ARJ21飞机装配应用多项先进测量与运输技术

航空

在航空制造领域，国外公司大量采用先进的数字化测量技术、数控技术与气垫运输技术，使得飞机装配工作效率和质量大幅度提升，并从传统专用的固定工装发展到适用多机种、批量装配、高效先进的柔性装配阶段。发展数字化测量及大部件运输定位技术是解决飞机总装工艺、装配方案问题的基础。其中，数字化技术需要使用iGPS测量技术和激光跟踪仪技术，而大部件运输则依靠气垫运输技术。中航工业精密所在全方位移动轮（麦克纳姆轮）与气垫运输技术的综合应用方面做了大量卓有成效的试验验证，并将气垫运输通过工装指令成功应用在ARJ21高平尾部分部装工作平台。
数字化测量技术
在自动化装配中都要采用数字化测量系统来辅助定位和移动，从现行应用上，数字化测量技术主要包括iGPS测量系统及激光跟踪测量技术2种。
iGPS测量技术。在工业测量领域，根据GPS全球定位系统的原理，开发出了基于区域GPS技术的三维测量技术，即iGPS（IndoorGPS）系统。它是一种具有高精度、高可靠性和高效率的测量系统，主要用于解决大尺寸空间的测量与定位问题。
iGPS测量系统具有三大特点：测量误差达到一定值后就不再随着测量范围的增大而增大；允许多名技术人员手持传感器独立而并行地进行测量；可在一个坐标系内，完成坐标测量、跟踪测量、准直定位、监视装配等任务。
iGPS系统主要由以下部分组成：发射器，标准的iGPS系统含有4个计量型发射器，用于高精度的计量应用；传感器（3D智能靶镜），iGPS系统支持各种不同结构的传感器，同时与3个发射器在线通信，这些传感器将自动串行地把精确的3D坐标值传送给用户；手持探头，iGPS系统在工作区域内可以同时支持无数量限制的传感器；系统软件，每套iGPS系统都配有基于位置的服务器和手持式无线客户软件，包括计量软件包；接收器电路，iGPS系统要求每个传感器连接到一个放大器和信号处理接收器电路板上。
iGPS在设置和校准过程中将会带来误差，这是因为校准和设置测量不仅包含着与发射器校正有关的误差，而且也包含着与测量有关的正常误差。因此，应要均匀、合理地采点才能使设置误差最小化。通过分析可知，在整个测量范围内，线性误差是一个常量;而其余误差均与方位角、仰角或测量过程有关。
激光跟踪仪技术。激光跟踪仪是以激光干涉仪、绝对测距仪为测距手段、以绕两个轴转动的角度编码器为测角手段的移动式坐标测量机。激光跟踪仪系统包括反射镜、角度编码器、电机、位置探测器、分光镜、干涉镜、绝对距离探测器等部分，可以轻松实现目标的静态坐标测量和动态轨迹跟踪，是一种高精度、高分辨率、大范围、智能化动态测量仪器。
气垫运输技术
根据大型飞机柔性装配的生产组织，如何能够使这些重载部件在生产线工位间，以及装配型架的灵活移动是摆在面前的主要问题。结合国外大型飞机的装配实践，具有承载力强、行走灵活、自动化程度高的气垫技术是解决此问题一种比较好的途径。气垫运输装置利用气体薄膜技术托起并移动载荷，该技术在国外有着广泛的应用，并向自动控制、自动定位高性能方向发展，已达到千吨级承载，并通过远程遥控技术将气垫运输应用于核废料处理、放射性环境、易燃易爆环境。目前国内在变压器行业、高速列车制造、冶金等行业所应用到大吨位、高性能气垫运输车（40吨以上级）几乎全部是国外进口。随着我国大飞机等重大项目的实施，发展新的符合国内装配需求的气垫运输装备已成为必然趋势。
气垫搬运装置的概念包括气垫搬运装置本身及该装置的工作环境。气垫装置由支撑悬浮的气垫单元和驱动行走单元组成，气垫单元又包括自适应控制器、支承块、气囊等。驱动行走单元是根据负载的大小而配置的特定装置，该装置提供驱动力和转向能力，可通过有线或者无线进行操作。工作环境是指较平滑的工作地面。此外，气垫装置工作时需要压缩空气，这可利用工厂内部的压缩空气系统，也可以使用单独的空气压缩机。
