ISSN 1002-4956 C N11-2034/T
Experimental Technology and Management
第37卷第12期2020年12月
Vol.37 No. 12 Dec. 2020
D O I:10.16791/jki.sjg.2020.12.013
常正平U，夏松、杨根军2，王仲奇、李树军\蒋建军1
(1.西北工业大学机电学院，陕西西安710072;
2.陕西飞机工业（集团）有限公司，陕西汉中723213 )
摘要：基于飞机部件数字化对接装配原理，设计搭建包含机身、机翼实验件、数控柔性定位器、测量系
统、控制系统的实验平台，设计了数字化装配定位、大尺寸零件测量、大部件调姿轨迹规划和对接过程集成控制 4个实验模块，让学生从单点知识到集成应用、硬件到软件、概念到实际操作掌握飞机大部件对接装配的基 本原理，为学生开展多学科融合的创新性、丁.程性研究与学习提供实验环境，增强学生的工程实践能力：
关键词：飞机部件对接；数字化装配；实验平台；教学项目
中图分类号：V262.4; TP205 文献标识码： A 文章编号：1002-4956(2020)12-0052-05
Design of digital docking assembly experimental platform and
teaching project for aircraft components
CHANG Zhengping1'2, XIA Song1, YANG Genjun2, WANG Zhongqi1, LI Shujun1, JIANG JianJun1
(1. College of Mechanical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;
2. Shaanxi Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Hanzhong 723213, China)
A b str a c t:Based on the principle of digital docking assembly of aircraft components, the experimen
tal platform including fuselage, wing experimental piece, numerical control flexible positioner, measurement system and control system is designed. Four experimental modules are designed, which are digital assembly positioning, large-scale part measurement, large-scale component attitude adjustment trajectory planning and docking process integrated control, which enables students to master the basic principle of aircraft assembly from single point knowledge to integrated application, hardware to software, concept to practical operation, provide experimental environment for them to carry out innovative and engineering research and learning of multidisciplinary integration, and enhance their engineering practice ability.
干涉光刻K ey w o r d s:aircraft components docking; digital assembly; experimental platform; teaching program
飞机装配是保证飞机产品质量、装配准确度的决 定性环节，其工作量约占飞机制造总劳动量的50%以上，装配周期约占全机制造周期的50%〜70%[1]。现代 大型飞机零件尺寸大、协调关系复杂、零件及连接件 数量众多，极易产生装配变形和装配应力，必须不断
