基于裝配順序的飛機裝配容差信息建模

洪建勝， 李迎光， 宋文娟， 汪 磊

（1. 成都飛機工業(yè)集團有限責任公司，四川 成都 610091；2. 南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016）

飛機機體的結(jié)構(gòu)和形狀復雜，零件尺寸大、剛性小，在裝配過程中容易產(chǎn)生變形。飛機機體從零件加工到部件裝配直至總裝，工藝路線長，同時所用的工藝裝備種類和數(shù)量繁多，因此產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)多，是不可能僅僅靠提高零組件自身的制造準確度來解決裝配中的互換協(xié)調(diào)問題[1-2]。而進行合理的容差分析來保證裝配中的互換協(xié)調(diào)是飛機制造的關鍵技術之一，是飛機制造不同于一般機械制造的特別之處，在飛機數(shù)字化制造條件下，容差分析同樣也是飛機數(shù)字化裝配技術的重要內(nèi)容。

容差信息表示模型可分為依賴于實體模型和獨立于實體模型的表示模型[3]。依賴于實體模型的表示模型有基于CSG(Constructive Solid Geometry)的容差信息表示模型、基于B-Rep(Boundary Representation)的容差信息表示模型以及基于CSG/B-Rep混合的容差信息表示模型等，獨立于實體模型的表示模型可分為基于TTRS(Topologically and Technologically Related Surface)的容差信息表示模型、基于容差元的容差信息表示模型以及基于特征的容差信息表示模型等[4-9]。以上模型均是以單個零件模型為基礎，對裝配件容差信息表示基本上都是以各零件容差信息表示模型為基礎，按照裝配關系表達裝配件的裝配容差信息。基于這種容差信息模型的容差分析不能反映裝配工藝信息，但飛機裝配過程中誤差的累積恰恰又與所選定的裝配工藝密切相關。

圖1 先裝骨架的尺寸構(gòu)成圖

國外對裝配仿真技術進行了深入研究并開發(fā)了裝配仿真軟件系統(tǒng)，如CATIA中的DMU、DELMIA等，但均缺少對裝配容差的分析功能。應用CETOL 6Sigma、eM-Quality等商品化容差分析軟件進行容差分析時，需要大量的人工交互操作，需人工定義尺寸鏈各組成環(huán)的要素、尺寸方向等，導致不同分析人員對同一個裝配件建立的裝配容差信息模型不同，得出不同的分析結(jié)果。同時以上容差分析軟件對裝配容差信息建模僅考慮裝配件本身的裝配約束關系，沒有考慮裝配件的裝配順序，而裝配順序決定著裝配誤差的累積方向。因此，將容差分析技術集成于裝配仿真系統(tǒng)，提出基于裝配順序的裝配容差信息建模方法，可提高容差分析的效率和質(zhì)量。

1 裝配順序?qū)ρb配容差分析的影響

一個裝配件可以有多種裝配工藝方案，裝配工藝方案不同誤差累積的情況就不同。對飛機骨架與蒙皮的裝配而言，可選骨架定位或外形定位，裝配順序分為兩種，一種是先裝骨架再裝蒙皮，另一種是先裝蒙皮再裝骨架。

1） 采用先裝骨架再裝蒙皮的裝配工藝方案時，尺寸構(gòu)成圖如圖1所示。

如果骨架零件和裝配夾具是按名義尺寸制造，那么它們裝配后骨架零件會處于圖1(a)所示的假設線l的位置。但實際情況下，骨架零件和裝配夾具的制造都不可避免會帶來誤差(gjΔ,xjΔ)，如圖1(a)所示。其基準面裝配時會形成間隙，而這一間隙由于骨架零件在力Q（迫使零件靠合裝配夾具基準表面的力）作用下變形而減小，如圖1(b)所示。將蒙皮安裝在已裝配好的骨架上時，同樣由于實際的制造情況會出現(xiàn)蒙皮與骨架表面貼合不嚴密，蒙皮有制造誤差mpΔ從而產(chǎn)生附加誤差phΔ如圖1(c)所示。

根據(jù)上述過程裝配的最終尺寸形成圖如圖1(d)所示，誤差累積尺寸鏈方程如式(1)

