測量輔助飛機裝配技術

王志巖

摘要：隨著科學技術水平的不斷提高，數字化測量技術已成為現代飛機數字化裝配技術的重要組成部分， 是實現現代飛機制造全數字量傳遞的重要保證之一。本文主要對測量輔助飛機裝配技術進行了分析和探討。

關鍵詞：飛機；測量輔助；數字化；裝配

中圖分類號：V271文獻標識碼： A

前言： 近10余年來，國外飛機裝配技術發展迅速，以B777, A340, A380,F-22, F-35等為代表的新型軍、民機集中反映了國外飛機制造技術的現狀和發展趨勢，在裝配技術上基于單一產品數據源的數字量尺寸協調體系，實施數字化尺寸工程技術，通過裝配仿真實現裝配過程優化，應用柔性模塊化的工裝技術、加工和檢測單元并集成應用為一系列的自動化裝配系統進行機體結構的自動化裝配，大量采用了長壽命連接技術，實現了長壽命飛機結構的高質量、高效率裝配。而在國內，我國飛機裝配技術也取得了非常迅速的發展，并且取得了非常顯著的成績。

一、國內自動化裝配技術在組件、部件、總裝中應用現狀

近幾年，我國航空企業結合新機研制需求開展了壁板自動鉆鉚技術、部件數字化檢測技術、大部件裝配等關鍵技術及裝備的研究和應用，在部件自動化裝配方面開展了有益的嘗試和試驗。

在國內民用航空制造領域，上飛公司通過與國外先進制造企業合作，開始C919飛機部件數字化裝配生產線的設計和建設。而在某型運輸機的研制方面，通過廠、所、高校等多家合作，成功研制了數字化裝配系統應用于前機身、中機身、后機身、平垂尾等部件的裝配，已初步探索出一個飛機部件自動化裝配模式。由此可見，國內航空企業飛機部件自動化裝配技術已有了巨大飛躍。國內目前在新型號飛機牽引下對飛機總裝配的自動化裝配技術，如大部件對接、全機檢測技術等關鍵技術進行了攻關，應用了柔性定位器、激光跟蹤儀、自動鉆孔設備、車間內地面運輸車、空中吊裝運輸系統等設備。

通過對國內外自動化裝配技術應用現狀對比和分析，我國飛機自動化裝配技術的應用面已經從組件裝配拓寬到復雜的部件裝配以及大部件對接過程中，并對飛機自動化總裝配中部分關鍵技術進行了攻關，但亟待在自動化總裝配生產線方面實現整體突破，打造一個完整的飛機自動化裝配線。

二、數字化測量技術

數字化測量技術已成為現代飛機數字化裝配技術的重要組成部分，是實現現代飛機制造全數字量傳遞的重要保證之一。數字化測量設備能夠對待測對象實施快速、精確、自動化的測量，獲取其準確的空間形狀或位姿信息，并能夠對測量結果進行分析評估。在飛機裝配領域，相對于傳統測量設備，數字化測量設備的主要優點包括：

（1）測量范圍大、精度高；

（2）測量過程可通過編程控制；

（3）測量數據數字化，可讀性好；

（4）測量數據具有良好共享性。

目前，飛機部件裝配中常用的先進數字化測量設備主要有激光槍、激光跟蹤儀、激光雷達、整體油箱快速檢漏設備、iGPS等設備。

1、激光槍

在飛機裝配中，需要對大量鉚釘的凹凸量及蒙皮對縫間隙進行精確檢測，而傳統方法壁板間隙和鉚釘平面差是否合格基本按經驗判斷，用肉眼觀看、人工觸摸及使用千分墊測量等方法。這種方法既不準確，效率也低，不能適應現代飛機的高精度要求。在飛機機翼上應用激光槍檢測鉚釘平面差及壁板間隙。激光槍采用先進線形激光掃描，快速截面輪廓實時分析尺寸，結合實時軟件分析功能。準確測量間隙、段差（平面差）、角度、半徑等多個組裝尺寸，測量范圍較小時，測量誤差小于0.1mm。同時還有非接觸測量、設計6~8h連續操作、觸摸屏操作、數據追溯及處理、自動化數據報告等優點。具體測量方法是在GapGun手柄菜單選擇“TOOLKITS”，進入“GapFlush”菜單下測量間隙面差，選擇“PanelGF”菜單，扣動扳機，控制角度和距離，對被測位點輪廓照相采集完成，軟件便會分析處理出數據，并且顯示于觸屏上。測量結果會直觀地顯示出間隙及平面差的數值，操作簡單方便，效率較高。激光槍的應用改變了傳統的檢測方法，由定性轉變為定量，可以直觀的檢測出間隙及段差的具體數值。

2、激光跟蹤儀

飛機對合過程較復雜，傳統方法是在型架上完成，先將前、中、后機身的若干銷子插好，此時僅有少許余量，安裝過渡段的梁及其他零件，通過經驗人工調整托架，將所有零件安裝到位后，即完成對合狀態。這種方法對工人要求較高，需要有豐富的經驗，調整時人為因素干預太多，同時可能會產生應力。

