飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)研究*

柯臻錚，柯 巖，朱偉東

（1.浙江大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，杭州 310007；2. 浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310007）

在飛機(jī)大部件對(duì)接中通常采用高密度多方向螺栓連接方法進(jìn)行大部件間的固連，因此孔的制備加工與質(zhì)量控制對(duì)保證飛機(jī)成品質(zhì)量至關(guān)重要。傳統(tǒng)的飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼大部件的對(duì)接通過工裝和工藝補(bǔ)償來保證機(jī)身與機(jī)翼對(duì)接的協(xié)調(diào)[1]。即在對(duì)接部位預(yù)留余量，然后人工操縱吊車，將機(jī)翼大部件吊裝至特定的工裝夾具上，再通過人工操作機(jī)床進(jìn)行精加工[2]。近年來，孔精加工系統(tǒng)則向數(shù)字化方向發(fā)展[3]，例如，廖海鵬等[4]設(shè)計(jì)了環(huán)形軌系統(tǒng)；Mei等[5]設(shè)計(jì)了雙側(cè)機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)；吳朋等[6]設(shè)計(jì)的爬行孔精加工系統(tǒng)。但上述孔精加工系統(tǒng)只能對(duì)單一部件進(jìn)行孔精加工工作，無法在飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工任務(wù)中配合其他部件進(jìn)行孔的精加工操作。因此，需要開發(fā)出一套針對(duì)飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼大部件對(duì)接的孔精加工系統(tǒng)。

將自動(dòng)導(dǎo)引車（Automated guided vehicle，AGV）與機(jī)器人或移動(dòng)生產(chǎn)線相結(jié)合，可以有效提高生產(chǎn)質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間[7]。EI公司將工業(yè)機(jī)器人安裝在可移動(dòng)AGV平臺(tái)上，用來進(jìn)行飛機(jī)的原位裝配以及鉆鉚[8]；張?jiān)浦镜萚9]將末端孔精加工執(zhí)行器裝載在AGV上，對(duì)大飛機(jī)翼盒進(jìn)行數(shù)字化制孔。由此可以發(fā)現(xiàn)一種飛機(jī)機(jī)翼對(duì)接孔精加工的新思路，即在飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)中引入AGV平臺(tái)。重載AGV平臺(tái)夾持機(jī)翼大部件，運(yùn)輸至指定區(qū)域，完成機(jī)翼大部件的對(duì)接，安裝在AGV平臺(tái)上的孔精加工系統(tǒng)對(duì)預(yù)制孔進(jìn)行精加工操作。

但上述基于AGV的孔精加工系統(tǒng)僅將AGV平臺(tái)作為移動(dòng)系統(tǒng)，其底盤并不具備攜帶負(fù)載的能力。為了保證AGV可以攜帶飛機(jī)機(jī)翼及精加工系統(tǒng)等負(fù)載，需要論證AGV平臺(tái)的帶負(fù)載能力。Vale等[10]分析了重載AGV系統(tǒng)在多種工況下AGV車體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。金鵬[11]基于AGV平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在重載環(huán)境中對(duì)AGV平臺(tái)尺寸進(jìn)行優(yōu)化。蔣君俠等[12]針對(duì)飛機(jī)裝配過程中需要進(jìn)行柔性運(yùn)輸裝配并在承載狀態(tài)下裝配加工的問題，提出了一種基于重載AGV平臺(tái)的裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。由此證明，AGV平臺(tái)具有帶負(fù)載能力，可以將其應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼對(duì)接。

本文基于上述思路，設(shè)計(jì)了一種飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)。將AGV技術(shù)引入其中，重載AGV平臺(tái)運(yùn)輸機(jī)翼大部件至指定區(qū)域，完成機(jī)翼大部件的對(duì)接；再借助AGV平臺(tái)上的孔精加工系統(tǒng)完成孔的精加工工作；最后將其部署于生產(chǎn)線中，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可以完成飛機(jī)大部件對(duì)接與孔精加工任務(wù)。

1 飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)

飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)是一種借助激光測(cè)距儀保證定位精度，基于重載AGV可帶負(fù)載式的數(shù)字化精加工系統(tǒng)，如圖1所示。本系統(tǒng)主要由多自由度孔精加工系統(tǒng)、位姿定位系統(tǒng)、AGV平臺(tái)、激光測(cè)距儀、機(jī)翼柔性定位工裝及集成控制平臺(tái)6部分構(gòu)成。

圖1 飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)Fig.1 Docking and finishing system of large aircraft parts

飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)的主要任務(wù)是精加工機(jī)身與機(jī)翼的連接孔，使連接孔的定位精度、尺寸精度、表面粗糙度滿足設(shè)計(jì)要求。位姿定位系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼的pitch軸、yaw軸、roll軸定位，多自由度孔精加工系統(tǒng)完成X軸、Z軸定位。在激光跟蹤儀及布置在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的增強(qiáng)參考點(diǎn)的引導(dǎo)下AGV搭載孔精加工系統(tǒng)到達(dá)加工作業(yè)區(qū)域，然后完成孔的精加工工作。本文將從機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)3方面展開介紹。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)由位姿定位系統(tǒng)、多自由度孔精加工系統(tǒng)、激光跟蹤儀、AGV平臺(tái)等多個(gè)獨(dú)立單元組成。對(duì)每個(gè)獨(dú)立單元采用模塊化設(shè)計(jì)，在滿足精加工孔的定位精度與幾何精度的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)高效化的孔精加工作業(yè)，同時(shí)也便于故障的診斷與排查。

1.1.1 多自由度孔精加工系統(tǒng)

在飛機(jī)孔精加工過程中，孔精加工系統(tǒng)是決定孔精度和加工效率的核心單元[13]。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路對(duì)孔精加工系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以減少外部環(huán)境對(duì)孔精度的影響。多自由度孔精加工系統(tǒng)主要由孔精加工單元、X軸和Z軸進(jìn)給單元、孔精加工定位單元、視覺檢測(cè)單元、鉆模板與試切臺(tái)組成，如圖2所示。

圖2 多自由度孔精加工系統(tǒng)Fig.2 Hole finishing system of multi-degree of freedom

多自由度孔精加工系統(tǒng)的主要功能如下：（ 1）孔的精加工；（ 2）孔定位精度的保證（單元基準(zhǔn)定位）；（ 3）孔幾何精度的保證；（4）精加工前刀具的試切；（5）刀具的浮動(dòng)尺寸位置補(bǔ)償；（6）計(jì)算機(jī)視覺實(shí)時(shí)修正孔位置。

在精加工前，為了保證所加工孔的定位精度，孔精加工定位單元需要和地面上的激光測(cè)距儀完成單元基準(zhǔn)的定位。同時(shí)為了補(bǔ)償孔精加工單元因采用兩端支撐方式受到力、熱影響發(fā)生變形而造成的誤差，采用浮動(dòng)刀柄設(shè)計(jì)，使刀柄可以在平行于軸向內(nèi)浮動(dòng)或在垂直空間內(nèi)角度浮動(dòng)或同時(shí)兼具這兩種浮動(dòng)以補(bǔ)償因機(jī)床熱變形、工件安裝、鉸刀等在水平軸向或在垂直空間內(nèi)產(chǎn)生的誤差，消除預(yù)制孔存在的固有偏差導(dǎo)致的刀柄受力不均的問題。

1.1.2 位姿定位系統(tǒng)

由于需要確定精加工孔的軸線，且因孔精加工單元不具備pitch軸、yaw軸、roll軸轉(zhuǎn)動(dòng)能力。因此在本系統(tǒng)中使用位姿定位系統(tǒng)來控制飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼的pitch軸、yaw軸、roll軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整飛機(jī)與機(jī)翼的位姿，保證鉆頭軸線與精加工孔的理論軸線誤差滿足幾何精度要求。

位姿定位系統(tǒng)由機(jī)身位姿定位器與機(jī)翼位姿定位器組成，每個(gè)位姿定位器均由1臺(tái)前點(diǎn)支撐調(diào)姿定位器與2臺(tái)后點(diǎn)支撐調(diào)姿定位器組成，如圖3所示。為了保證加工時(shí)飛機(jī)的安全，支撐調(diào)姿定位器通過梯形絲杠傳動(dòng)。在前定位器Y軸的頂部設(shè)有氣缸頂升組件，頂升氣缸將球頭組件向上頂升至最大行程后，兩側(cè)的鎖緊氣缸通過楔塊上的斜面支撐住頂升軸，用來保證失去動(dòng)力時(shí)，位姿定位器以機(jī)械自鎖的方式鎖住飛機(jī)，防止墜落。