2） 采用先裝蒙皮再裝骨架的裝配工藝方案時的尺寸構(gòu)成圖如圖2所示。

若裝配夾具的基準表面本身有足夠大的拉進度，使蒙皮可以緊緊地壓靠在裝配夾具的基準表面上，那么產(chǎn)品的制造誤差就可以等于裝配夾具的制造誤差，即 Δxj=Δmp。但在實際制造中蒙皮的制造總是帶有不同的誤差，所以蒙皮與夾具的基準表面不能達到精確貼合，蒙皮與夾具基準面之間有間隙，間隙誤差Δjx部分間接來自裝配夾具和骨架上的坐標定位孔之間的不對合。間隙誤差Δjx即為零件夾具與蒙皮在接觸表面處的尺寸協(xié)調(diào)誤差cmp-gj如式(2)所示

圖2 先裝蒙皮的尺寸構(gòu)成圖

圖3 裝配對象的裝配順序有向圖

間隙誤差jxΔ由于蒙皮受基準定位裝置的力Q產(chǎn)生彈性變形而減小，引用一個修正系數(shù)cΦ，最終尺寸鏈方程如式(3)所示

綜上所述，在同樣裝配要求下，裝配順序不同引起誤差的累積過程不同，尺寸鏈方程也不同，因此裝配容差分析必須考慮裝配工藝中制定的裝配順序。

2 裝配順序的表示

將容差分析技術集成于裝配仿真系統(tǒng)中，飛機裝配仿真順序可通過裝配仿真軟件中路徑規(guī)劃所得的裝配仿真工序提取。通過對裝配仿真樹進行遍歷可自動獲取裝配對象的裝配順序。裝配對象的裝配順序可由有向圖表示，如圖3所示。

飛機機體裝配對象分為6級。組件為1級裝配對象，組件由兩個或兩個以上的單元零件組成，零件之間通過焊接、膠接或鉚接等連接方法連接。第2級裝配對象是壁板，壁板是指在工藝上已完成的由蒙皮和骨架零件組成的飛機機體結(jié)構(gòu)部分。第3級裝配對象是分段件，分段件是指工藝上已完成的非閉合型結(jié)構(gòu)部分，它由若干個壁板和組件借助于縱、橫向?qū)咏宇^或分離面連接而成。第4級裝配對象是段件，段件由若干個分段件、壁板和組件借助于縱、橫向?qū)咏宇^或分離面連接而成的閉合式飛機結(jié)構(gòu)部分。第5級裝配對象是部件，部件是指在工藝和結(jié)構(gòu)方面均已完成的飛機部分，并在機體的構(gòu)成中完成一定的功能。第6級裝配對象是起落架和系統(tǒng)的特種組件。

3 裝配特征約束關系的表示

裝配特征是指具有一定工程意義并可發(fā)生裝配約束關系的幾何與拓撲關聯(lián)的集合。裝配特征約束關系是指零件之間的幾何定位約束關系，即零件特征之間的一種位置關系。裝配約束關系分為：角度約束、相合約束、接觸約束和距離約束。

特征關系C可通過對約束類型、零件、特征、約束關系數(shù)值以及約束關系方向的描述來確定，如式(4)所示軸的轉(zhuǎn)動；β表示沿y軸的轉(zhuǎn)動；γ表示沿z軸的轉(zhuǎn)動。x、y、z、α、β、γ的值可有4種情況+1、-1、0、±1。對于變量x、y、z，+1表示沿x、y、z軸的正向變動，-1表示負向變動，0表示不可變動，±1表示正負方向都存在變動。對于變量α、β、γ，+1表示順時針轉(zhuǎn)動變動，-1表示逆時針轉(zhuǎn)動變動，0表示無轉(zhuǎn)動變動，±1表示兩種轉(zhuǎn)動變動都存在。

4 裝配容差信息建模

式(4)中，Type描述具體約束類型 Type={Angle, Offset, Contact, Coincidence}；Part1和Part2描述裝配特征所屬的零件標識；Feature1和Feature2標識具體的特征；Detail描述具體的約束關系數(shù)值；Direct[6]描述約束關系的變動方向(Direct[6]={x,y,z,α,β,γ})。Direct[6]={x,y,z,α,β,γ}中：x表示沿x軸方向的變動；y表示沿y軸方向的變動；z表示沿z軸方向的變動；α表示沿x

