宋彰桓，赵 罡，孙占磊，邢宏文

（1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191；2.上海飞机制造有限公司，上海 200436）

飞机机体装配是飞机制造过程中的重要环节，其工作复杂、难度大，是飞机制造的关键[1]。在飞机装配中，对接是关键步骤之一。对接的效率直接决定整个装配环节的效率，其精度、误差对整个飞机的质量有直接影响。测量是对接工作的一个重要环节。目前大尺寸测量技术在国内外航空制造业得到了广泛的应用[2]。大尺寸测量技术在飞机对接中主要用于部件位姿定位及装配质量检测，是保证对接质量的重要手段。目前，国内对于飞机对接测量的研究多使用激光跟踪仪作为测量工具[3-6]，但其存在转站、断光、仅能测量单点等缺点，不能很好地满足飞机对接测量的要求。

iGPS全称为Indoor GPS，是一种大尺寸空间测量技术，主要用于解决大尺寸室内空间测量与定位问题。相比全站仪、准直仪、激光跟踪仪等测量工具，iGPS拥有测量范围大、同时多点测量、实时性强等众多优势，且具有较高的测量精度，足以满足飞机对接的需要，在飞机对接领域有很大的应用潜力。目前，国内对iGPS的研究多集中于其自身基础性能的分析，例如精度分析、动态性能，关于iGPS进一步在实际工程应用中的研究较少[7-9]。为了发挥iGPS测量优势，推广其在飞机对接领域的应用，迫切需要结合对接工艺和iGPS测量特点进行基础应用研究。为了针对iGPS的测量特点选取有效的飞机部件对接测量点，正确反映对接要求，精简测量数据，提高测量效率，本文提出了基于测量关键特性的飞机部件对接iGPS测量点选取方法。

测量关键特性

测量关键特性的概念来源于关键特性（Key Characteristics，KC），它部分依存于产品关键特性树，同时与实际对接工艺密切相关，是结合产品设计要求和实际制造工艺的纽带。

1 测量关键特性定义

关键特性是材料、零部件或过程的特性中对产品的互换协调影响最大的特性[10]。关键特性按照研制阶段可分为产品关键特性、制造关键特性和装配关键特性[11]。其中，装配关键特性是指在各个装配阶段、零部件或工艺装配配合中对产品的装配质量影响最为显著的几何特性（如尺寸、形状、位置等）[12]，装配关键特性又可以根据装配级别分为顶级装配关键特性和低级装配关键特性。

对接过程的测量关键特性属于装配关键特性。图1表示对接过程中的测量关键特性在飞机关键特性树中的位置。从零件制造到整机装配完成，测量是贯穿始终的，针对制造和各级装配的工艺特点，以及不同的测量方式，都应有其相应的测量关键特性。对接过程中的测量关键特性是为了正确反映对接过程的装配关键特性，满足对接测量要求而提取的一系列能够通过现有测量手段进行描述的特性。测量关键特性可以综合考虑设计、制造及装配中的多种因素，对工件整体进行精简、抽象，提取出其中的某一特性作为代表，从而简化测量点选取的难度。本文面向使用iGPS作为测量工具的对接过程，对于建立飞机全生命周期的测量关键特性体系具有一定借鉴意义。

2 测量关键特性的分类

在基于iGPS测量的飞机部件自动化对接中需要的测量点数量多、用途多样，为了有序地选取测量点，并对测量数据进行有效管理和应用，需要对测量关键特性进行分类。本文基于对接工艺流程将测量关键特性分为以下4类：

（1）基准特性。它是指用来建立统一的基准坐标系的测量关键特性。

建立统一的坐标系是测量的首要工作。飞机有自身的设计坐标系，对接过程中各部件的正确位姿在设计坐标系下进行描述，而测量工具拥有自己的测量坐标系，基准特性的作用就是实现这两者的统一。

就iGPS而言，一般使用自由组网法建立测量坐标系，通过求解坐标系之间的齐次转换矩阵实现坐标系统一，该转换矩阵是坐标系统一的关键，其数值变动会对对接精度产生很大影响，因此可选作为基准特性。

（2）调姿特性。它是指用来描述飞机部件位姿的测量关键特性。在对接过程的调姿阶段，通过测量调姿特性判断飞机部件姿态是否正确。

选取调姿特性需对飞机部件结构进行深入分析，了解各组成零部件设计理念、执行的功能、制造工艺、使用材料等众多信息，结合iGPS测量特点，譬如信号遮挡、表面涂料对信号的干扰等，进行综合考虑决定。