收稿日期：2020-06-28
基金项目：陕西高等教育教学改革研究项目（19BG004 )；民用飞 机专项科研（MJ-2017-G-68)；陕
西省自然科学基础研
多媒体电教
究计划项目（2019JQ-032 )；国家自然科学基金项目
( 51905443 )；教育部第二批新工科研究与实践项目
(E-ZNZZ20201221 )
作者简介：常正平（1989—)，男，甘肃通渭，博士，助理研究员，研究方向为飞机数字化装配技术与装备。
E-mail: ***************** 提高飞机装配工艺技术水平，研制新的工艺装备，才能满足新型飞机对装配精度和服役寿命的更高要求。20世纪90年代以来，西方航空工业强国均把数字化 装配技术作为优先发展的方向，并取得了很大的进展，如B787客机在研制过程中采用了数字化协调的阵列 式装配技术，A400M飞机在机翼翼盒装配中大量采用 多种柔性工装，大大降低了装配成本和装配周期，但 对我国采取了严密的技术封锁[2]。近年来，在国家科 技计划的支撑下，我国飞机数字化装配技术在单点实 现了突破，但仍然存在很大差距。落实到飞行器制造 工程专业的培养环节，现有的实验室条件严重落后于 技术发展，针对相关技术的介绍仅限于文字介绍或视 频讲授[3_4]。受限于航空制造技术企业的特殊性，生产
常正平，等：飞机部件数字化对接装配实验平台及教学项目设计53
实习也仅限于观察，无法亲身操作并了解其中的相关 技术和原理。
因此，飞机装配工艺作为飞行器制造工程专业的 核心内容，迫切需要在实验室环境中搭建与先进飞机 数字化装配技术对应的实验平台。随着我国大飞机和 新一代军机的研制生产，航空企业对掌握扎实飞机装 配知识并具备飞机装配工程实践能力的专业人才需求 非常迫切。在学科建设经费的支持下，结合科研成果 转化，西北工业大学飞机制造工艺与装备实验室自主 设计搭建了飞机部件数字化装配对接实验平台，并开 设了4个实验教学项目。
1飞机部件数字化对接装配原理
飞机大部件对接是根据尺寸协调原则，采用工装、测量设备等将多个部件对合连接的过程。传统的对接 技术多采用刚性工装，结合人工吊装、调试修配的方 式完成大型部件的对合装配[5]，对接工艺精度差、装配效率低、修配补偿方式落后。数字化对接利用高精 度数字化测量手段确定部件初始位置，并实现部件位 置的实时跟踪定位，构建全局测量场，结合数字化柔 性工装实时精确调整部件姿态，根据多轴联动机构的 运动学原理，集成测量数据优化计算调姿路径，控制 系统实现精准姿态调整，完成部件对接。
数字化对接的流程如图h①大部件与调姿定位 设备（数控定位器、数控托架等）连接；②利用激光 测量设备测量大部件上的靶标点；③根据靶标点测量 结果及工艺要求计算大部件的位姿以及调姿定位设备 的轨迹；④利用调姿定位设备带动大部件做平移、旋 转运动，实现对接双方的姿态以及位置调整；⑤完成
图1飞机部件数字化对接流程161大部件的对合及装配连接。
机翼部件的位姿是通过飞机坐标系（即全局坐标 系）{洵与机翼部件坐标系的变换关系定义的。如图2所示，飞机坐标系固定不动，彳F}先经过 平移OjOy与坐标系M}的原点重合，再按一定的旋转 顺序绕3个坐标轴旋转与坐标系{小重合。以z-y-z 的转序为例，3个欧拉角p、0、V/是机翼部件的3个 姿态角。
机翼部件的位姿参数可以定义为：3个位置参数 和3个姿态参数。3个位置参数，即坐标系{灰}的原 点在坐标系下的坐标。3个姿态参数，即坐标系旋转到坐标系M}三轴平行方向相同的3个旋转 角。机翼部件的位姿表示如下：
u= (-^o y〇z〇<p^y)(i)利用激光跟踪仪可测得机翼部件实际位姿和理论 位姿之间的变换量v= ，即获得部
件姿态变换矩阵旋转矩阵及和平移矩阵h飞机大部 件的位姿由定位器来驱动变化，位姿变化的路径规
划 实际上就是确定各定位器的调整顺序和调整量，使得 被调部件的实际位姿与理论位姿无限接近。在机翼部 件的实际位姿及理论位姿已知的情况下，可以规划出 机翼部件由实际位姿向理论位姿的运动路径。
定位器定位末端球头是支撑定位部件的实际接触 点且与部件保持固定的相对位置，因此用球头表示定 位器的位置，获取定位器各轴驱动量后，需要根据实 际驱动平台定位器移动方式规划定位器的运动轨迹，完成部件调姿过程，保证调姿过程平稳、
