基于數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)的航天產(chǎn)品工藝容差應(yīng)用研究

王學(xué)剛 李 揚 郝 丁 張 恒 劉海燕 易 帆 許 猛 李秀春 呂華英

?

基于數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)的航天產(chǎn)品工藝容差應(yīng)用研究

王學(xué)剛 李 揚 郝 丁 張 恒 劉海燕 易 帆 許 猛 李秀春 呂華英

（首都航天機械公司，北京 100076）

針對航天產(chǎn)品協(xié)調(diào)特點，分析數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)在航天產(chǎn)品制造中的應(yīng)用難點，采用極限法分析數(shù)字量協(xié)調(diào)與模擬量協(xié)調(diào)并存情況下多種協(xié)調(diào)方式的多項環(huán)節(jié)誤差，提出了協(xié)調(diào)孔及測量銷工藝容差分配方法，并開展了相關(guān)工藝試驗，為數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用提供參考。

數(shù)字量協(xié)調(diào)；模擬量協(xié)調(diào)；工藝容差

1 引言

航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件具有形狀復(fù)雜、定位精度高、協(xié)調(diào)關(guān)系多且協(xié)調(diào)度要求高等特點，由于加工設(shè)備、制造工藝等方面的差異，目前航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件主要通過模擬量協(xié)調(diào)的方式保證產(chǎn)品協(xié)調(diào)關(guān)系滿足總體協(xié)調(diào)要求。隨著CAD和CAM技術(shù)的迅速發(fā)展，以及產(chǎn)品數(shù)字化定義的廣泛應(yīng)用，為在航天產(chǎn)品制造中大力推廣數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)創(chuàng)造了條件。

數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)指以產(chǎn)品的幾何形狀尺寸的數(shù)字量信息直接進(jìn)行傳遞并采用數(shù)字化設(shè)備制造工裝和零/組/部件，從而保證產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性。相較于傳統(tǒng)的模擬量協(xié)調(diào)技術(shù)，數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)具有傳遞環(huán)節(jié)少、累計誤差小和協(xié)調(diào)度高等特點[1]。

2 航天產(chǎn)品協(xié)調(diào)特點

航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件從規(guī)則外形向非規(guī)則外形方向發(fā)展，相較于汽車、飛機等常見產(chǎn)品，航天產(chǎn)品在外形、尺寸、協(xié)調(diào)精度等方面均存在顯著差異[2]。典型航天產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 典型航天產(chǎn)品示意圖

航天產(chǎn)品部段對接一般采用以定位銷定位為基準(zhǔn)的多組孔對接結(jié)構(gòu)形式，為保證部段的裝配精度和協(xié)調(diào)性，必須保證各部段對接協(xié)調(diào)孔的制孔精度。在現(xiàn)有設(shè)備、工藝、管理等生產(chǎn)條件下，批產(chǎn)航天產(chǎn)品部段對接協(xié)調(diào)均采用標(biāo)準(zhǔn)工裝協(xié)調(diào)的方法實現(xiàn)，即通過實體鉆模的模擬量形式傳遞對接協(xié)調(diào)孔的位置尺寸，從而保證對接協(xié)調(diào)孔的位置一致性，如圖2所示。

圖2 鉆模模擬量協(xié)調(diào)方式示意圖

3 數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)應(yīng)用難點分析

為適應(yīng)航天產(chǎn)品數(shù)字化裝配需求，同時隨著數(shù)控制造技術(shù)的不斷提高和廣泛應(yīng)用，采用數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)是航天制造業(yè)的發(fā)展趨勢，由于加工能力、工藝方法和制造成本等因素的限制，數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)將長期僅限于某些特定產(chǎn)品的局部應(yīng)用，從而存在數(shù)字量協(xié)調(diào)和模擬量協(xié)調(diào)兩種協(xié)調(diào)方式并存的情況，鑒于兩種協(xié)調(diào)方式存在不同的環(huán)節(jié)誤差，如何保證數(shù)字量協(xié)調(diào)中工藝容差[3]滿足協(xié)調(diào)要求成為亟需解決的難題。

4 數(shù)字量協(xié)調(diào)工藝容差分析

針對航天產(chǎn)品部段一般以定位銷孔定位為基準(zhǔn)的多組孔協(xié)調(diào)形式，通過探討其對接協(xié)調(diào)孔可能存在的加工方式，采用極限法[4]分析協(xié)調(diào)誤差中的多項環(huán)節(jié)誤差，通過合理分配協(xié)調(diào)孔及測量銷的工藝容差，為數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)在航天產(chǎn)品的實際應(yīng)用提供參考。

