线束装配
-
2023年3月20日发(作者：聪明的乌龟故事)基于层次模型的线束装配定位方法研究
池梁;闫静;高科;李伟
【摘要】为了提高飞机线束的装配效率和装配质量,提出了确定线束装配定位方法
的总体流程,通过提取线柬3D模型数据信息,建立了基于父子分支的线束层次数据
链模型.提出一种新的线束展平角计算方法,并按照线束层次模型将线束进行展平,最
终在2D展平图上确定出线束安装定位标记的位置,通过编程在MATLABGUI中搭
建了装配定位平台,实验表明,该方法能够在制造出的线束上进行标记,可以指导生产
以及现场装配.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2019(048)003
【总页数】5页(P25-28,36)
【关键词】飞机;线束装配;定位;层次数据链模型;展平
【作者】池梁;闫静;高科;李伟
【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机
电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空
航天大学机电学院,江苏南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
0引言
线束在飞机上的作用类似于人体的神经网络，飞机线束敷设、固定和连接的正确性、
可靠性将影响到各部件的正常工作状态。合理的线束敷设，可以有效提高生产质量，
缩短生产时间，减少工作强度，降低生产成本，提高生产效率[1]。波音747的线
束敷设长度为274km，空客A380更是达到500km[2-3]。如此众多的线束面临
的首要问题便是如何准确且有效率地进行机上装配，减少装配过程中的反复协调。
目前企业普遍存在设计与工艺分离的情况[4]，即在线束的制造流程中，工艺文件
上明确要求在线束上要有安装定位标记，但在装配现场，只有少数线束标有安装定
位标记，而且标记也没有完全给定，仍需要工人根据自己的工作经验，人为地确定
线束安装的定位基准以及固定点等。因此，飞机线束装配存在成本高、效率低的问
题，尤其是在确定线束定位基准点、固定点的过程中，由于工人的工作经验以及工
作习惯的差异，在线束上标定时存在较大的人为误差，当误差累积到一定程度时，
就会出现线束安装末端过长或过短的情况。究其原因是在线束装配、制造阶段，缺
失了装配定位体系的制造标识。
在线束装配方面，尚炜、侯伟伟等人[5-6]提出一种层次链装配过程模型，将线束
装配任务进行有序表达，但构建的层次图中各实体间的联系并不紧密。在线束定位
方面，国外学者的研究工作主要集中于通过设计一些机械辅助装置来对线束进行定
位[7-9]，国内主要研究查找线束故障点的定位方法[10]以及线束整体探测定位[11]
的方法，并没有涉及到线束在复杂机电产品的装配过程中，如何对线束上的某一点
或者某一段进行定位。
基于此，提出对飞机线束的装配定位方法进行研究，尝试建立线束装配定位系统。
研究目的在于规范线束装配工艺流程、降低装配成本、提高装配效率，降低装配工
人劳动强度。
1飞机线束装配定位技术
线束的3D模型主要包括分支数量、分支直径、分支长度、束段直径、束段长度以
及坐标点等信息，将这些信息整理汇总构成原始数据表，在此基础上确定出线束装
配定位系统总体流程如图1所示。
图1线束装配定位系统总体流程
1.1卡箍点判断
图2是一种飞机线束用的带楔边的橡胶衬垫卡箍，当线束安装并用卡箍固定后，
线束与卡箍的相对位置不再发生变化，CATIA中的线束模型也不会产生拉伸与变
形，即卡箍前后端面在线束上的位置已经确定。因此，卡箍点的判断完全可以从线
束上的点入手，通过分析前后端面在线束上的映射点来判断相应的卡箍点位置。
图2带楔边的橡胶衬垫卡箍
根据CATIA软件中线束模型构造过程可知，在线束三维模型中，以束段为基本单
位，束段上的点只包含束段端点以及固定点，去除束段两端的端点，剩余的点即为
卡箍点。由于固定在卡箍内部的线束呈直线状态，因此，只需判断相邻2点间的
距离是否符合卡箍的长度要求，即可确定这2个点是否为同一个卡箍上的前后面
