基于Teamcenter VSA 的導(dǎo)引頭安裝精度分析

王聰偉，卞亞東，張 晶，宋 磊，許俊偉

（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

導(dǎo)引頭相對于慣組的安裝精度是末制導(dǎo)設(shè)計中的重要精度指標，對于末制導(dǎo)精度具有重要影響，因此往往提出較高精度要求[1～3]。該安裝精度取決于尺寸鏈中相關(guān)結(jié)構(gòu)自身幾何偏差和配合面精度。

某飛行器提出導(dǎo)引頭相對于慣組在俯仰方向和偏航方向的精度不超過±20′，其部分結(jié)構(gòu)布局如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)布局Fig.1 Structure Layout

導(dǎo)引頭與儀器艙通過斜螺釘連接，儀器艙與彈體通過徑向螺釘連接，慣組通過慣組梁安裝于彈體側(cè)壁。相比于常規(guī)導(dǎo)彈布局，該結(jié)構(gòu)布局具有以下特點：

a）中間傳遞環(huán)節(jié)多，累積偏差大；

b）插接結(jié)構(gòu)較多，引起的彈軸偏斜較大。

由于以上因素影響，經(jīng)過尺寸鏈計算，導(dǎo)引頭相對于慣組的安裝精度較低，難以滿足設(shè)計要求，需對尺寸精度設(shè)計進行優(yōu)化。本文利用Teamcenter VSA 三維尺寸鏈分析，以概率方法計算上述安裝精度，同時進行各組成環(huán)影響度分析，進而對精度設(shè)計進行優(yōu)化[4,5]。

1 三維尺寸鏈分析模型建立

與本文尺寸鏈分析相關(guān)結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)引頭、儀器艙、彈體、慣組梁和慣組。封閉環(huán)為導(dǎo)引頭相對于慣組的安裝精度；組成環(huán)包括導(dǎo)引頭與儀器艙的配合間隙、儀器艙前后端框同軸度、儀器艙與彈體的配合間隙、彈體軸線相對于其前端框偏斜角度、慣組梁安裝精度和慣組安裝精度。具體設(shè)計精度如表1 所示。

在Teamcenter 中建立分析模型，如圖2 所示。根據(jù)尺寸鏈計算需要，建立特征、公差及裝配關(guān)系，如表2、表3 所示。以導(dǎo)引頭天線前端面為基準，建立了慣組與基準面間的俯仰和偏航角度測量，如圖3 所示。

表1 尺寸設(shè)計精度Tab.1 Dimension Precision

表2 尺寸鏈分析模型特征及公差建立Tab.2 Features and Tolerances of Dimension Chain Analysis Model

表3 裝配關(guān)系建立Tab.3 Establishing Assembly Relationships

圖2 三維尺寸鏈分析模型Fig.2 3D Dimension Chain Analysis Model

圖3 建立角度測量Fig.3 Establishing Angle Measurement

2 計算結(jié)果分析

2.1 仿真模型設(shè)置

Teamcenter VSA 通過蒙特卡羅方法仿真模擬了零件加工和裝配過程中的概率分布，即對所有尺寸和裝配關(guān)系進行隨機組合，用來預(yù)測封閉環(huán)的尺寸分布；通過HLM（High-Low-Median）仿真分析各尺寸和裝配關(guān)系對目標尺寸的影響程度。具體仿真參數(shù)設(shè)置如表4 所示。尺寸鏈中各環(huán)節(jié)均按正態(tài)分布進行設(shè)置，考慮該產(chǎn)品為首次生產(chǎn)裝配，合格率設(shè)置為99.73%（±3σ）[6,7]。

表4 Teamcenter VSA 仿真設(shè)置Tab.4 Simulation Setup of Teamcenter VSA

尺寸鏈仿真結(jié)果中主要包含以下重點內(nèi)容[8]：

a）尺寸分布的中間值（μ）；

b）設(shè)計下偏差（Lower Spec Limit，LSL）和設(shè)計上偏差（Upper Spec Limit，USL）；

c）產(chǎn)品合格水平（Cp），Cp<1 說明合格率低于99.73%，但追求過高Cp會降低經(jīng)濟性。

2.2 相對安裝精度分析

2.2.1 俯仰方向精度分析

俯仰方向安裝精度仿真結(jié)果如圖4 所示，重點仿真數(shù)據(jù)如表5 所示。由圖4、表5 可知，該結(jié)果呈正態(tài)分布，左右極值均為31.6′（±3σ），不能滿足±20′的設(shè)計要求，不合格率達到6%。