4.1 孔軸定位誤差分析

圖3 定位孔軸配合示意圖

設(shè)某部段端面兩定位銷孔直徑分別為1（1，1）、2（2，2），定位銷直徑分別為1（1，1）、2（2，2），如圖3所示。

（2）

4.2 多環(huán)節(jié)誤差分析

工作鉆模與標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)時，由孔軸配合產(chǎn)生的協(xié)調(diào)誤差δ，則標(biāo)準(zhǔn)鉆模與工作鉆模定位銷孔協(xié)調(diào)誤差為：

式中，D1、 D2分別為標(biāo)準(zhǔn)鉆模中兩定位孔鉆套的內(nèi)徑基本尺寸；d1、d12分別為標(biāo)準(zhǔn)鉆模中兩定位銷軸徑的基本尺寸；ES1、ES2分別為標(biāo)準(zhǔn)鉆模中兩定位孔鉆套內(nèi)徑的上偏差；ei1、ei2分別為標(biāo)準(zhǔn)鉆模中兩定位銷軸徑的下偏差。

工作鉆模中定位銷與襯套之間的誤差為：

式中，D1、D2分別為工作鉆模中兩定位孔鉆套的內(nèi)徑基本尺寸；d1、d2分別為工作鉆模中兩定位銷軸徑的基本尺寸；ES1、ES2分別為工作鉆模中兩定位孔鉆套內(nèi)徑的上偏差；ei1、ei2分別為工作鉆模中兩定位銷軸徑的下偏差。

上述兩項誤差為隨機誤差，因此協(xié)調(diào)總誤差為：

數(shù)控制孔設(shè)備的系統(tǒng)誤差δ為：

（7）

式中，δ——第個數(shù)控機床運動軸定位誤差。

測量設(shè)備測量誤差為δ。若需測量項目較少，則以所測量數(shù)據(jù)的最大誤差作為參考；若需測量項目較多，則以測量設(shè)備的系統(tǒng)誤差為參考。

4.3 多協(xié)調(diào)方式協(xié)調(diào)誤差分析

設(shè)兩對接部段相協(xié)調(diào)面分別為協(xié)調(diào)面A、協(xié)調(diào)面B，如圖4所示。其中協(xié)調(diào)面A采取數(shù)字量協(xié)調(diào)方式，采用極限法分析協(xié)調(diào)面B不同協(xié)調(diào)方式下協(xié)調(diào)面A所產(chǎn)生的總誤差（=1，2，3），協(xié)調(diào)方式見表1。

1—部段1 2—協(xié)調(diào)面A 3—協(xié)調(diào)面B 4—部段2

表1 協(xié)調(diào)方式表接頭

協(xié)調(diào)方式協(xié)調(diào)面A協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)源協(xié)調(diào)面B試對協(xié)調(diào)度方式 方式一數(shù)字量數(shù)字鉆模數(shù)字量數(shù)字測量 方式二數(shù)字量工作鉆模模擬量工作鉆模 方式三數(shù)字量工作鉆模模擬量數(shù)字測量

方式一：協(xié)調(diào)面A、協(xié)調(diào)面B均以所采集標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)為輸入數(shù)字量協(xié)調(diào)。

式中，為采集產(chǎn)品協(xié)調(diào)信息產(chǎn)生的最大誤差。

方式二：協(xié)調(diào)面A以所采集標(biāo)準(zhǔn)鉆模數(shù)據(jù)為輸入數(shù)字量協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)面B采用模擬量協(xié)調(diào)。

a. 若協(xié)調(diào)面A采用工作鉆模試對協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度[5]

式中，為采集標(biāo)準(zhǔn)鉆模協(xié)調(diào)信息所產(chǎn)生的最大誤差；3為工作鉆模中測量銷與鉆套之間的誤差。

b. 若協(xié)調(diào)面A采用數(shù)字測量協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度

方式三：協(xié)調(diào)面A以所采集工作鉆模數(shù)據(jù)為輸入數(shù)字量協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)面B采用模擬量協(xié)調(diào)。

a. 若協(xié)調(diào)面A采用工作鉆模試對協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度

b. 若協(xié)調(diào)面A采用數(shù)字測量協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度

（12）

4.4 工藝容差相關(guān)結(jié)論

a. 為保證采用工作鉆模所制孔滿足產(chǎn)品協(xié)調(diào)要求，則需保證：

b. 方式二中采用工作鉆模試對協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度，則測量銷直徑d與產(chǎn)品定位孔孔徑1關(guān)系為：

（14）

c. 方式三中采用工作鉆模試對協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度，則測量銷直徑d與產(chǎn)品定位孔孔徑1關(guān)系為：

e. 現(xiàn)有設(shè)計文件針對定位孔間距尺寸一般標(biāo)注為“尺寸（工具）”，導(dǎo)致該狀態(tài)下采用數(shù)字量協(xié)調(diào)則引入測量誤差、協(xié)調(diào)誤差，因此后續(xù)設(shè)計文件可通過確定協(xié)調(diào)尺寸公差作為產(chǎn)品數(shù)字量協(xié)調(diào)輸入，從而有效減少誤差環(huán)節(jié)。