的中心点，最终将判断结果写入原始数据表中。
1.2线束层次数据链模型
根据数据库知识的实体-联系理论，确立了线束的4个基本实体，分别为线束、分
支、束段、卡箍点，构建线束的ER模型如图3所示。
图3线束信息ER图
对线束信息进行归纳整理，得到线束的层次组织结构，如图4所示。从图中可以
看出，一条线束可以由多条分支构成，各分支包含分支ID、分支起点、固定点、
分支终点等信息，各分支又由多个束段构成，各束段包含束段起点、固定点、束段
终点等信息，其中，束段中的固定点是对分支中固定点的进一步分解。
a)父子分支判断方法
根据CATIA软件中线束模型的建模过程，最初建立的分支模型即为根分支，其他
分支都是在其基础上创建而成。因此，取在CATIA模型树中出现的第1条分支确
定为根分支。于是，父子分支关系的判断方法如下：
设有
分支A=(A起点，束段间隔点A1，束段间隔点A2，…，束段间隔点As，A终点)
分支B=(B起点，束段间隔点B1，束段间隔点B2，…，束段间隔点Bt，B终点)
如果分支A起点∈分支B，且分支A起点=束段间隔点Bi(i∈(1,s))，则分支A为
分支B的子分支，分支B为分支A的父分支，且分支A衍生于父分支上的Bi点。
式中s、i分别为分支A、B束段间隔点的个数。
图4线束层次组织结构
b)各级分支数据结构
1)线束所有分支数据：
ArrayofBran=[Bran1ID,…,BraniID,…,BrannID]
式中：BraniID(i∈[1,n]，n为分支总数)为分支i的ID；Bran1ID为根分支ID，
记为RootID。
2)分支b(Branb)上的所有点表示为：
Kpoint=[BranbID,SegPt1,…,SegPtj,…,SegPtm]
式中SegPtj(j∈[1,m]，m为分支b束段间隔点数)表示第j个束段间隔点。
3)衍生于根分支上点M的一级子分支(Branj)数据表示为：
4)二级子分支间接衍生于根分支上的束段间隔点，则在上式基础上，衍生于一级
子分支(Branj)上点N的二级子分支(Brank)数据表示为：
1.3线束展平
a)线束展平角的计算
在线束3D图中(图5)，根分支3D单位矢量的确定方法为在根分支上选取两个点，
一个点是其第1条一级子分支的衍生点m1，另一个点是根分支上距离点m1最近
的卡箍点端点m2(如果没有卡箍点，则令分支末端点为m2)，则基准分支(根分支)
的3D单位矢量q1为：
图5线束展平角计算
一级子分支3D单位矢量的确定方法为在该一级子分支上选取该一级子分支的衍生
点m3，另一点为在该一级子分支上距离点m3最近的卡箍点端点m4(如果没有卡
箍点，则令分支末端点为m4)，则该一级子分支的3D单位矢量q2为：
则一级子分支的展平角θ1为：
二级子分支3D单位矢量的确定方法为在一级子分支上选取该二级子分支的衍生点
m5，另一点为在该二级子分支上距离点m5最近的卡箍点端点m6(如果没有卡箍
点，则令分支末端点为m6)，则该二级子分支的3D单位矢量q3为：
二级子分支的展平角θ2为：
b)线束展平步骤
计算出线束一级子分支和二级子分支的展平角之后，对线束按层次模型进行展平处
理，如图6所示。图中，ai、bj、ck分别为各级分支上的束段间隔点；ax、bx、
cx分别为各级分支上的任意点；θ1、θ2分别为一级子分支与二级子分支的展平角；
l0(i-1)、l1(j-1)、l2(k-1)分别为各级分支上第(i-1)、(j-1)、(k-1)个束段的长度。
图6线束展平坐标确定
具体展平方法如下所示：
1)确定线束展平2D坐标轴
本文以根分支作为基准，根分支展平后所在的直线为x轴，则垂直于根分支的直
线为y轴，以根分支的起点作为坐标原点，即a1=(0,0)。
2)计算根分支上各点坐标
根分支上任意束段间隔点ai坐标为：
假设在根分支上，点at是点ax往前第1个束段间隔点，则点at与ax之间的线
束长度latax为：
式中：为点at与点ax之间的直线距离；st为线束松弛度，本文给定的松弛度为
0.1%。
则根分支上任意一点(束段间隔点除外)ax的坐标为：
3)计算一级子分支上各点坐标
一级子分支上任意束段间隔点bj坐标为：
同理得一级子分支上任意一点(束段间隔点除外)bx坐标为：