表5 俯仰方向仿真數(shù)據(jù)Tab.5 Simulation Data of Pitch

圖4 俯仰方向安裝精度仿真結(jié)果Fig.4 Simulation Result of Pitch

俯仰方向安裝精度各環(huán)節(jié)影響度分析如表6 所示。

表6 俯仰方向安裝精度影響度分析Tab.6 Effects of Installation Precision in the Pitch Direction

由表6 可知，前兩個環(huán)節(jié)對俯仰方向安裝精度的貢獻共達到94.62%，屬于主要影響因素，應(yīng)在保證工藝性的基礎(chǔ)上，嚴格控制其公差；后兩個環(huán)節(jié)總占比僅5.38%，可以適當(dāng)放松公差要求，降低生產(chǎn)成本和周期。

2.2.2 偏航方向精度分析

偏航方向精度仿真結(jié)果如圖5 所示，重點仿真數(shù)據(jù)如表7 所示。由圖5、表7 可知，該結(jié)果呈正態(tài)分布，左右極值均為31′（±3σ），不能滿足±20′的設(shè)計要求，不合格率為5.52%。

圖5 偏航方向安裝精度仿真結(jié)果Fig.5 Simulation Result of Yaw

表7 偏航方向仿真數(shù)據(jù)Tab.7 Simulation Data of Yaw

偏航方向安裝精度各環(huán)節(jié)影響度分析如表8 所示。

表8 偏航方向安裝精度影響度分析Tab.8 Effects of Installation Precision in the Yaw Direction

由表8 可見，與俯仰方向安裝精度分析類似，前兩個環(huán)節(jié)對偏航方向安裝精度的貢獻共達到95.66%，屬于主要影響因素，應(yīng)在保證工藝性的基礎(chǔ)上，嚴格控制其公差；后兩個環(huán)節(jié)總占比僅4.33%，可以適當(dāng)放松公差要求，降低生產(chǎn)成本和周期。

3 設(shè)計精度優(yōu)化

由2.2 節(jié)仿真結(jié)果和影響因素分析可知，目前的設(shè)計精度尚不能滿足安裝精度要求，且尺寸鏈各環(huán)節(jié)影響程度差異較大。因此，在保證慣組安裝精度的前提下，本節(jié)對原尺寸精度進行了優(yōu)化，見表9。

表9 改進后設(shè)計精度Tab.9 Dimension Precision after Improvement

優(yōu)化后導(dǎo)引頭相對于慣組的安裝精度仿真結(jié)果如圖6、圖7、表10～13 所示。

圖6 俯仰方向安裝精度仿真結(jié)果Fig.6 Simulation Result of Pitch

圖7 偏航方向安裝精度仿真結(jié)果Fig.7 Simulation Result of Yaw

表10 俯仰方向仿真數(shù)據(jù)Tab.10 Simulation Data of Pitch

表11 俯仰方向安裝精度影響度分析Tab.11 Effects of Installation Precision in the Pitch Direction

表12 偏航方向仿真數(shù)據(jù)Tab.12 Simulation Data of Yaw

表13 偏航方向安裝精度影響度分析Tab.13 Effects of Installation Precision in the Yaw Direction

分析結(jié)果表明：俯仰和偏航方向安裝偏差均有所減小，尺寸鏈各環(huán)節(jié)影響程度更加均勻，尺寸精度分配更加合理。

4 結(jié)束語

本文利用Teamcenter VSA 三維尺寸鏈分析軟件對某飛行器結(jié)構(gòu)之間的相對安裝精度進行了分析，并實現(xiàn)設(shè)計精度的優(yōu)化分配，有效提高了相對安裝精度和工藝性。該三維尺寸鏈分析方法能夠?qū)崿F(xiàn)概率分布下精度分析、各組成環(huán)節(jié)敏感度分析和精度優(yōu)化設(shè)計，可在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和機構(gòu)尺寸鏈分析中得到廣泛應(yīng)用。