图1 关键特性树层级Fig.1 Hierarchy of KC tree

由于iGPS可以同时测量多个测量点，并且具有良好的动态性能，因此，比较适合测量飞机部件的姿态。在实际应用中，在飞机部件上布置足够多的接收器，并在配套软件Surveyor中建立“Frame”，可以获得一个固连于飞机部件的局部测量坐标系，通过测量该坐标系在全局坐标系下的变化实现对飞机部件姿态的描述。因此，在基于iGPS的飞机部件对接中的调姿特性可以统一选取为部件固连的局部坐标系。

（3）连接特性。它是指用于保证对接处质量的测量关键特性。

飞机部件调姿完成后会沿坐标轴平移到达目标位置，然后通过铆接等工艺将两个独立的部件连接为一个整体。连接特性的用途体现在装配前的预处理及装配后的质量评价两个方面。前者通过对接处的测量数据进行分析比对，预测对接处可能出现的问题，并采取相应的规避措施；后者是在完成连接后通过测量数据评估连接质量。

在基于iGPS的飞机部件对接中，由于连接处多样、连接工艺不同，而且还存在保证整机气动外形和保证对接面的协调问题，因此并不能确定一个统一的连接特性，在选取时需要针对具体情况，综合考虑多种因素，进行折衷优化处理。

（4）工装特性。它是指描述对接过程中所用工装夹具位姿信息的测量关键特性。

传统的飞机对接装配中使用的工装型架一旦安置到位一般不需要时刻测量工装位姿。在基于iGPS的飞机部件对接中使用POGO柱等柔性工装，其位姿正确与否不仅关系对接质量，还涉及到对接过程的安全性问题，因此需要通过测量进行监控。工装特性包括两类：一类是工装在工位的定位信息，例如POGO柱底座位姿；另一类是可活动工装部件的位置信息，例如POGO柱接头位置。

测量点选取方法

iGPS有VectorBar、IProbe等多种接收器，选取测量点，在其上布置合适的接收器是iGPS测量的重要环节。

在基于iGPS的飞机部件对接中，测量关键特性反映对接要求，指导测量点的选取。而选取测量点的目的在于通过确定单点位置、测量点数目、各点之间的几何关系等因素实现点对测量关键特性的正确描述。

1 测量点选取流程

基于iGPS的飞机部件对接测量点选取方法主要包括确定测量关键特性和确定测量点两步。

（1）确定测量关键特性。如图2所示，首先在飞机设计阶段应当根据顾客要求、设计要求等因素选取产品关键特性，制定产品关键特性树；在制造装配阶段，以产品关键特性为准，结合历史经验、现场工艺能力，选取符合生产实际的装配关键特性，并通过尺寸链传递等手段将顶级装配关键特性分解为更加具体的低级装配关键特性[13-14]；最后，针对具体的低级装配关键特性，同时考虑对接工艺、现场环境及iGPS测量特点分类选取测量关键特性。

测量关键特性的选取涉及到从设计到对接的多个阶段，是一项系统性工程。在实际选取时，一般只需要知道低级装配关键特性，并熟知iGPS测量特点，然后结合现场环境即可以确定测量关键特性。

（2）选取测量点。确定测量关键特性后就可以结合测量环境和测量工具选取最终的测量点，具体流程如图3所示。第一步确定初步方案，考虑如何在理论分析层面正确描述测量关键特性，包括点的数目、相互间的几何关系；第二步结合实际应用问题对选取方案做进一步优化；第三步是考虑iGPS测量特点及实际的飞机对接部件，确定每一个测量点的安放位置，并选用合适的iGPS接收器；第四步需要进行现场试验,并对出现的问题进行分析，对方案进行修改，直至满足对接要求。

2 测量点选取原则

在实际选取测量点的时候还需要考虑多方面的因素，要遵循以下几个原则：

（1）可用性。测量点坐标信息能够直接或者间接反映测量关键特性。

（2）稳固性。测量点相对于测量对象的位置应当固定不变或者变动量在误差允许范围内。由于飞机部件是弱刚体，受自身重力等因素影响极易产生变形，有些情况下变形量产生的误差足以干扰测量精度，造成测量点实测位置与理论位置无法匹配的问题。

（3）可测性。测量点的选取必须考虑iGPS测量特点，具体指iGPS组网布局方式、测量信号遮挡、iGPS接收器形式。

iGPS的测量点选取应与其组网布局互相协调，组网标定完成后发射器相对位置既已固定，不允许在测量过程中发生移动。

iGPS使用的测量信号是两束激光扇面，虽然可以覆盖整个测量对象外表面，但是机身内部却测量不到。针对这一情况主要有两种解决方案：一是在足以描述测量关键特性的基础上尽量选用外表面测量点，二是采用辅助测量工装。

