研究和开发数字化柔性装配测量系统及系统集成技术。飞机数字化柔性装配测量系统是飞机数字化柔性装配系统的重要组成部分，其工作原理[1]为：将装配部件装夹在柔性工装上，在待装配的装配参考点上安装光学靶标镜。飞机数字化柔性装配测量系统控制激光跟踪仪对装配部件上光学靶标点的位置进行测量，得到定位参考点的位置坐标。然后将测得的坐标数据信息传输到信息处理系统，通过与数字化标准数据信息进行比较分析，得到装配部件装配位置的修正值。 将校正值传送给运动控制系统，驱动多台柔性工装定位装置协调调整装配部件的位置和姿态，直至装配部件的位置和姿态满足公差要求，实现装配部件之间的精确定位，同时通过柔性装配虚拟仿真平台进行仿真，系统结构图如图1所示。

柔性装配测量关键技术

1激光跟踪测量技术

近年来，激光跟踪仪在测量领域得到了广泛的应用，激光跟踪测量技术也随着激光跟踪仪的应用而得到了迅速的发展。激光跟踪仪的种类很多，目前最常用的是LEICA公司推出的AT401、AT901激光跟踪仪，以及美国API公司推出的第三代激光跟踪仪。

激光跟踪仪的基本工作原理为：首先在需要测量的目标点上放置一个反射式靶镜，跟踪仪发射出的激光通过反射式靶镜反射回跟踪器，当反射式靶镜移动时，反射光线发生变化，并不断将变化反馈给跟踪器，跟踪头调整光束方向，使其与靶镜对准。同时，跟踪仪自身的检测系统检测返回光束的信息，并测量出目标点的空间位置，完成三维空间坐标信息的采集[2]。

该测量系统采用LEICA公司推出的激光跟踪仪，其优点是同时采用了ADM（绝对测距仪）和FM（激光干涉仪）技术，测量速度快、测量精度高、测量范围广，在飞机柔性装配系统的实现中发挥着重要作用。

2 轮询测量技术

（1）轮询调度算法。

循环调度算法的原理是按照输入队列的自然顺序，循环调度数据负载输出，即第一次调度一个有效数据输出，第二次调度一个有效数据输出，以此类推，调度到队列N之后，又从队列1开始[3]。具体一个循环的实现，主要需要三个步骤：请求、响应、接受[4]。

（2）轮询端口法。

轮询端口方法是定期读取缓冲区中的信号以检测事件是否发生并进行处理的方法。如果轮询端口的频率足够高，这种方法可以确保不会丢失任何数据或事件。轮询的频率取决于缓冲区的大小、数据量以及对快速响应的要求[5]。

（3）轮询测量算法。

在飞机柔性装配过程中，需要三台激光跟踪仪同步测量并实时传输数据信息。由于一台计算机同一时刻只能与一台激光跟踪仪建立数据通讯，所以我们需要利用轮询测量的思想来解决三台激光跟踪仪同步测量的问题，即保证同一时刻只有一台激光跟踪仪占用数据传输线路。当一台激光跟踪仪测量时，其它激光跟踪仪处于监听等待状态。

轮询测量算法如下：当装配件稳定后，1号激光跟踪仪测量目标点坐标，数据存盘后测量系统与2号激光跟踪仪建立通讯，控制2号激光跟踪仪测量并存盘，完成后自动与3号激光跟踪仪建立通讯，直到3号激光跟踪仪存盘完毕，停止测量，将测量控制权交还给1号激光跟踪仪。随后将3组测量数据传送给柔性工装控制系统，由控制系统解算并驱动工装定位器运动到下一步。整个过程无需操作人员干预，自动进行。下面介绍实现3台激光跟踪仪同步测量的具体方法：

①由计算机向1号激光跟踪仪发送测量命令，控制1号跟踪仪进行测量。为了跟踪测量数据的状态，在测量系统中设置一个bool类型的测量标志，初始值为false。

②1号跟踪器响应电脑给出的测量命令，当1号跟踪器测量并存储完成后，将该值设置为true，此时用轮询端口的方法找到2号激光跟踪器（找到跟踪器的IP地址），并连接2号激光跟踪器，连接成功后将该值设置为false，然后进行测量并存储。

存储数据。

③当2号跟踪器完成测量并保存数据后，将该值置为true，此时通过轮询端口的方式搜索3号激光跟踪器，连接成功后将该值置为false，然后电脑发送命令让3号跟踪器测量并保存数据，当3号跟踪器完成测量并保存数据后，电脑再次搜索1号跟踪器。

重复以上三个步骤，最终实现三台激光跟踪仪的轮巡测量功能，其功能原理如图2所示。

3 坐标变换算法

在实现虚拟装配仿真的过程中，需要实现柔性工装与飞机壁板的真实装配过程，因此需要通过坐标变换算法来实现柔性工装的运动和壁板姿态的调整。这里我们采用的方法是利用数字模型上三个点的前后时刻的坐标值，然后通过各自的变换矩阵完成坐标变换。

对于空间中任何非零向量

，单位向量

以旋转轴方向向量与旋转角度θ为旋转变换的变换矩阵表达式为[6]：

根据三台激光跟踪仪测量到的坐标值，利用各自的变换矩阵就可以得到装配坐标系中的坐标值，从而实现跟踪仪自身坐标系到装配坐标系的转换。

柔性装配测量系统

飞机数字化柔性装配测量系统的主要功能是完成激光跟踪仪与计算机的通信、控制激光跟踪仪进行测量，实现对装配过程的可视化观察与控制。在测量系统中，激光跟踪仪与计算机的通信采用串行通信方式。根据飞机数字化柔性装配的需求，通过LEICA公司提供的软件二次开发包开发了该系统并与激光跟踪仪配套，实现了激光跟踪仪的连接、初始化、鸟巢式返回、目标镜搜索、静态测量、稳定点测量等功能[7]。