5 試驗研究

根據(jù)現(xiàn)有實際生產(chǎn)方式，本試驗以某型號產(chǎn)品端面上對接協(xié)調(diào)孔2-mm和定位銷mm為研究對象，以協(xié)調(diào)方式三中采用工作鉆模試對協(xié)調(diào)方式建立工藝試驗技術(shù)路線，如圖5所示。

圖5 端面制孔工藝試驗技術(shù)路線圖

5.1 試驗分析

采用三坐標(biāo)測量機采集工作鉆模上對接協(xié)調(diào)孔孔位信息，并分別計算兩孔的測量誤差，如表2所示。

表2 工作鉆模對接協(xié)調(diào)孔孔位信息表

編號定位孔/mm極半徑/mm極角/（°）測量誤差/mm 理論數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)理論數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù) 1Φ228227.9922.522.49760.0032 2227.98127.5127.50220.0022

由于測量項目較少，以所采集數(shù)據(jù)的最大誤差作為測量誤差δ，由表1數(shù)據(jù)得δ=0.0032mm。

采用五軸數(shù)控機床FERMAT WFT-13-CNC加工對接協(xié)調(diào)孔2-mm，見圖6。該數(shù)控機床各運動軸定位精度均為0.015mm/m，代入式（7），得：

以所采集工作鉆模對接協(xié)調(diào)孔孔位數(shù)據(jù)為輸入，編制數(shù)控加工程序并仿真，將加工程序輸入數(shù)控設(shè)備加工試驗件，樣件如圖7所示。

圖7 樣件示意圖

圖8 試對局部示意圖

5.2 理論分析

mm

0.3535mm

若采用146定位插銷作為測量銷，則δ3=0.0636mm。

根據(jù)產(chǎn)品具體尺寸，確定δ=0.0335mm。

將上述各環(huán)節(jié)誤差代入式（11），則對接協(xié)調(diào)孔2-mm所產(chǎn)生的累積誤差為=0.1902mm。

根據(jù)所計算的累積誤差，將產(chǎn)品對接協(xié)調(diào)孔mm實際鉸制至14.18mm，按式（15）計算測量銷的直徑d，計算整理得d=mm。

綜上，可知：

a. 累積誤差δ=0.0899mm＜0.1mm，其滿足式（13），則說明從工作鉆模上所采集的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)有效；

b. 實際制孔14.18mm與測量銷mm滿足式（15），則說明協(xié)調(diào)孔和測量銷的工藝容差合理，即采用測量銷mm試對協(xié)調(diào)孔滿足協(xié)調(diào)要求。

6 結(jié)束語

隨著航天產(chǎn)品批量及研制型號的不斷增加，數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)將會得到廣泛應(yīng)用。針對現(xiàn)階段航天產(chǎn)品數(shù)字量協(xié)調(diào)和模擬量協(xié)調(diào)兩種協(xié)調(diào)方式并存的情況，通過分析多項環(huán)節(jié)誤差，確定合理的工藝容差，為數(shù)字量協(xié)調(diào)技術(shù)在航天產(chǎn)品的實際生產(chǎn)應(yīng)用提供有效參考。

1 何勝強. 大型飛機數(shù)字化裝配技術(shù)與裝備[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2013

2 魏樂愚，楊宏青，榮田. 自動對接裝配技術(shù)在航天產(chǎn)品對接裝配中的應(yīng)用研究[J].制造技術(shù)研究，2011(10)：42～44

3 程寶藻. 飛機制造系統(tǒng)準(zhǔn)確度與容差分配[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，1987

4 甘永立. 幾何量公差與檢測[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2008

5 聶江西. 民機中機身自動化裝配的容差分析方法與應(yīng)用研究[D]. 上海交通大學(xué)，2014

Application Research on Aerospace Product Process Tolerance Based on Digital Coordination Technology

Wang Xuegang Li Yang Hao Ding Zhang Heng Liu Haiyan Yi Fan Xu Meng Li Xiuchun Lv Huaying

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

According to the coordination characteristics of aerospace products, analyze the application difficulties of digital coordination technology in aerospace products manufacturing, apply limit method to analyze a variety of errors within multiple coordination modes of digital coordination and analog coordination, propose a method to distribute process tolerance of coordination holes and measure pins, and carry out a relevant technology test, provide information for digital coordination technology application in aerospace products.

digital coordination；analog coordination；process tolerance

2017-06-01

王學(xué)剛（1986），工程師，機械制造及其自動化專業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品先進(jìn)制造工藝。