基于裝配順序的裝配容差信息模型采用層次結(jié)構(gòu)，最上層為裝配順序?qū)樱鶕?jù)裝配工藝工序建立裝配順序；第2層為裝配特征關系層，首先根據(jù)裝配順序表示各零件間的裝配關系，然后根據(jù)裝配關系提取裝配特征，并添加約束關系的相關信息；第3層為零件關鍵特征關系層，描述零件與相鄰其他零件之間相互配合的特征之間的關系；第4層為容差信息層，對裝配特征關系層以及零件關鍵特征層的特征容差具體信息進一步提取得到裝配容差信息模型的最低層容差信息。容差信息模型層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 容差信息模型層次結(jié)構(gòu)

容差信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如式(5)所示

式（5）中，Type表示容差類型Type={DT,FT,LT},DT(Dimensional Tolerance)為尺寸容差，F(xiàn)T(Form Tolerance)為形狀容差，LT(Location Tolerance)為位置容差；Feature1、Feature2分別描述與容差相關的零件特征；Dc表示尺寸數(shù)值；Tolu表示容差上偏差； T oll表示容差下偏差；Dir[6]描述容差的變動方向（同約束變動描述），Dir[6]={x,y,z,α,β,γ}。

5 裝配尺寸鏈的生成

裝配尺寸鏈是指裝配件中存在的一組或多組尺寸/容差按照一定規(guī)律相互關聯(lián)構(gòu)成的封閉鏈路。組成尺寸鏈的各尺寸稱為尺寸鏈的環(huán)。其中在裝配或加工過程最終被間接保證精度的尺寸稱為封閉環(huán)，其余尺寸稱為組成環(huán)。在裝配中，封閉環(huán)通常代表產(chǎn)品的技術要求，體現(xiàn)裝配質(zhì)量指標。對于復雜的飛機產(chǎn)品，由于結(jié)構(gòu)復雜零件數(shù)目繁多，尺寸容差信息較多，在封閉環(huán)的誤差形成與裝配件的裝配過程相關的情況下，若能自動提取裝配件中尺寸鏈的組成環(huán)信息，其效率將大大提高?；谝陨先莶钚畔⒛Ｐ停b配尺寸鏈組成環(huán)信息的獲取流程如下：

Step 1 輸入裝配要求的尺寸容差信息，即確定封閉環(huán)；

Step 2 根據(jù)裝配件結(jié)構(gòu)、技術要求、生產(chǎn)約束和相應的工藝方法，確定組成環(huán)，并構(gòu)成尺寸鏈；

Step 3 對容差信息模型進行初步檢索，獲取相關信息；

Step 4 對 Step2中得到的相關信息進行整理獲取深層檢索對象，進行深層檢索獲取組成環(huán)容差信息；

Step 5 確定裝配尺寸鏈的增減環(huán)。

6 基于 DELMIA 的飛機容差信息建模

DELMIA是飛機制造和汽車制造領域得到廣泛應用的數(shù)字化制造系統(tǒng)，基于 DELMIA軟件平臺進行二次開發(fā)，將容差建模技術融入該系統(tǒng)，使飛機裝配仿真有了與裝配順序相關的容差信息，在工程上應用中取得了較好的應用效果，系統(tǒng)中裝配容差建模的流程是：① 進入裝配容差建模模塊，獲取裝配仿真工序裝配順序，并將裝配件按照裝配順序列于對話框中，依據(jù)裝配順序相關的零件讀取相應的特征，并根據(jù)裝配件三維裝配約束關系提取裝配特征關系。② 根據(jù)裝配特征約束關系獲取零件關鍵特征列表，并依照零件關鍵特征關系添加容差信息，輸入封閉環(huán)容差信息。③ 封閉環(huán)信息檢索提取組成環(huán)信息，生成裝配尺寸鏈方程，用戶可根據(jù)設計需求對檢索結(jié)果進行修正。

7 結(jié) 束 語

本文提出了一種基于裝配順序的裝配容差信息建模方法：

1） 將容差分析技術集成于裝配仿真軟件，通過裝配仿真路徑規(guī)劃可自動獲取裝配順序，以此為基礎提取裝配約束關系及相關的關鍵特征，獲取相應的組成環(huán)容差信息，減少了人工容差信息建模的交互操作，提高了裝配容差信息的建模效率；

2） 以裝配順序為基礎獲取裝配容差信息，考慮了裝配順序?qū)ρb配誤差累積過程的影響，為后續(xù)容差分析的準確性提供了保證。

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