0 引言
飞机设计与制造水平是衡量一个国家制造水平的重要标杆，飞机装配制造往往按照工艺分离面划分成若干工位协同进行[1]。随着科技的不断发展与成熟，航空加工制造技术的要求也越来越高，客户对产品的个性化需求不断增加，产品逐渐多样化[2-3]，飞机的装配技术也亟待转型升级。传统的依托专用型架与手工装夹定位的工艺方式已经逐渐不能满足产品更新换代与批量生产的需求，尤其是飞机零部件装配工艺过程，大部分仍然采用纯机械结构与手动操作的方式进行装配作业[4]。目前装备技术正在不断升级转型，飞机装配逐渐向模块化、柔性化方向发展[5-8]。邹冀华等[9]对基于3-RPS的法向调整并联机构在飞机装配中的应用进行了研究。刘春[10]研究了飞机大部件数字化对接装配系统的若干关键技术。罗中海等[11]研究了用于大部件对接系统的POGO柱结构形式的力与位移的混合控制系统。俞慈君等[12]研究了带工程约束的位姿拟合算法。庄存波等[13]研究了可视化监控技术在复杂产品装配现场的应用。尽管许多学者与机构针对飞机自动化、数字化装配技术以及装配过程中的实时监控技术做了研究，但多数是针对大部件自动化对接进行的研究，且对于单一部件的支撑往往采用多个具有三自由度的POGO柱进行协同运动，布局方法较为繁琐。目前针对小型关键零件、部件级的自动化装配研究很少，采用基于6维并联机构与虚拟装调终端相结合的自适应装调技术的研究更少，然而装配过程中力与位移的监控却十分必要。当前对于装配过程中的应力检测几乎没有，定位器几乎都采用刚性定位，不能有效地保证产品架上与架下状态的一致性。
本文提出了用于某型机机头锥的自适应装配系统，将虚拟远程终端与柔性并联运动系统集成，采用激光跟踪仪与6维力传感器实现位移与力的全闭环反馈，实现了关键部件的柔性自适应定位装夹。
1 系统架构
图1 系统架构
Fig.1 System architecture
本文构建的自适应装配系统主要针对某型机机头锥的装配，核心组成单元包括激光跟踪仪位移测量系统、虚拟装调终端系统、力传感器应力测量系统、柔性并联机构运动系统以及上位机PC集成管控系统。如图1所示，上位机PC集成管控系统集成了激光跟踪仪位移测量系统、虚拟装调终端管控系统、柔性并联机构运动管控系统，并与各子系统之间实现数据的双向传递。激光跟踪仪位移测量系统完成对并联机构动平台监测点与工装系统监测点位置信息的获取，实现与上位机PC集成管控系统的通信，形成位移全闭环自适应控制。力传感器应力测量系统将关键位置的6维力信息传递到上位机PC集成控制系统，实现力全闭环自适应控制。装配过程中，虚拟装调终端(智能眼镜)首先通过扫描对应位置的二维码获取当前的装配工艺信息，调节当前装配零件的位置到产品坐标系下的理论位置，并通过语音控制方式实现激光跟踪仪对位置的检测。与此同时，6维力传感器实时监测装配过程中的装配应力，实现与上位机的通信。当出现应力超限时，并联机构进行自适应微调，并将实时信息反馈给虚拟装调终端，保证产品装配过程中应力与位移的可控性。
图2 系统操作流程
Fig.2 Operation process of the system
如图2所示，自适应装配系统装配全流程保证了位移与力双闭环的自适应控制。第一步启动集成控制系统的软件系统与硬件系统，利用虚拟装调终端扫描二维码获取装配信息与虚拟装配过程。随后激光跟踪仪获取柔性并联机构动平台上监测点的信息，进行运动学正反解计算各轴到达理论位姿所需的运动参数，从而触发并联机构运动系统达到理论位姿。运动结束后，利用激光跟踪仪监测动平台的实际位姿与理论位姿误差,判断是否在精度允许范围内，若满足要求则定位器安装到位，否则再次进行运动学计算，重新获取各轴运动参数，直到满足要求。随后进行对应产品装配，过程中实时监控安装应力，直到完成装配。若并联机构监测的应力超出许用值，则柔性并联机构进行相应微调。整个装配过程控制装配应力在许用值范围内，直到装配结束，关闭系统。该系统集成了虚拟技术、激光跟踪仪检测技术与柔性定位技术，采用了基于力与位移的全闭环控制方法，借助虚拟装调系统实现关键部件的自适应定位与装夹。