气垫运输技术具有以下几方面的技术优势：根据有线操作单元设定的参数或无线发射的数据控制气垫运输装备的定位运行，或者运行过程中检测到信号后控制气垫运输装备的定位运行，使运输装备具有防碰撞的能力；根据动态高度传感器检测的地面坡度的变化，通过调节高频响气流比例调节阀，控制系统对多组气垫单元进行同步控制，提高运输装备运行的平稳性和安全性，减少噪音；直线运动时，根据导引带或方向偏摆传感器检测的信号，调整转向驱动机构，从而调节运输装备的行走方向。
数字化测量技术与气垫技术在飞机装配中的应用
波音和空中客车公司，其飞机装配工艺与设备产生了根本的变化，其中iGPS在飞机装配中得到了广泛的应用。iGPS系统能够建立一个大尺寸的空间坐标系，并且一旦建立后，所有的测量任务，如坐标测量、跟踪测量、准直定位、监视装配等都能够在这个坐标系下完成。将飞机装配由传统的型架改为多维运动的装配单元，采用先进的控制技术与测量技术，通过装配单元的群控，精确定位实现了飞机的柔性装配，极大地提高了飞机的装配效率，而这些装配单元的水平位置移动、位置旋转等的移动均有气垫运输系统实现。
iGPS的应用。美国波音飞机制造公司从1998年开始研究iGPS测量技术，该系统已应用于从波音747到F/A-18，波音777等飞机整机的装配线中。
激光跟踪仪技术在飞机大部件对接中的应用。激光跟踪仪是大尺寸测量的首选设备，在飞机装配过程中的应用也越来越广泛。
我国的支线飞机ARJ21首次大规模地使用了数字化三维设计和激光跟踪仪，利用CATIA软件，建立整机的三维数字化模型，每个零件在飞机坐标系下都有一个三维坐标，激光跟踪仪的激光照射到被测点上，仪器接收反射回的激光束，通过编码器计算，给出被测点的三维坐标，得出当前被测点的位置与理论位置的偏差。在ARJ21飞机的装配中利用激光跟踪仪实现数字化测量，检查机翼装配后的上反角等关键角度和位置，调整装配偏差。
气垫技术的应用。在国外，气垫运输技术有着广泛的应用，技术较为成熟，随着计算机与电子技术的飞速发展，气垫运输设备向自动控制、自动定位高性能方向发展，吨位也越来越大，已达到1000吨级，采用遥控技术的气垫运输技术应用于核废料处理、放射性环境、易燃易爆环境。
近年来，气垫运输技术在气体流量自动调整、移动自动控制、运动平稳性控制方面有了进一步的发展，其应用范围进一步扩大，特别是在大飞机装配方面，通过与飞机装配厂房内的iGPS和激光跟踪仪组成的飞机装配测量坐标系统通讯，气垫运输设备安装有测量接收系统，实现了气垫运输与飞机装配对接系统控制的广泛应用。
在航空工业领域，美国AeroGo公司自1967年开始为美国波音公司提供气垫运输方式，开创气垫技术应用的先河，气垫技术开始逐步得到重视和发展。
Solving公司于1977年在芬兰创建，从最初的民用气垫悬浮移动设备开始，逐步开发出迎合市场需求的各类工业气垫悬浮运输解决方案。英国皇家空军“鹞”式垂直起降战斗机支援服务中心采用了芬兰Solving公司所提供的悬浮移动设备进行战斗机的维修和组装。它可以非常方便的将分解开的机身和其他组件在6个测试检查车间内来回移动并最后组装。
在国内，由于技术基础不同及应用程度的差异，应用状况及技术发展水平较低，目前绝大多数还是采用人工推动方式，运输吨位也较小，由于对气垫运输了解不多，生产工艺规划往往也采用一般的起吊方式。近些年来，国内企业也开始应用气垫车的，对产品和装配型架进行厂房内移动定位，包括天津空客A320生产线、上飞公司、西安变压器公司和ABB变压器公司等。空客天津飞机装配厂使用气垫运输装配平台，该平台实际是一个工作站，上面集成了测量、气动、电控等功能，使得飞机装配效率大大提高，最终将达到每周装配一架的水平。
我国大飞机制造起步较晚，与国外先进水平相比差距较大。但通过采用iGPS、激光跟踪仪等先进精确测量、定位技术和气垫运输技术，可在较高的技术起点上提高我国大飞机装配技术水平，缩小与国外先进水平差距，提高工作效率，节约成本，是实现我国大飞机的柔性装配制造的重要组成部分