目前，飛機對合采用大部件數字化對接裝配系統，利用若干個激光跟蹤儀對部件的姿態進行跟蹤測量，確保自動化對接的高準確度，并通過對接后的全機測量評價裝配質量。激光跟蹤儀測量速度快、精度高、測量范圍大，是許多大型精密測量工程的首選。使用數字化對合以及精加工系統后，將激光跟蹤儀放置在飛機的兩側，地面有若干地標點（理論值已知），轉站（坐標系轉換）后分別測量前、中、后機身的靶標點、交點孔及工藝孔，得到飛機各段的姿態。平臺移動模塊根據對接部件的位姿信息，驅動平臺和POGO柱運動。首先，前機身與中機身對接，驅動前機身工裝平臺運動到指定位置實現對合，接著，后機身再與前中機身對合，驅動后機身工裝平臺移動到指定位置。對合時部件對接運動方向垂直于對接面，從而實現大部件間無干涉對接裝配。對合精加工后，使用激光跟蹤儀搭配T-Probe完成水平測量點的打制工作。激光跟蹤儀不僅可在飛機對合階段使用，在部件裝配過程中，作為檢測工具，完成測量裝配型架或零件的誤差、協助解決裝配過程中的問題等工作。例如：某飛機中機身腹板接頭、主起落架護板接頭在安裝過程中發現無法安裝，初步認為是工人制孔及安裝問題。使用激光跟蹤儀對零件及型架分別進行測量，發現零件的尺寸有偏差，但是均符合公差要求，而型架各護板尺寸有問題，偏差較大導致零件無法安裝。之后對型架進行返修后完成裝配。通過該例就很明顯會發現使用數字化測量設備的優點是能夠極快地發現并解決問題，同時通過數據避免了扯皮等現象的發生。

3、激光雷達

激光雷達是一種球坐標系的測量系統，具有對半徑達到60m的大體積目標進行自動化、非接觸的測量能力，是新一代的測量裝置。測量大尺寸幾何外形不需要照相測量的圓形靶點貼片，也不需要激光跟蹤儀安裝的貓眼反射鏡或探頭。在質量控制領域，激光雷達可用于部件檢查、進貨過程和最終質量保證。

激光雷達與激光跟蹤儀應用基本相似，但可以完成一些激光跟蹤儀無法完成的工作，例如對無法安裝靶標座位置的測量工作及對曲面的掃描（激光跟蹤儀沒有T-Scan配件）。目前在飛機裝配中已應用的例子包括：某飛機機翼水平測量點的檢測、機翼外形的檢測、機器人噴涂對整機外形的測量、全機水平測量等。

（1）機翼水平測量點打制

飛機的水平測量點是進行飛機的校平、機翼的校裝及測試飛行前后飛機外形材料的變化情況等的重要依據。傳統的水平測量點打制都是在型架上使用打點器進行打制的。具體方法是將機翼固定在型架上，將打點器工裝安裝好，打制成功后直接讀取刻度，減去外緣誤差，即為水平測量點的數據。但是這種方法效率低，打點器工裝的安裝和拆卸都會占用時間，另外打制時讀取刻度存在誤差。針對生產中的這種情況，我們采用數字化檢測設備對機翼的水平測量點進行打制，避免訂制工裝，將極大的減少生產準備時間。根據所需測量的水平測量點的位置分布特點，制定出測量計劃，由于被測物體確定且所選定的測量點固定，本測量計劃確定后可重復使用。

坐標系的建立是采用型架上的基準點來確定的。將型架上事先打制好的基準點的測量數據與理論數據進行轉站，建立的坐標系即為飛機坐標系。

具體測量方法為：先將水平測量點理論數據輸入/導入SA軟件，再通過測量型架上的基準點與理論點轉站，使坐標系轉化為飛機坐標系。通過指光功能，將水平測量點的位置指出，由工人打制。再重新將水平測量點的值與理論值進行對比，得出水平測量點外形高差結果，生成報告。為了減少轉站次數，提高測量的精度和測量效率，激光雷達測量系統放置于能一次測量到轉站點和水平測量點的位置。

（2）機翼外形檢測

機翼的外形檢測主要是訂制專用的工裝：外形檢查卡板。這種卡板不但笨重，而且精確度較差，它只能測出機翼外表面的形狀是否滿足設計要求，無法測量機翼外表面位置是否處在數模所規定正確的位置上。并且這種卡板往往只能適應特定的機型。飛機產品的外形或結構發生改變時，必須重新訂制大量的專用工裝以及與之配套的樣板、樣件等，這都增加了生產成本，延長了生產準備周期。

目前使用激光雷達對機翼外形進行檢測。檢測方法與水平測量點打制方法大致相同。通過測量型架上的基準點與理論點轉站，使坐標系轉化為飛機坐標系，掃描機翼外形。在CATIA中將掃描得到的點云與數模比對，得到所需要的數據。

4、整體油箱快速檢漏設備

飛機整體油箱傳統的檢漏方法采用氣密試驗和油密試驗。氣密試驗用于檢測整體油箱的整體泄露情況，傳統方法存在無法定量、檢測精度低、檢測結果受人員因素影響大等問題；油密實驗用于查找單點漏源位置，同樣存在無法定量、易燃、污染嚴重、勞動強度大、成本高等問題。

整體油箱快速檢漏設備，是針對飛機整體油箱的泄露檢測需要而專門研制的泄漏檢測設備。該設備通過差壓檢漏技術隊飛機整體油箱的總漏率進行檢測，通過氦質譜檢漏技術隊飛機整體油箱的單點漏源進行查找、對單點漏源漏率進行檢測。

使用整體油箱快速檢漏設備后，克服了傳統檢漏方法的不足，檢測精度高、效率高、安全可靠，提高了整體油箱的泄漏檢測水平。

三、結語

數字化測量技術的應用不僅限于目前國內逐步開始實施的大型數字化項目，在部件裝配的每一個環節都可以使用，深入到技術、生產、質保體系中，來監控和保證各個環節的精度。使用數字化測量技術，不僅保證了飛機裝配準確度、提高了生產效率，同時實現了飛機產品從零件設計到裝配過程的全數字量傳遞。

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