2 自适应柔性驱动技术
本文所述柔性并联运动机构是可以实现6自由度的并联机械结构，通过运动学正解计算初始位姿与目标位姿之间的刚度变换矩阵，再进行运动学反解进行离散插补位姿变换过程中各个状态下各轴长度的变化量。
2.1 并联机构分析
如图3所示，柔性并联机构主要由动平台、球铰组件、电动缸组件、电动缸尾铰、虎克铰组件、静平台组成。动平台和球铰组件之间的相对位置固定，静平台和电动缸尾铰之间的相对位置固定。静平台固定于型架骨架上，在飞机产品坐标系中保持位姿恒定。6组电缸不同的伸长量实现柔性并联机构定位器的不同位姿。通过激光跟踪仪测量出目标状态下动平台监测点在产品坐标系下的位置，即可计算各个电缸的长度变化值，从而得知系统运动参数。
图3 并联机构结构
Fig.3 Structure of parallel mechanism
2.2 运动学分析
系统运行过程中涉及多个坐标系：产品坐标系0、跟踪仪坐标系1、动平台坐标系2、静平台坐标系3。自适应运动过程中，根据型架骨架基准点、动平台监测点、静平台监测点拟合坐标系1、2、3与坐标系0之间的空间位置关系，保证所有参数都基于产品坐标系。并联机构自适应调整的过程即为动平台刚体位姿矢量X(α,β,γ,x,y,z)的变化过程，需进行位姿正解与反解。
首先在产品坐标系下采用激光跟踪仪获取动平台监测点实际值cPi，根据动平台监测点的目标点理论值mPi，采用奇异值分解(SVD)即可进行位姿正解计算,得出刚体位姿变换矢量X：
X=SVD(cPi,mPi) i=1,2,3
(1)
其中，i为动平台测量点。
由此可知并联机构达到目标位姿的平移矩阵和旋转矩阵分别为
P=[X0 Y0 Z0]
(2)
R=
(3)
式中，X0、Y0、Z0分别为并联机构达到目标位姿在X、Y、Z方向所需的平移量;α、β、γ分别为并联机构达到目标位姿在X、Y、Z方向所需的旋转角度。
姿态变换过程中动平台监测点坐标值tPi不断变化，进行位姿反解可得
tPi=mPi×R+P
(4)
位姿变换过程中矢量X(α,β,γ,X,Y,Z)中参数不断变化，为了保证运动的平稳性，需保证运动起点与终点处的平台速度、加速度、加加速度为0，以欧拉角α调整为例，设定位移fα(t)与时间t之间满足如下关系：
fα(t)=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+
a5t5+a6t6+a7t7
(5)
则有
fα(tc)=αc fα(tm)=αm f′α(tc)=0
f′α(tm)=0 f″α(tc)=0 f″α(tm)=0
f‴α(tc)=0 f‴α(tm)=0
式中，αc和αm分别为初始位姿和目标位姿的X方向旋转角度；tc=0为起点时间；tm为单次调整时间，根据系统节拍设定。
求解得式(5)中多项式系数a0,a1,…,a7，将整个时间段离散成有限单元段，可得各时间段的刚体位姿变换矢量Xt。根据式(4)即可求得并联机构6个球铰中心和对应的6个虎克铰中心在各个离散时间段的坐标值，从而计算可得各个时间段6组电动缸的伸长量，转换成对应的脉冲量即可完成自适应调姿。
2.3 自适应闭环系统