（1）激光跟踪仪连接。

跟踪器连接功能是利用串口通讯协议及跟踪器软件二次开发包实现激光跟踪仪与电脑的通讯，主要用到的函数如下：

bool (); // 创建 TCP/IP 通信

布尔值（，UINT

); //第一个参数为跟踪器地址，第二个参数为通讯端口

int Send（const void* lpBuf，int，

int = 0); //发送数据

int (void* lpBuf， int， int

= 0); //接收数据

（2）激光跟踪器初始化。

通过激光跟踪器初始化操作，建立计算机与激光跟踪器之间的通讯，并检测激光跟踪器当前的状态，以保证激光跟踪器能正常工作。激光跟踪器初始化函数主要通过（）方法实现。

（3）激光跟踪仪返回鸟巢。

在飞机数字化柔性装配过程中，测量过程中难免会因为人为或非人为的外界干扰而出现光路中断的情况。对于IFM（干扰测量）方法，一般解决这种情况的方法是回鸟巢。因此在激光跟踪测量系统中设计了回鸟巢功能。

激光跟踪仪的返回鸟巢功能可以通过提供的API函数（）实现。将目标镜放回到激光跟踪仪的鸟巢位置，在测量系统中添加返回鸟巢功能，通过（）方法控制激光跟踪仪返回鸟巢。当返回鸟巢成功后，跟踪仪处于测量就绪状态。

（4）激光跟踪仪寻找目标镜面。

在实际测量中，如果激光跟踪仪与靶镜因遮挡而失去联系或者靶镜移动速度过快，如果采用ADM（绝对测距）方法，就需要寻找靶镜来恢复激光跟踪仪与靶镜的联系，以便继续进行测量。激光跟踪仪主要采用（ ）方法来实现靶镜的定位。

（5）静态单点测量。

由于柔性装配过程中需要采集靶镜参考点初始坐标，因此需要在测量系统中实现静态测量功能，主要通过调用软件二次开发包中的（）方法实现。

（6）稳定点测量。

动态柔性装配的原理是采用三台激光跟踪仪，分别在被测部件上测量一个参考点（三个参考点不能在同一直线上）。测量完成后，三台跟踪仪所获得的数据传送到柔性工装控制系统，经柔性工装控制系统处理后，驱动变位机移动一个步长。当变位机停止稳定后，激光跟踪仪自动进行另一次测量，然后将数据传送到柔性装配控制系统，经控制系统计算处理后，驱动变位机移动一个步长。此过程反复进行，直到实际测量的三点坐标在误差范围内达到理论参考点坐标。

根据动态柔性装配的要求，测量系统需要实现稳定点测量功能，即当被测点坐标值稳定后，进行一次测量，之后进入停机等待状态，直到被测点坐标值稳定后才开始下一次测量。由于二次开发包没有提供直接实现该功能的方法，因此需要设计算法来实现该功能。算法如下：

① 判断追踪器当前状态，若追踪器已准备就绪，则测量一次。

② 再次确定跟踪器的状态和上次测量的坐标值。这里我们设定一个坐标范围，如果检测到的坐标值和上次测量的坐标值的差值在这个范围内，就认为测量目标没有移动，继续检测。当待测坐标值和上次测量的坐标值的差值超出给定的范围时，我们就认为测量目标发生了移动。此时如果跟踪器状态已经就绪，待测点稳定，则开始测量一次。

③ 继续等待并检查跟踪器的状态，待状态稳定后返回步骤1。

本发明在判断柔性工装定位器稳定后，能够自动进行测量，减少了人工参与，减少了人工操作带来的误差，能够有效提高装配效率。

以上函数实现了测量系统与激光跟踪仪的通信及跟踪仪的测量功能，系统整体界面如图3所示。

柔性装配系统集成

飞机数字化柔性装配系统由柔性装配测量系统、柔性工装控制系统、柔性工装机械结构组成，系统原理如图4所示[8]。

在实现飞机数字化柔性装配过程中，柔性装配测量系统与柔性工装控制系统之间的数据传输非常重要。只有通过有效的数据传输，并保证传输过程中数据的完整性，才能使测量系统将测量的数据信息实时、准确地传送给工装控制系统，再通过工装控制系统驱动柔性工装变位机运动，实现柔性装配过程。因此，需要实现测量系统与柔性工装控制系统的集成。

本文介绍的主要集成方法是在控制系统开发过程中建立数据接收接口及动态链接库，测量系统通过调用动态链接库中的接口函数与柔性工装控制系统进行数据传输，从而实现测量系统与柔性工装控制系统的集成，实现流程如图5所示。

通过将柔性装配测量系统与柔性工装控制系统集成，最终实现较为完整的数字化柔性装配系统，系统集成结构如图6所示。

集成系统实现了飞机零部件装配的柔性化，以及装配过程中定位、调整、夹紧等任务的数字化控制[9]，有效提高了装配效率和质量。

通过数字化柔性装配技术飞行器数字化装配技术，可以有效提高装配效率和装配质量，从长远来看节约成本、提高经济效益，也能适应激烈的市场竞争和不同的用户需求，提高市场竞争力，逐步缩小我国与国际先进水平的差距。飞机数字化柔性装配是未来飞机制造业发展的必然路径，飞机数字化柔性装配测量系统在整个飞机柔性装配系统中起着重要的辅助作用，研发一套完整的柔性装配测量系统并将其与工装控制系统集成是实现飞机数字化柔性装配系统的关键，对未来飞机制造业的发展具有重要意义。