圖3 機(jī)身位姿定位系統(tǒng)Fig.3 Positioning system of fuselage posture

1.1.3 AGV平臺(tái)

AGV平臺(tái)作為一種全向移動(dòng)平臺(tái)，具有設(shè)備搭載、獨(dú)立懸掛、視覺導(dǎo)航、自動(dòng)尋位、全向行走等功能。機(jī)翼借助AGV平臺(tái)上搭載的機(jī)翼位姿定位系統(tǒng)保持固定，如圖4所示。

圖4 AGV平臺(tái)Fig.4 Platform automated guided vehicle

AGV平臺(tái)利用麥克納姆輪在激光測(cè)距儀的引導(dǎo)下完成在工作區(qū)域內(nèi)的全向移動(dòng)，并采用氣墊作為輔助支撐方式，防止麥克納姆輪過載引起輪子形變，導(dǎo)致AGV平臺(tái)行走時(shí)產(chǎn)生位置偏差。當(dāng)AGV平臺(tái)在到達(dá)機(jī)翼對(duì)接位置時(shí)，會(huì)放下自適應(yīng)撐腳和電磁輔助撐腳，保證平臺(tái)與地面充分接觸，增強(qiáng)平臺(tái)的穩(wěn)定性。

1.1.4 激光測(cè)距儀

現(xiàn)代飛機(jī)裝配中通過應(yīng)用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)及系統(tǒng)保證飛機(jī)的裝配精度[14]。目前主流的大尺寸精密測(cè)量技術(shù)有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光跟蹤儀和室內(nèi)GPS、激光雷達(dá)等[15]。相較其他的測(cè)量方式，激光測(cè)距儀具有以下優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)性能好，測(cè)量范圍可達(dá)35 m，適合飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工工作；測(cè)距精度高，能夠滿足精加工孔定位精度要求。因此，本系統(tǒng)采用激光跟蹤儀作為測(cè)量方法。在飛機(jī)與地面上布置3個(gè)測(cè)量站位、若干增強(qiáng)參考系統(tǒng)（Enhanced referenced system，ERS）基準(zhǔn)點(diǎn)，通過激光測(cè)距儀產(chǎn)生與激光源相干涉的激光，配合水平軸與豎直軸編碼器對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行非接觸式測(cè)量，然后由極坐標(biāo)換算出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，完成對(duì)多自由度孔精加工系統(tǒng)、位姿定位系統(tǒng)、AGV平臺(tái)的精確測(cè)量。

1.1.5 機(jī)翼柔性定位工裝

機(jī)翼柔性定位工裝由外翼調(diào)姿托架、型面支撐塊和真空吸盤組成，如圖5所示。以機(jī)翼蒙皮外表面為基準(zhǔn)進(jìn)行定位，通過改變型面支撐塊的不同高度，適應(yīng)不同種類機(jī)翼的裝配加工，從而提升總裝生產(chǎn)線的柔性程度。為了保護(hù)機(jī)翼，外翼調(diào)姿托架上采用多點(diǎn)真空吸附盤固持機(jī)翼，防止加工時(shí)顫振導(dǎo)致機(jī)翼與機(jī)翼調(diào)姿定位器剛性接觸造成的機(jī)翼劃傷。

圖5 機(jī)翼柔性定位工裝Fig.5 Positioning system of flexible wing

1.2 控制系統(tǒng)

飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同配合的復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)成。因此需要明確子系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)流、子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流的內(nèi)容與流向?？刂葡到y(tǒng)部分是由位姿控制系統(tǒng)、多自由度孔精加工控制系統(tǒng)、AGV平臺(tái)控制系統(tǒng)和數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)4部分組成。集成控制系統(tǒng)建立起操作工人與上述子系統(tǒng)之間的聯(lián)系。

