一種預(yù)連接技術(shù)的研究

林振華，王仕虎，張改華，朱 媛

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

目前結(jié)構(gòu)連接中采用鉚釘或螺栓連接較多。采用鉚釘或螺栓連接在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中經(jīng)常涉及邊距問題。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中由于裝配的誤差積累往往導(dǎo)致某些零件的連接邊距不足，如鉆孔后才發(fā)現(xiàn)邊距不足，就可能造成零件報(bào)廢[1]。目前，一種控制鉚釘或螺栓連接邊距的方法就是預(yù)先在零件上畫線，這種方式存在的問題主要有：1）使用手工畫線，效率低下；2）測(cè)量和畫線產(chǎn)生誤差，精度不高；3）使用利器作標(biāo)記，可能損傷零件表面質(zhì)量，降低零件質(zhì)量。

1 預(yù)連接技術(shù)的設(shè)想

如能在不損傷零件前提下，快速精確檢測(cè)零件連接邊距，提前預(yù)知連接效果，將有效提高生產(chǎn)效率。設(shè)想一檢測(cè)連接邊距方法，如圖1所示，零件A、B待連接，假定一預(yù)連接點(diǎn)N和連接方向S，零件A保證最小邊距P，求零件B連接邊距L，可轉(zhuǎn)化求零件B上連接點(diǎn)M的位置，若M點(diǎn)位置得知，就可以測(cè)得零件B連接邊距L。

2 預(yù)連接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案

2.1 平行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

2.1.1 組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由2個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)，3組伸縮桿、1個(gè)滑套和2個(gè)激光組成。結(jié)構(gòu)如圖2所示，平行四邊形結(jié)構(gòu)abcd和平行四邊形結(jié)構(gòu)efgh采用鉸鏈連接，桿ad與伸縮桿1外桿固連并且相互垂直，滑套P與伸縮桿1內(nèi)桿固連，滑套P保證fg桿滑動(dòng)方向垂直于伸縮桿1。ab桿與伸縮桿2外桿固連并共線，ef桿與伸縮桿2內(nèi)桿固連并共線。激光E光束與dc桿共線，激光F光束與伸縮桿3共線。平行四邊形abcd的邊長(zhǎng)bc與平行四邊形efgh的邊長(zhǎng)eh相等。

圖1 零件預(yù)連接示意圖

圖2 平行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)連接示意圖

2.1.2 實(shí)現(xiàn)原理

由平行機(jī)構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)可得，ad桿與fg桿平行，又由ab桿與ef桿共線，由平行四邊形特性及bc桿與eh桿等長(zhǎng)可知，dc桿與gh桿共線，所以激光E光束與激光F光束共線。調(diào)節(jié)激光E光束與連接方向S一致，激光射在預(yù)連接點(diǎn)N上，根據(jù)連接零部件的形狀適當(dāng)調(diào)整3組伸縮桿的長(zhǎng)度，激光F光束在零部件的照射點(diǎn)M就是和預(yù)連接點(diǎn)N對(duì)應(yīng)的連接點(diǎn)。

2.1.3 誤差分析

平行四邊形鉸鏈連接存在間隙，引起平行四邊形對(duì)邊的角度誤差，兩激光照射方向產(chǎn)生誤差角。如圖3所示，L1為af的間距，L2為點(diǎn)g與激光F照射點(diǎn)k的距離，△θ1為af相對(duì)cd的誤差角，△θ2為gh相對(duì)af的誤差角，δ為預(yù)連接點(diǎn)M的位置誤差。

連接點(diǎn)M的位置誤差表示為，

由上式可知，連接點(diǎn)M的位置誤差與L1，L2，△θ1，△θ2線性相關(guān)。

要減小連接點(diǎn)M的位置誤差有兩種方式，其一是在許可的情況下減小L1和L2，另一措施是減小△θ1，△θ2。

運(yùn)用平行機(jī)構(gòu)滿足兩激光束共線，通過兩激光在連接零件的照射點(diǎn)檢測(cè)連接邊距。此檢測(cè)裝置在連接結(jié)構(gòu)兩側(cè)需要有較好的通路。

圖3 平行機(jī)構(gòu)誤差簡(jiǎn)化圖

2.2 激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)

2.2.1 組成結(jié)構(gòu)