可靠。
54实验技术与管理
2实验平台设计
2.1设计目标及原则
飞机数字化对接装配实验平台及实验项目为落实 先进装配技术在飞行器制造工程专业人才培养环节而 设计，要求学生具备装配工艺规划、数字化测量、协 同控制的相关知识。通过该实验，能够促进学生对数 字化对接装配技术的理解，提高学生的知识应用能力.让学生在实验中自主探索、交流合作，提高发现问题 和解决问题的能力，提高学生的T程应用和科技创新 意识。
为锻炼学生的自主学习能力和实践动手能力，结 合每个项目的实验要求和具体目标，要求学生通过互 联网、图书等途径查阅相关知识，自主设计实验方案 并独立完成实验内容：>
2.2实验平台组成与使用
飞机部件数字化对接装配实验平台主要由实验 件、调姿定位系统、测量控制系统和集成控制软件部 分组成。如图3所示，对接系统包括一套机翼、机身 实验件，7个三坐标数控定位器，21个伺服电机和
伺 服驱动器。测量设备采用激光跟踪仪、控制器、驱动 系统和传感器若干。集成控制软件将大部件的测量、姿态运算、现场设备控制集成为一个软件系统3定位系统的核心和大部件调姿运动的执行机构[6]，定位器需要支撑起整个需要调姿的大部件，并在调姿过 程中带动部件运动到目标位置。平台设置调姿定位器 (POGO柱）7套，每套POGO柱均包含J T、7、Z3个 坐标方向的伺服运动。数控定位器主要由固定底座、z向托板、z向托板、r向支撑、锁紧机构、三维力 传感器、伺服电机、导轨、丝杠等组成，如图5所示
滑块
支撑立柱
tsmm
立柱支座
辅助导轨z轴电机
.V；油电机Z轴电机底座
}•轴移动基体
A轴滑块
A■轴丝杠A’轴导轨
K轴电机
总基座
图5定位器底座驱动结构
每套POGO柱上端均有三爪卡盘，如图6所示，用于对机身机翼下侧连接球头的夹持和锁紧，三爪卡 盘内带有球窝与连接球头配合。
连接球头吹管系数
球面底座
连接底盘
图6定位器末端锁紧结构
定位器未端
顶爪
基爪
卡盘基座
(1 )翼身对接实验件。实验设计机身、机翼实验 件一套，如图4所示，其下侧分别带4个、3个连接 球头，用于调姿过程中对机身和机翼的支撑；实验件 上侧分别带有8个测量点的测量座，用于机身、机翼 姿态检测。
(2 )三坐标数控定位器数控定位器是整个调姿
(3 )测量控制系统。整个实验过程的数据测量用 激光跟踪仪以及传感设备获取。同时由于激光跟踪仪 光学测量的特点，需要保障测量过程无遮挡，提前做 好测点的标注和仪器使用的培训学习：对接控制系统 主要包括控制器和驱动系统。控制器负责硬件的逻辑 控制，驱动系统负责将控制器或控制系统的输出转变 为一台机器或设备的控制动作[7]。
(4)集成控制软件。在大部件对接过程中，集成 控制软件要能够实现大部件的测量，然后计算大部件 的位姿，控制现场设备自动完成两个部件的对接过程。同时，集成控制软件需要实时地向对接操作人员提供 对接过程中的各种信息，处理对接过程中可能出现的 各种意外状况，如图7
所示。
常正平，等：飞机部件数字化对接装配实验平台及教学项目设计55
报警监控
报警监控安全防护
结合软、硬件平台的搭建和使用、装配路径的编程求
解，主要目的是培养和锻炼学生利用所学知识解决实 际工程问题的能力，进一步激发面向工程问题的探索 和求知兴趣[8]。具体要求如下：
(1 )加深对飞机装配工艺学相关知识点的理解， 了解飞机部件对接装配技术体系的构成。
I __激 光 跟 踪 仪
定
位器
装配任务管用
户权限
理
图7部件数字化对接集成控制系统
3教学项目设计
3.1教学目的与要求
通过飞机部件数字化对接装配实验，让学生初步 了解飞机数字装配技术体系、数字化装配柔性定位技 术与装备，掌握机翼、机身对接装配的基本原理、定 位调姿系统设计及构建、大尺寸零件空间测量方法及 应用、大部件调姿路径规划等相关技术和方法，为从 事飞行器制造领域的学习和研究打下坚实基础。实验
(2)熟悉飞机机身、机翼对接的基本原理、工艺 过程、激光测量和运动分析方法，掌握基于MATLAB 工具箱的运动轨迹求解与优化。
(3 )学会操作使用飞机部件数字化对接装配实验 平台，能够结合出现的问题及时排除错误，使软硬件 程序能够正确运行。3.2教学内容
飞机部件数字化对接装配实验项目的实验目的和 内容见表1，包含数字化装配定位、大尺寸零件测量、 大部件调姿轨迹规划和对接过程集成控制4个模块， 总实验学时为8学时。
表1
防辐射手机