传统装配过程中,产品的装配姿态与装配应力单纯依托于装配工装定位器的装配精度，不能实现对产品在线装配过程中力与位移的数字化。本文所采用基于力与位移双闭环控制方法保证了装配应力与位移精度能够控制在许用范围内。图4为装配过程中依托6维力传感器获取产品坐标系下6个维度的应力与扭矩的变化示意图。当直线方向的应力值或旋转方向的扭矩值超过许用调整值时，驱动下位机相应维度的运动变化以抵消相应应力或扭矩；当超过最大许用值时，直接停机并发出报警。同时跟踪仪对动平台进行位姿监测，并与理论位姿进行对比，超出误差允许范围则停机并报警。
图4 闭环反馈系统
Fig.4 Closed-loop feedback system
3 实验验证
为了验证虚拟装调技术，采用智能眼镜作为信号终端，能够实现装配过程的显示与指导，同时能够实现与激光跟踪仪和柔性定位系统的通信。图5所示为实验现场装配人员借助智能眼镜进行定位器的安装调试过程。通过智能眼镜对装配过程进行监控与测试控制，实现了装配过程的单人操作。
图5 虚拟装调
Fig.5 Virtual assemble
图6所示的验证系统主要包含产品验证样件、验证件安装型架以及柔性自适应并联运动系统。并联机构静平台与骨架刚性连接，保证了静平台坐标系与产品坐标系一致。6维力传感器上下部分别与产品验证件和并联机构动平台刚性连接，实现定位器的调整与应力监测。
图6 验证系统
Fig.6 Experimental system
为了验证自适应柔性并联运动系统的定位精度，设定了如下验证流程:①分别保证空载和额定载荷;②在视角可达处安装激光跟踪仪并将测量坐标系转换成产品坐标系;③测量静平台监测点的初始值;④上位机发送运动指令;⑤测量动平台监测点的目标值;⑥采用SVD算法计算出动平台初始位姿到目标位姿的位姿变换向量X(α,β,γ,X,Y,Z)。
分别对6个维度进行2次空载验证和2次额定载荷(50 kg)验证。通过人机界面分别对集成控制系统发送理论运动参数，运动完成后采用激光跟踪仪分别测量并联机构动平台上的监测点，经过坐标系变换获取并联机构各向运动实测值。如表1所示，通过比较实测值与理论值之间的差值，在4次测试的过程中最大线性定位绝对误差(0.024 mm)发生在额定载荷的第3组实验时；最大角度绝对误差(0.006°)发生在额定载荷下的第4组实验时。因此并联机构的直线定位精度在±0.025 mm以内，角度定位精度在±0.01°以内。
表1 动平台监测值
Tab.1 Monitoring value of movable platform
组数位姿参数X(mm)Y(mm)Z(mm)α(°)β(°)γ(°)1理论值-16-5540-2-3-3实测值-16.0196-4.9923539.9873-1.9967-2.9981-2.99122理论值-8-55500-12实测值-7.9783-4.9983550.0030-0.0013-1.00122.00183理论值1005622-0.52实测值9.9844-0.0244561.99362.0018-0.49522.00254理论值5012590513实测值50.021112.0077590.00265.00311.00612.9955
4 结论
(1)本文完成了一种飞机零部件自适应装配系统设计与制造调试，具体涉及了虚拟装调技术、激光跟踪仪检测技术与柔性定位技术。
(2)虚拟技术与柔性定位技术保证了飞机关键部件的自适应装配。
(3)基于6维力传感器的应力监测方式实现了力的全闭环控制。
(4)基于编码器与激光跟踪仪的位移监测方式实现了位移的全闭环控制。
(5)柔性定位系统线性定位精度达到±0.025 mm，角度定位精度达到±0.01°。
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