通過工業(yè)以太網(wǎng)和子系統(tǒng)接口，連接集成控制平臺(tái)與子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在操作人員輸入指令后，集成控制平臺(tái)處理輸入指令，將整體任務(wù)分解為每個(gè)子系統(tǒng)可執(zhí)行的子任務(wù)，并下發(fā)給所對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)。

位姿定位系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)得到控制信息后，處理控制信息并進(jìn)行每個(gè)位姿定位器的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)求解、軌跡規(guī)劃與位姿插補(bǔ)算法的計(jì)算；然后將求解得到的位姿定位器的位姿動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)通過PCI總線傳輸?shù)轿蛔硕ㄎ黄鲀?nèi)部的Simotion運(yùn)動(dòng)控制卡中。運(yùn)動(dòng)控制卡在得到上述數(shù)據(jù)信息后，通過Profinet實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)各軸的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制，最終控制位姿定位器至預(yù)定位置，完成位姿定位系統(tǒng)從子任務(wù)接收到執(zhí)行的過程。

由于孔精加工過程不需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解計(jì)算，且多自由度孔精加工系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立模塊，具有高度的自主決策能力。因此孔精加工工作的任務(wù)數(shù)據(jù)通過交換機(jī)，從工業(yè)以太網(wǎng)上加載至孔精加工系統(tǒng)嵌入式PC機(jī)中。嵌入式PC機(jī)直接通過EtherCat總線對(duì)孔精加工執(zhí)行元件進(jìn)行控制。X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)控制器與孔精加工執(zhí)行元件間通過SynqNet總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。上述數(shù)據(jù)的傳輸方式，使得孔精加工系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確高效地執(zhí)行集成控制平臺(tái)下發(fā)的子任務(wù)，并且能夠反饋各個(gè)部分的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

AGV平臺(tái)控制系統(tǒng)通過借助無線電接收集成控制平臺(tái)下發(fā)的子任務(wù)。AGV平臺(tái)上搭載的工業(yè)攝像機(jī)則收集底盤四周實(shí)時(shí)情況，識(shí)別地面上路徑導(dǎo)航的色帶及二維碼，將信號(hào)傳輸至AGV平臺(tái)控制系統(tǒng)中，用以實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃。

數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)采用激光跟蹤儀作為測(cè)量方法，在飛機(jī)與地面上布置3個(gè)測(cè)量站位、若干ERS基準(zhǔn)點(diǎn)。對(duì)于不同的測(cè)量位置采用不同的測(cè)量方案，運(yùn)用Tprobe測(cè)量方法進(jìn)行機(jī)身水平測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)定；采用機(jī)翼交點(diǎn)孔測(cè)量依據(jù)進(jìn)行左右機(jī)翼的調(diào)姿；以鉆模板為基準(zhǔn)進(jìn)行左右機(jī)翼入位后的精加工工作。激光跟蹤儀將其所獲取到的地面ERS點(diǎn)與測(cè)量部件上的位姿檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)、設(shè)備基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸總線上傳至工業(yè)以太網(wǎng)，通過集成控制平臺(tái)下載上述數(shù)據(jù)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與坐標(biāo)變換工作。

1.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的集成核心是飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工集成系統(tǒng)，如圖6所示。飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工集成系統(tǒng)分為對(duì)外部的信息交互和內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算工作。對(duì)外通過通信接口模塊與控制系統(tǒng)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的上傳與系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的下載；通過用戶接口模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與控制命令的傳遞；通過與中立區(qū)服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)孔精加工生產(chǎn)數(shù)據(jù)及工藝數(shù)據(jù)的獲取與架次生產(chǎn)過程及報(bào)告數(shù)據(jù)的上傳工作。

圖6 飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工集成系統(tǒng)Fig.6 Docking and finishing integration system of large aircraft parts

對(duì)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，系統(tǒng)由位姿控制系統(tǒng)、數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)、孔精加工工藝系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)組成。其中位姿控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)整飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼的pitch軸、yaw軸與roll軸位姿，使孔軸線與鉆頭軸線重合，從而滿足孔的幾何精度要求。集成系統(tǒng)發(fā)送任務(wù)指令及部件姿態(tài)數(shù)據(jù)至位姿控制系統(tǒng)中，位姿系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后反饋調(diào)姿結(jié)果至集成系統(tǒng)中。位姿控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等功能。通過用戶接口獲取所需位姿數(shù)據(jù)，然后路徑規(guī)劃模塊完成路徑規(guī)劃，并將路徑數(shù)據(jù)傳輸至運(yùn)動(dòng)控制模塊與網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