不同的iGPS接收器其应用方式不同，对应的测量点也不同。VectorBar适合对单个固定点的实时跟踪测量，应用时需要固定在飞机部件上，而IProbe是手持式的接收器，适合对点的单次测量。

应用示例

本文以某型号民机的前、中机身对接为例，介绍基于iGPS的飞机部件对接测量点选取方案，见图4。

（1）基准测量点。如前所述，首先选取坐标系转换齐次矩阵为测量关键特性。根据坐标系转换算法最少需要3个不共线公共点以求取该转换矩阵[15]，因此初步确定基准测量点为3个不共线公共点；但是，在实际的坐标系转换中，为了提高转换精度，一般需要多于3个公共点进行冗余计算，所以优化方案为4个或以上测量点，并且任意3个点不得共线。由于是统一坐标系的基准点，因此其精度要求比较高，选用飞机部件上的点可能因变形或振动影响转换精度，在飞机对接厂房的工位地板上一般安装有固定的基准点，其在飞机设计坐标系下的坐标值是已知的，因此确定4个不共线的工位固定点为基准测量点，在相应位置布置VectorBar或者使用IProbe手动测量。

（2）调姿测量点。前机身和中机身的姿态是低级装配关键特性，而部件固连的局部坐标系能够完整描述部件姿态，因此，局部坐标系是调姿特性。

图2 测量关键特性的提取Fig.2 MKC pick-up

图3 测量点选取流程Fig.3 Measurement point selection process

如图5所示，初步方案确定不共线的3个点为测量点，可唯一确定一个右手坐标系。飞机中机身是一种弱刚体，调姿过程中易产生变形，进而影响测量精度，因此测量点布置在刚度较强的地板滑轨上。由于iGPS测量信号会被机身壁板遮挡，因此3个点应分布在滑轨两端或者采用测量辅助工装。由于调姿过程需要实时测量、反复迭代，因此选用固定式的VectorBar接收器。

（3）连接测量点。如图6所示，筒段对接中的连接主要包括机身蒙皮连接和长桁的连接，机舱气密性、机身气动性能及连接强度是该处需要考虑的装配关键特性，前后机身连接处的筒段轮廓度关系到气密性和气动外形，因此选取为连接特性。另外，长桁是主要的承力结构，前后机身长桁在连接时的相对位置是影响连接强度的重要因素，因此长桁相对位置也是连接特性。

由于筒段轮廓不是标准的圆形，而且可能存在变形问题，因此选定轮廓扫描点为连接测量点，由于扫描点数目多，并且不需要实时监控，因此选用IProbe进行测量。长桁相对位置可以通过端部工艺孔的位置进行描述，因此选取端部工艺孔圆心作为连接测量点，同样使用IProbe进行测量。

（4）工装测量点。在基于iGPS的飞机部件对接中，选用POGO柱作为部件定位器，POGO柱姿态与接头位移增量是低级装配关键特性，因此可以确定POGO柱自身坐标系及接头球心坐标为工装特性。在实际应用中为简化计算，一般要求POGO柱自身坐标系三坐标轴与飞机设计坐标系分别平行。

POGO柱底座为矩形结构，并且矩形边与其自身坐标系X、Y轴平行，因此可以选取任意3个底座脚点为工装测量点，使用IProbe进行测量。

POGO柱接头球心本身可以作为工装测量点，但是由于接头位置不便安放iGPS接收器，且可能产生遮挡问题，因此采用辅助测量工装，选取辅助测量工装上的工艺孔圆心为工装测量点（图7），在其上布置VectorBar进行动态实时测量。

图4 前、中机身对接测量点Fig.4 Measurement points of fuselage docking

图5 座椅滑轨上的调姿测量点Fig.5 Pose position measurement points on seat slide

图6 长桁和机身轮廓上的连接测量点Fig.6 Jointing measurement points on stringers and fuselage contour

图7 辅助测量工装上的测量点Fig.7 Measurement points on assisted measuring jig

结束语

iGPS测量范围大、实时性好、精度较高，是一种新兴的大尺寸测量技术，在飞机装配领域有很大的应用潜力。本文提出了飞机部件对接过程中的测量关键特性概念。依托飞机产品关键特性树，并结合iGPS测量特点确定测量关键特性，在此基础上选取合适的测量点，实现对飞机部件姿态的正确测量。通过某型号民机的前、中机身对接实例，说明本文方法的可行性，给出一种对接测量中选取iGPS测量点的方法，有较强的实用性，可在以iGPS为测量工具的飞机对接生产线上推广应用，且对于全机测量关键特性树的建立以及通用测量点选取具有一定的借鉴意义。

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