如圖4所示，系統(tǒng)由伸縮桿1、伸縮桿2、伸縮桿3、激光E、激光F等組成。點(diǎn)a、b、c、d、e及激光束S、R共面。伸縮桿1與伸縮桿2相互垂直，伸縮桿1內(nèi)桿與伸縮桿2外桿固連，伸縮桿2與伸縮桿3相互垂直，伸縮桿2內(nèi)桿與伸縮桿3外桿固連。激光F可繞d轉(zhuǎn)動(dòng)，激光F照射方向與轉(zhuǎn)動(dòng)臂de共線。N，f點(diǎn)分別為激光E、F在零件的照射點(diǎn)。M為零件B上與預(yù)連接點(diǎn)N對(duì)應(yīng)的理想連接點(diǎn)。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)原理

如圖 5所示，L1，L2，L3分別為伸縮桿1，伸縮桿2，伸縮桿3長(zhǎng)度，L4為轉(zhuǎn)動(dòng)臂de長(zhǎng)度，S1，S2分別為激光E、F檢測(cè)距離，dg為與aN的平行線，θ為dg與df的夾角，P1，P分別為f，M與dg距離。

圖4 激光測(cè)距裝置組成結(jié)構(gòu)圖

圖5 激光測(cè)距裝置實(shí)現(xiàn)預(yù)連接技術(shù)原理圖示

L1，L2，L3，L4長(zhǎng)度已知，S1，S2可通過激光測(cè)距測(cè)得[2，3]，根據(jù)已知條件可得，P=L1-L3

要使激光指向連接點(diǎn)位置M，即要滿足，P1=P，設(shè)此時(shí)θ為θ′。

θ為可測(cè)值，當(dāng)實(shí)測(cè)值與理論值相等時(shí)，即θ= θ′時(shí)，f與M重合，激光照射點(diǎn)f即為連接點(diǎn)位置。

2.2.3 誤差分析

首先分析d點(diǎn)的位置誤差，假設(shè)△θ1，△θ2，△θ3分別為aN與ab，ab與bc，bc與cd的垂直誤差角，如圖6所示。

圖6 激光測(cè)距裝置誤差示意圖

由△θ1(i=1,2,3) (rad)＜＜Lk(k=1,2,3) (m)，d點(diǎn)的位置誤差可近似為，

再分析預(yù)連接點(diǎn)M的位置誤差，如圖7所示，M為預(yù)連接點(diǎn)，點(diǎn)M′為M的誤差點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算條件可知，點(diǎn)M′與d′的垂直距離為p，點(diǎn)M與d的垂直距離也為p，所以有δ=△dy，又△dy≈L2△θ2，故有，

由上式可知，要提高預(yù)連接點(diǎn)的位置精度，最有效的措施為提高ab與bc的垂直度，并盡可能減小bc的長(zhǎng)度。

圖7 激光測(cè)距裝置預(yù)連接點(diǎn)位置誤差示意圖

運(yùn)用激光測(cè)量距離及兩激光源的相對(duì)位置關(guān)系，得出激光照射的理論角θ′。調(diào)節(jié)激光照射實(shí)際角度θ與理論角度θ′一致，檢測(cè)預(yù)連接點(diǎn)位置。此檢測(cè)裝置可運(yùn)用在連接結(jié)構(gòu)一側(cè)通路不好，但需要連接位置從外部可視。

3 結(jié)論

本文提出了預(yù)連接技術(shù)設(shè)想，預(yù)連接技術(shù)可以快速無損地檢測(cè)連接件兩側(cè)連接邊距，能有效防止錯(cuò)誤連接和錯(cuò)位連接，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值潛力。針對(duì)結(jié)構(gòu)件預(yù)連接設(shè)想，提出了平行機(jī)構(gòu)和激光測(cè)距裝置兩種實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)兩種實(shí)現(xiàn)方案作了誤差分析，得出影響誤差的主要因素，控制影響誤差的主要因素可提高預(yù)連接測(cè)量的精度。

[1]王寶忠，飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) （結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)） [M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[2]孫渝生，激光多普勒測(cè)量技術(shù)及其運(yùn)用[J].上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社出版，1995.

[3]鄧開發(fā)，陳洪，是度芳，陳新.激光技術(shù)與運(yùn)用 [M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2001.270-280.