孔精加工工藝系統(tǒng)模塊完成孔精加工過程中數(shù)據(jù)的處理分析與異常事件的監(jiān)控報(bào)告。通過其所包含的子模塊，實(shí)現(xiàn)孔精加工過程中從任務(wù)接收、信息采集、計(jì)算與模擬、試切臺(tái)試切到最終實(shí)現(xiàn)孔精加工全流程。同時(shí)監(jiān)控孔的精加工全流程，并對(duì)生產(chǎn)開展異常時(shí)間進(jìn)行反饋、記錄與分析的工作，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)。

對(duì)多自由度的孔精加工系統(tǒng)的數(shù)字化測(cè)量是保證孔精加工精度的關(guān)鍵。集成系統(tǒng)發(fā)送測(cè)量命令和特征數(shù)據(jù)至數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)中，數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)通過與SASDK、SA界面和Catia 3種軟件界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將所測(cè)量的數(shù)據(jù)反饋至集成系統(tǒng)中，并在數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)中完成系統(tǒng)設(shè)置、測(cè)量儀器連接、標(biāo)尺檢查、漂移檢查、裝配測(cè)量和報(bào)告打印等工作。

2 孔精加工過程中的數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)坐標(biāo)系構(gòu)建

在航空裝配領(lǐng)域采用巧妙的坐標(biāo)變換、誤差補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢燥@著提高對(duì)接精度[16-17]。本系統(tǒng)中包含飛機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系、飛機(jī)機(jī)翼坐標(biāo)系及精加工系統(tǒng)坐標(biāo)系、AGV平臺(tái)坐標(biāo)系等多個(gè)坐標(biāo)系。使用最優(yōu)的坐標(biāo)變換方式可以顯著的降低因不同坐標(biāo)系統(tǒng)變換所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差[18]。如圖7所示，本系統(tǒng)按對(duì)接精加工的順序進(jìn)行坐標(biāo)的構(gòu)建。其中，矩陣TW– M為大地坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系之間的變換矩陣；矩陣TP–W為大地坐標(biāo)系與產(chǎn)品坐標(biāo)系之間的變換矩陣；矩陣TD – W為大地坐標(biāo)系與設(shè)備坐標(biāo)系之間的變換矩陣。

圖7 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的坐標(biāo)構(gòu)建Fig.7 Coordinate construction of digital measurement system

2.2 設(shè)備坐標(biāo)系與產(chǎn)品坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換

根據(jù)上述數(shù)字化系統(tǒng)的坐標(biāo)系構(gòu)建可知，在本系統(tǒng)中需要通過坐標(biāo)變換來構(gòu)建出大地坐標(biāo)系、測(cè)量坐標(biāo)系、產(chǎn)品坐標(biāo)系和設(shè)備坐標(biāo)系四者之間的關(guān)系。由于多自由度孔精加工系統(tǒng)是一個(gè)高度自主決策性的模塊化單元。因此在孔精加工過程中，構(gòu)建多自由度孔精加工系統(tǒng)的設(shè)備坐標(biāo)系與飛機(jī)裝配體的產(chǎn)品坐標(biāo)系之間的聯(lián)系尤為重要。如圖8所示，借助大地坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)系的重構(gòu)建。其中{O0-X0Y0Z0}坐標(biāo)系是大地坐標(biāo)系，{O1-X1Y1Z1}坐標(biāo)系是飛機(jī)裝配體的產(chǎn)品坐標(biāo)系，根據(jù)三維齊次坐標(biāo)變換原理，建立二者的聯(lián)系。

圖8 設(shè)備坐標(biāo)系與產(chǎn)品坐標(biāo)系構(gòu)建Fig.8 Equipment coordinate system and product coordinate system construction

式中，M為齊次變換矩陣；R為旋轉(zhuǎn)矩陣；T為平移矩陣；R01為從坐標(biāo)系{O0-X0Y0Z0}到{O1-X1Y1Z1}坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣；T01為從坐標(biāo)系{O0-X0Y0Z0}到坐標(biāo)系{O1-X1Y1Z1}的平移矩陣。