式中:点bt是点bx往前第一个束段间隔点；lbtbx为点bt与bx之间的线束长度。
4)计算二级子分支上各点坐标
二级子分支上任意束段间隔ck坐标为：
二级子分支上任意一点(束段间隔点除外)cx坐标为：
式中：点ct是点cx往前第一个束段间隔点；lctcx为点ct与cx之间的线束长度。
5)展平
将各级分支的两个首末端点连接，线束的整个展平范围即已确定，再根据工艺文件
要求，将需要的束段间隔点或者卡箍点予以标记。线束展平完成后，就要在2D展
平图上标记出TIP点和CLAMP点等安装定位标记，完成最后的标记工作。
1.4在2D线束展平图上标记安装定位标记
线束安装定位标记是将线束在飞机上的重要站位、卡箍的位置，用蓝色标记或者标
识带标在线束上，用于控制线束安装后各段的长度和松弛度。其中，TIP点用于控
制主干线安装起始位置和分叉位置，CLAMP点用于控制线束连接各连接器的最后
一个卡箍位置。
在图6的基础上，安装定位标记表示如图7所示，图中，d1-d2、d3-d4、d5-d6
分别为线束各级分支上CLAMP点所对应的卡箍的两个端点，t1-t2是TIP点对应
的卡箍的两个端点，共计8个卡箍点坐标，计算出各坐标值并将计算结果存入数
据表中。
图72D线束TIP点和CLAMP点标记
2装配定位系统应用实例
图8所示为从一条线束3D模型中提取出的信息构成的原始数据表。在MATLAB
的GUI中开发出的飞机线束装配定位系统实现了线束从数据分析判断出卡箍点，
到线束2D展平，再到显示安装定位标记的全过程。
图8线束原始数据表
运行飞机线束装配定位系统，图9为线束上的点的坐标信息与判断出的卡箍结果。
图9线束坐标及卡箍判断结果
在原始数据表的基础上自动写入的数据信息如图10所示，其中包括卡箍点结果、
卡箍长度、束段点结果以及分岔角度等，同时在MATLAB的图形窗口中绘制出线
束中心线仿真图，如图11所示。
图10新写入的数据表
图11线束中心线仿真图
继续运行开发的系统平台，将线束进行展平处理，并将线束安装定位标记显示在
2D展平图上。如图12所示。
图12线束展平图及安装定位标记
3结语
线束装配定位方法的研究对于提高飞机线束的装配质量与装配效率具有重大意义，
本文通过线束3D模型数据信息的提取与分析，判断出了线束上卡箍点的具体位置，
并构建了基于父子分支的线束层次数据链模型，运用提出的线束展平方法将线束快
速展平以及对安装定位标记进行显示，真正地实现了将飞机线束安装定位标记显示
在制造出的2D线束上，用于指导生产以及现场装配。
参考文献:
【相关文献】
[1]航空制造工程手册总编委会.航空制造工程手册:飞机装配[M].第2版.北京：航空工业出版社，
2010：677-719.
[2]郭念辉,马伟泽.关注民用飞机电缆布线及其技术[J].国际航空,2009(11):44-45.
[3]安志勇,曹秒,段洁.数字化测量技术在飞机装配中的应用[J].航空制造技术,2013,438(18):48-
51.
[4]刘检华，万毕乐，孙刚，等.线缆虚拟布线与敷设过程仿真技术[J].计算机集成制造系统,
2012(4):787-795.
[5]尚炜，宁汝新，刘检华，等.复杂机电产品中的柔性线缆装配过程仿真技术[J].计算机辅助设计
与图形学学报,2012(6):822-831.
[6]侯伟伟，刘检华，宁汝新，等.基于层次链的产品装配过程建模方法[J].计算机集成制造系统,
2009(8):1522-1527.
[7]oldingAndPositioningDevice:US,WO/2007/142985[P].2007.
[8]LittleTF,ssemblyHavingPositioningMeansSecuringFiberThereof:
US,US2A1[P].2011.
[9]tusforpositioningacablebehindafixedstructure:US,US
2A1[P].2005.
[10]胡明影.矿用电缆故障点定位方法的研究[D].淮南：安徽理工大学,2016.
[11]陈士俊.10kV电缆定位及数据维护方法研究[D].北京：华北电力大学,2015.