大型飞机装配中的数字化测量系统分析和研究

现代飞行器设计正在向着结构整体化、零件大型化、制造精密化的方向发展，如大型飞机机身直径可达5m，翼展超过50m，运载火箭芯级直径更是早已超过5m，这不仅加大了零件制造的难度，还提高了对装配的质量要求。

　　国外装配技术的发展非常迅速，采用先进数字化技术来实现其精准装配，大量使用了数字化定义模型和光学测量定位技术、设备。国内飞机制造和装配方面还较薄弱，主要是因为在很高装配精度要求下没有系统的研究和运用，没有形成一套完整的体系。因此本文将详细论述大型飞机数字化装配中的数字化测量系统（Digital Measurement System，DMS）。

　　数字化测量系统的特点与原理

　　数字化测量系统是利用数字化设备和技术，以计算机控制来完成自动、快速、精准的测量目的、任务和工作的一套组织体系。其作用和优势主要包括以下几点：

　　（1）具有可进行大型测量工作的能力。这对于当今飞机、宇宙飞船、运载火箭等飞行器的尺寸在不断增大的状况，更有价值。

　　（2）虽然DMS比较复杂、成本较高，但是其使用生命周期长，长期运用在高成本的飞行器制造业中，从整个周期成本算来，其成本反而得到极大的节省。

　　（3）能够简化工装，使之具有更强的通用性和柔性。如应用激光跟踪仪实现无定位件装配方案。

　　（4）能够完成更加复杂的形位测量任务。其动态实时测量能力可以完成多目标点位置数据的同时反馈与控制。

　　DMS采用的数字化测量设备有激光跟踪仪、摄影测量仪、雷达扫描仪和iGPS等。它们的测量原理都是通过控制被测物体的6个自由度来确定其空间位姿的。在装配设计和制造过程中，在产品或工装的主要平面上预先设计出3个光学工具点（Optical Tooling Points，OTP），并给出该产品或工装在正确位置上时这3点的理论坐标值，再由数字测量设备测量这3点，并通过计算机计算出各点的实际坐标值。由于实际值和理论值之间存在误差，适当调整装配对象的位置使测量实际值逐渐逼近理论值，当每个点的实际坐标值达到设计给定的理论坐标值的公差范围内时，即确定了产品或工装在装配中的空间正确位置。

　　数字化测量系统工作时还需坚持4个原则，即3-2-1原则、自由度分离原则、公差分配原则和主要平面选取原则。

　　DMS将计算机、数字化测量设备和其他各种软硬件，以及数字化测量手段融为一体，共同工作完成装配任务。其在装配中的应用原理如图1所示。从该工作流程框架图中可以看到，DMS大致包含三大块内容：

（1）计算机辅助测量样机设计系统环境（Computer Aided Measurement Mock-up Design System Environment， CAMMDSE）；

　　（2）测量系统环境（Measuring System Environment， MSE）；

　　（3）测量使用系统环境（Meas-uring Exploitation System Environment， MESE）。

　　计算机辅助测量样机设计系统环境

　　CAMMDSE主要是根据数字化测量需要，以产品（零部件、工装）为核心，对产品设计的三维数字模型库扩展与重组，生成以测量为目的的三维数字模型（数字样机），并包括工装的测量模型定义，初步建立有关测量方案、程序编制等的参数及文件。整套工作以计算机为依托，形成一套完整的设计环境。主要包含以下工作内容：

　　1建立测量数字模型库

　　它是一套包含数字模型的测量数据集，应用于数字化测量的各个环节，也可用做装配后期检验数据集的依据。其建立过程如图2所示，建立依据是工程数据集。

　　从工程数据集中分离出2类模型信息：几何信息和非几何信息。几何信息即几何模型，主要是产品的三维空间图形，包括辅助的点、线和面等。

　　在生成测量用三维数字模型时可以根据需要对这些信息进行增删，提取所需的点线面信息，并基于此生成必要的测量三维数字信息。所有与测量相关的非几何信息都是以属性的形式出现的。根据所需描述的对象不同，可以将非几何信息内容分为以下几个方面：反映装配产品结构的属性信息，反映装配工艺要求的属性，反映测量环境的属性，检验文本和其他属性信息（如反映产品测量材料的属性等）。

　　另外，所建立和派生出的测量信息，还要经过审查部门和审查人员的校核。校核无误的情况下方可入库，确立测量用装配数字样机。在测量数字模型库建立过程中，还可对工程数据集和测量数字模型进行修正。

　　2 工装与工具定义

工装与工具定义是对工艺人员已经完成的工装、工具的装配模型的补充设计与完善。在飞机制造厂里有专门的工艺结构设计部门或科室，一般各个厂间也都有负责制造和装配的工艺人员组成的团队，他们的工作之一就是对设计单位发放的产品工程数据进行工装设计。而这里就是为了完成测量的需要，对这些设计好了的