式中，d1、d2和d3為大地坐標(biāo)系原點(diǎn)O0與產(chǎn)品坐標(biāo)系原點(diǎn)O1之間沿X軸、Y軸、Z軸方向上的距離。

同理可得大地坐標(biāo)系{O0-X0Y0Z0}到孔精加工系統(tǒng)坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}的變換矩陣0M2。由于大地坐標(biāo)系與孔精加工系統(tǒng)之間沒有空間旋轉(zhuǎn)，R02為3×3單位矩陣，平移矩陣T02為

式中，d4、d5和d6為大地坐標(biāo)系原點(diǎn)O0孔精加工系統(tǒng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O2之間沿X軸、Y軸、Z軸方向上的距離。

可得孔精加工系統(tǒng)坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}與鉆頭的設(shè)備坐標(biāo)系{O3-X3Y3Z3}的變換矩陣2M3。R23為3×3單位矩陣，平移矩陣T23為

式中，d7、d8和d9表示孔精加工系統(tǒng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O2與鉆頭設(shè)備坐標(biāo)系原點(diǎn)O3（刀尖點(diǎn)）之間沿X軸、Y軸、Z軸方向上的距離。

通過上述矩陣變換可得鉆頭的設(shè)備坐標(biāo)系{O3-X3Y3Z3}與飛機(jī)裝配體的產(chǎn)品坐標(biāo)系{O1-X1Y1Z1}的關(guān)系為

在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境允許的情況下，根據(jù)上述3次三維齊次坐標(biāo)變換，完成孔精加工系統(tǒng)中鉆頭的設(shè)備坐標(biāo)系在飛機(jī)裝配體的產(chǎn)品坐標(biāo)系中的建立。并且由于只采用一次空間坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，可以最大程度上減少因求解矩陣的逆產(chǎn)生的舍入誤差對(duì)系統(tǒng)的影響。

2.3 基于機(jī)器視覺的孔位修正

在飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)預(yù)制孔位置和理論位置之間出現(xiàn)偏差的情況。這就需要對(duì)預(yù)制孔位置坐標(biāo)偏差進(jìn)行修正。預(yù)制孔的孔位修正示意圖如圖9所示。

圖9 基于機(jī)器視覺的孔位修正Fig.9 Hole location correction based on machine vision

使用機(jī)器視覺對(duì)孔精加工位置進(jìn)行檢測(cè)，通過消除預(yù)制孔實(shí)際位置與理論位置的偏差，來提高孔精加工的定位精度。F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)n表示第1個(gè)孔至第n個(gè)孔的理論位置；F1'，F(xiàn)2'，F(xiàn)3'，…，F(xiàn)n'表示孔實(shí)際位置；表示孔實(shí)際位置的矢量坐標(biāo)表示預(yù)制孔中心偏離孔理論位置的偏移矢量；表示實(shí)際孔精加工中心位置偏離孔理論位置的偏移矢量。在制第n個(gè)孔時(shí)考慮到預(yù)制孔徑小于孔的設(shè)計(jì)尺寸，因此在保證預(yù)制孔輪廓線在孔實(shí)際位置輪廓線內(nèi)的情況下，應(yīng)盡可能使孔實(shí)際位置回歸孔的理論位置，即保證：

通過式（7），可以根據(jù)前1～n- 1個(gè)孔的視覺測(cè)量坐標(biāo)，實(shí)時(shí)回歸第n個(gè)孔的位置坐標(biāo)，提高第n個(gè)孔的位置坐標(biāo)精度。

3 飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 飛機(jī)大部件對(duì)接作業(yè)流程

在孔精加工工作前，需完成飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼大部件的pitch軸、yaw軸、roll軸三軸定位、對(duì)接，以及AGV平臺(tái)移動(dòng)站位與飛機(jī)同多自由度的孔精加工系統(tǒng)的數(shù)字化測(cè)量工作，具體流程圖如圖10所示。

圖10 精加工前飛機(jī)大部件對(duì)接作業(yè)流程Fig.10 Operation flow of large aircraft parts docking before finishing

在飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工集成系統(tǒng)中，用戶設(shè)置任務(wù)輸入?yún)?shù)，然后將飛機(jī)機(jī)身運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?，再頂升到預(yù)定位置后，利用激光跟蹤儀測(cè)量飛機(jī)機(jī)身的實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)。通過位姿定位系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)機(jī)身的位姿進(jìn)一步調(diào)整，并將數(shù)據(jù)反饋至孔精加工控制系統(tǒng)中，然后將飛機(jī)機(jī)翼通過真空吸盤柔性安裝在AGV平臺(tái)上。機(jī)翼固定好后，通過AGV平臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行路徑規(guī)劃。飛機(jī)機(jī)翼和AGV平臺(tái)根據(jù)規(guī)劃好的路徑移動(dòng)至指定位置后，激光跟蹤儀測(cè)量飛機(jī)機(jī)翼定位系統(tǒng)的時(shí)實(shí)位姿數(shù)據(jù)，并對(duì)飛機(jī)機(jī)翼位姿進(jìn)一步調(diào)姿。待飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼均處于理想裝配位置時(shí)，安裝飛機(jī)側(cè)上連接螺栓，機(jī)翼與機(jī)身初步剛性固定連接，然后通過位姿定位系統(tǒng)測(cè)量多自由度的孔精加工系統(tǒng)的位姿，并返回位姿數(shù)據(jù)至飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工集成系統(tǒng)中。精加工集成系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)機(jī)身、飛機(jī)機(jī)翼、多自由度孔精加工系統(tǒng)的位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字坐標(biāo)系的構(gòu)建。最后完成飛機(jī)孔精加工任務(wù)的規(guī)劃，并將孔精加工規(guī)劃文件加載至多自由度孔精加工系統(tǒng)中，完成孔精加工前的準(zhǔn)備工作。

3.2 多自由度孔精加工系統(tǒng)作業(yè)流程

在孔精加工作業(yè)中，位姿定位系統(tǒng)主要保證孔軸線的空間立體角度的精度。AGV平臺(tái)是作為支撐飛機(jī)裝配體及運(yùn)送裝配體的輔助移動(dòng)平臺(tái)，需要依靠孔精加工系統(tǒng)滿足孔的X軸和Z軸坐標(biāo)的定位精度，同時(shí)孔精加工系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的加工單元，可以獨(dú)立加載孔精加工任務(wù)文件，并執(zhí)行孔精加工工作。

多自由度孔精加工系統(tǒng)在加載任務(wù)文件后，首先要在試切臺(tái)進(jìn)行試切，如果試切有問題則中止程序，并反饋故障信息至孔精加工工藝系統(tǒng)中；如試切無誤，則繼續(xù)孔精加工工作。在加工過程中還會(huì)利用機(jī)器視覺實(shí)時(shí)檢測(cè)已加工孔的邊緣圖像，計(jì)算出已加工孔的中心坐標(biāo)，并實(shí)時(shí)對(duì)未加工孔位置進(jìn)行修正。在完成一個(gè)孔的加工任務(wù)后修正位置文件，并循環(huán)上述工作。多自由度的孔精加工系統(tǒng)一個(gè)加工周期的作業(yè)流程如圖11所示。

圖11 多自由度孔精加工系統(tǒng)的作業(yè)流程Fig.11 Operation flow of multi-DOF hole finishing system

3.3 飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

按上述飛機(jī)大部件對(duì)接流程、多自由度孔精加工系統(tǒng)作業(yè)流程對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證分為飛機(jī)大部件對(duì)接定位精度驗(yàn)證、精加工孔表面粗糙度驗(yàn)證和大批量孔精加工驗(yàn)證。由于制作全機(jī)機(jī)身模擬件成本過高，對(duì)接試驗(yàn)采用模擬中央翼假件、外翼假件和上壁板假件對(duì)接的方案。使用輔助托架將中央翼面假件固定在飛機(jī)水平的理論位置，模擬飛機(jī)中央翼對(duì)合面；外翼部分使用報(bào)廢外翼，用外翼假件固定的方式模擬外翼，飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證如圖12所示。

圖12 飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.12 Experimental verification of large aircraft parts docking and finishing system