飞机部件数字化对接装配实验项目
实验名称实验目的
实验内容
知识点
实验一
1. 了解数字化定位技术的概念
数字化装配定位 2.掌握数字化装配定位系统的构成1. 飞机部件数字化对接装配定位方法2. 定位精度的保证方法基于齐次坐标变换的数字化装配定 位原理、定位系统位姿的解算
实验二
大尺寸零件测量1. 了解常用的数字化测量技术与系统2. 掌握激光跟踪仪测量原理并掌握操 作方法
1. 基于激光跟踪仪构建装配测量场
2. 计算部件在空间坐标系中的位姿空间坐标的测量原理、激光跟踪仪
应用及测量数据处理
实验三
大部件调姿轨迹规划1. 掌握大部件对接装配流程2. 掌握机翼机身部件位姿调整轨迹规划1. 规划部件对接装配工艺流程
2. 汁算求解部件对接装配运动轨迹对接装配工艺流程确定、调姿轨迹 求解优化
实验四
对接过程集成控制
1. 了解集成控制软件的组成
2. 掌握对接误差控制及补偿方法
1. 集成控制过程的实现
2. 控制过程中的电机驱动原理
协同控制原理及实现方法及故障排 除
3.3教学范例
部件对接装配实验调姿流程如图8所示。机身、 机翼的理论调姿位置是基于激光跟踪仪建立的数字化 装配测量场所得。当机身、机翼安装入位以后，中央 工控机启动激光跟踪仪测量机翼上分布的测量点，数 据传输到中央控制器。中央控制器调用位姿计算算法 得到当前位姿状态，调用调姿算法以目标位置和当前 位置作为输人进行处理得到调姿轨迹。调姿轨迹传输 给控制单元，通过数控定位器多轴协同控制调姿。调 姿运动完成以后，使用激光跟踪仪再次测量机身、机 翼上的测量点，评价调姿效果。
(1 )首先结合实验平台，如图9所示，介绍飞机 部件数字化对接装配的相关知识理论，重点讲解对接 装配原理及调姿方法以及主要实验步骤。
(2 )部件位姿测量，利用激光跟踪仪测量机翼机 身、机翼部件表面位姿基准点，分别求得机身、机翼 部件的位姿参数。
图8
部件对接装配实验调姿流程
H
系统参数
设备参数
_*_调姿参数丨
~3_调姿算法丨
-V I
文
件
操
作‘ 丄数据库
3L
装配日
志
56实验技术与管理
14/12/W 16 !W 1*02/1016 2WJ
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图i o 激光跟踪仪测量界面
2015.
[2]何胜强.大型飞机数字化装配技术与装备[M ].北京：航空工
4
结语
当前，我国航空航天领域正处于高速发展时期， 对掌握先进技术理论的飞行器制造工程专业人才需求 非常迫切。飞机部件数字化对接装配实验平台融合当
前飞机装配领域数字化柔性定位、大尺寸零件测量、 多轴协同运动控制等先进技术，主要面向具备相关知 识的高年级本科生及低年级研究生开设。实验项目涉 及飞行器制造工程方向的多门课程，不仅可以加深学 生对飞机装配工艺学相关知识点的理解，更能启发学 生对多学科知识的探索，提高其自主学习能力及工程 创新能力。
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二 I
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急谆
对各运动轴进行通电，开始启动调姿过程。
(5)调姿结束后，进行调姿状态评估，打开跟踪 仪测量界面（图10 )，复测各测量点。如果复测后测量 点评估合格（复测值和理论值偏差均小于±0.5 mm )， 则本次调姿结束；如果不合格，则需要再次测量并调 姿，直至评估合格为止3 3.4教学效果
参与飞机部件数字化对接装配实验的学生共有 16组，每组4〜5人，要求每组学生自主完成准备、实
验和总结。学生完成4个实验项目后，对飞机数字装 配的关键技术和知识点有了更加深人的了解，掌握了
柔性定位、测量场构建、姿态求解、路径规划的相关 理论，对飞机装配领域的学习兴趣有了显著的提高。 本次实践教学实验得到了学生的高度认可，完成了实 验教学的目的。
图9
实验室机翼、机身对接调姿实验平台
(3 )调姿路径规划，结合部件初始位姿和目标位 姿，规划调姿路径，路径规划结果包括机身部位12 个电机（机翼部位9个电机）每一步的同步位置值。
(4)
对接过程集成控制，进入定位器控制界面，
豫公网安备41160202000603
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