飛機(jī)大部件對(duì)接定位精度的驗(yàn)證方案如下：（1）定位器走到零點(diǎn)，模擬AGV搭載機(jī)翼；（2）靶球測(cè)量初始位置坐標(biāo)信息，模擬測(cè)量飛機(jī)機(jī)翼位姿；（3）向飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)中輸入?yún)?shù)X-100，Y-200，Z-100，模擬機(jī)翼調(diào)姿；（4）最終使用激光跟蹤儀測(cè)量定位精度。重復(fù)上述試驗(yàn)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 飛機(jī)大部件對(duì)接定位精度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of docking and positioning accuracy

精加工孔表面粗糙度的驗(yàn)證方案如下：對(duì)所有預(yù)制孔采用3次鏜孔加工后鉸孔加工的方式，總計(jì)去除1 mm的余量。加工后測(cè)量精加工孔的表面粗糙度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 精加工孔表面粗糙度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of finishing hole surface roughness

大批量孔精加工試驗(yàn)是為了驗(yàn)證在大批量生產(chǎn)中孔精加工的穩(wěn)定性。模擬實(shí)際生產(chǎn)情況，選取2個(gè)Φ13 mm的孔，5個(gè)Φ11.5 mm的孔，23個(gè)Φ9 mm的孔。30個(gè)孔為1組，共進(jìn)行5組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 大批量精加工孔試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of finishing hole in large quantities

試驗(yàn)結(jié)果證明，飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)可以滿足飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼連接孔的定位精度與表面粗糙度的制備要求。

4 結(jié)論

本文提供了一種飛機(jī)大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)的新思路，詳細(xì)介紹了一種基于AGV平臺(tái)的飛機(jī)機(jī)翼大部件對(duì)接及精加工系統(tǒng)。相較傳統(tǒng)人工吊裝飛機(jī)機(jī)翼、對(duì)接、孔精加工的方式，本文提出的加工方法改變了固定位置進(jìn)行生產(chǎn)加工的模式，借助場(chǎng)內(nèi)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)在場(chǎng)內(nèi)任意位置進(jìn)行大部件對(duì)接與加工工作，保證了生產(chǎn)加工現(xiàn)場(chǎng)的平整性，提高了系統(tǒng)的柔性加工水平，同時(shí)減少了生產(chǎn)過程中吊裝配合時(shí)間和吊裝過程中人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行飛機(jī)機(jī)翼的模擬對(duì)接、孔的精加工測(cè)試。以均方根值計(jì)算，定位誤差小于其行程的0.1%，對(duì)比國標(biāo)線性尺寸的公差等級(jí)，屬精密（f）級(jí)，精加工孔表面粗糙度均滿足理論要求（Ra<1.6 μm）。同時(shí)也進(jìn)行大批量孔精加工試驗(yàn)，所制孔尺寸精度滿足IT7精度，定位精度與孔表面粗糙度也均滿足設(shè)計(jì)要求。此項(xiàng)試驗(yàn)可供后續(xù)相關(guān)工程借鑒的亮點(diǎn)如下：

（1）機(jī)械設(shè)計(jì)方面，采用AGV平臺(tái)對(duì)機(jī)翼進(jìn)行裝載、運(yùn)輸、裝配、對(duì)接，并負(fù)責(zé)多自由度的孔精加工系統(tǒng)的搭載；

（2）采用浮動(dòng)刀柄設(shè)計(jì)使刀柄可以補(bǔ)償在平行于軸向內(nèi)浮動(dòng)或在垂直空間內(nèi)角度浮動(dòng)的誤差，減少主軸的受力；

（3）AGV平臺(tái)采用氣墊輔助支撐方式，減輕麥克納姆輪的負(fù)重，同時(shí)減小系統(tǒng)高度尺寸，便于飛機(jī)機(jī)翼大部件的對(duì)接；

（4）控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)方面，均采用模塊化設(shè)計(jì)思路，方便系統(tǒng)調(diào)試安裝以及故障診斷與日常維護(hù)；

（5）數(shù)據(jù)處理方面，采用最優(yōu)的坐標(biāo)系建立法，最小化因坐標(biāo)系變換所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。同時(shí)使用機(jī)器視覺實(shí)時(shí)計(jì)算已制孔的實(shí)際位置，并回歸出待制孔的最優(yōu)位置。