基于骨架法形態(tài)分析的無余量裝配機翼質(zhì)量控制技術(shù)

高玉峰

（航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，遼寧沈陽 110000）

國產(chǎn)裝配機在開發(fā)設(shè)計過程中，首次提出了“以骨架形態(tài)作為開發(fā)基準(zhǔn)”的裝配方法，此項方法的提出彌補了我國數(shù)十年技術(shù)開發(fā)過程中原有裝配技術(shù)的缺陷。在原有的裝配技術(shù)中，我國一直沿用原蘇聯(lián)的“以裝配機外形與結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)”的開發(fā)技術(shù)，但新技術(shù)的引進，不僅解決了原有裝配技術(shù)在使用過程中存在的精度方面問題，同時也為我國現(xiàn)代化裝配制造行業(yè)的發(fā)展提供了一個新的發(fā)展空間[1]。相比常規(guī)的裝配方法，無余量裝配是一種集成了數(shù)字化技術(shù)的裝配技術(shù)，其中涉及不同構(gòu)件的協(xié)調(diào)化處理、精準(zhǔn)度計算、容差均衡配比等內(nèi)容。目前，相關(guān)此方面的研究在我國仍屬于一個初步研究階段，與之相關(guān)的工程成果較為薄弱，無論是在技術(shù)使用層面，或是在質(zhì)量管理層面，均存在不同程度上的問題。為了提高無余量裝配機在完成開發(fā)投入使用后的質(zhì)量，技術(shù)單位對基于骨架法的裝配機翼形態(tài)結(jié)構(gòu)特點進行了分析，經(jīng)過綜合分析發(fā)現(xiàn)，此種機體結(jié)構(gòu)中，零構(gòu)件的質(zhì)量占比較高，在使用中的抗疲勞性能較強，整體壁板與外部形成一種氣動結(jié)構(gòu)，并且，機體的連接部位較少，可承載較高的飛行任務(wù)量。為了實現(xiàn)將此種裝配式安裝技術(shù)推廣到市場應(yīng)用，本文將在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合骨架法對其形態(tài)進行分析，設(shè)計一種針對無余量裝配機翼質(zhì)量的控制技術(shù)，以此種方式，為我國裝配制造行業(yè)的發(fā)展提供一個新的指示方向。

1 基于骨架法形態(tài)分析的無余量裝配機翼質(zhì)量控制技術(shù)

1.1 構(gòu)建無余量裝配機翼容差分析模型

為了落實對無余量裝配機翼在集成裝配過程中的質(zhì)量控制，需要在開展相關(guān)研究前，進行裝配機翼的容差分析。本章在開展此方面的研究中，選擇以構(gòu)建容差分析模型作為基準(zhǔn)的方式，進行裝配機翼容差的綜合分析。在此過程中，引進B-rep 理念，將裝配機翼的邊界條件作為建模標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)裝配機翼的實體結(jié)構(gòu)，對實體構(gòu)造進行高層次虛化[2]。并在完成對結(jié)構(gòu)的虛化處理后，建立虛化接口與前端的直接聯(lián)系，以此種方式，實現(xiàn)實體結(jié)構(gòu)與裝配機翼虛化結(jié)構(gòu)的對接，確保完成對其的裝配處理后，通過對連接效果的解讀，可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)容差的分析。其中基于B-rep 理念的裝配機翼實體模型可以是一種名義上的實體，參照模板結(jié)構(gòu)對應(yīng)信息的交互處理，可以實現(xiàn)對模型參數(shù)的定義[3]。以此作為建模標(biāo)準(zhǔn)，可將容差分析模型劃分為四個主要節(jié)點，對應(yīng)的節(jié)點分別為容差數(shù)據(jù)生成節(jié)點，實體結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)參考框架節(jié)點、實體與虛體結(jié)構(gòu)互聯(lián)節(jié)點、公差節(jié)點。四個節(jié)點在模型中對應(yīng)的參數(shù)可以表示為：ED、DRF、EL、D/T，對接模型中各個節(jié)點信息，生成對應(yīng)的裝配機翼容差分析模型。如圖1 所示。

圖1 無余量裝配機翼容差分析模型結(jié)構(gòu)

按照上述圖1 所示的結(jié)構(gòu)，完成對裝配機翼容差分析的建模，在此基礎(chǔ)上，基于CSG 結(jié)構(gòu)樹的原有特征，進行機翼容差的分析。由于基于CSG 結(jié)構(gòu)樹的容差信息表達內(nèi)容中可能存在冗余信息，所有信息均在一個相同層面上，難以進行裝配機翼容差分析過程中更高層次數(shù)據(jù)的描述[4]。因此，可定義此時裝配機翼實體結(jié)構(gòu)在終端表現(xiàn)為一個二維平面，通過面→邊關(guān)系的表達，進行實體元素間基本關(guān)系構(gòu)成的描述。在進行容差描述時，根據(jù)裝配式結(jié)構(gòu)的特點，在終端成像設(shè)備上進行機體與機翼關(guān)系的表達，并根據(jù)表達過程中的缺失信息，進行約束條件的設(shè)定，對應(yīng)的約束條件包括裝配機翼各個構(gòu)件單元銜接約束、尺寸約束、余量約束等。在掌握裝配過程中的約束條件后，結(jié)合實體結(jié)構(gòu)的信息模型，計算不同裝配構(gòu)件的尺寸鏈關(guān)系，按照此種方式，便可以得到一個針對無余量裝配機翼的標(biāo)準(zhǔn)容差分析結(jié)果。根據(jù)得到的結(jié)果，在基礎(chǔ)分析報告上進行容差結(jié)果的協(xié)調(diào)化處理，將容差數(shù)據(jù)與構(gòu)建的實體裝配機翼模型進行對接，通過容差信息的反饋渠道，便可以掌握容差分析結(jié)果是否有效。

1.2 基于骨架法形態(tài)分析的機翼結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)

在完成對裝配機翼的容差分析后，引進骨架法，對裝配機翼結(jié)構(gòu)進行形態(tài)分析，并以此為標(biāo)準(zhǔn)，進行裝配機翼結(jié)構(gòu)的配準(zhǔn)。在此過程中的配準(zhǔn)流程為：將裝配機體的大梁結(jié)構(gòu)與翼肋結(jié)構(gòu)按照假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進行定位，在其上層張貼一層蒙皮或隔板，使用鋼板帶、橡皮繩或卡板等結(jié)構(gòu)，將定位的結(jié)構(gòu)與機體骨架結(jié)構(gòu)進行銜接，再使用蒙皮或隔板，對銜接結(jié)構(gòu)進行鉚接[5]。此種以裝配機翼骨架外形作為標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)方法，在集成裝配過程中是存在一定誤差的，并且產(chǎn)生的誤差是“由內(nèi)向外”的，屬于一種累積產(chǎn)生的誤差。即在鉚接的第一層產(chǎn)生的誤差可能為0.01mm，但此種誤差倘若沒有及時進行校正，會隨著裝配結(jié)構(gòu)進行累積。在現(xiàn)有0.01mm 誤差的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對裝配機翼骨架結(jié)構(gòu)進行鉚接與綁定，累計的誤差便可以表示為0.01+0.01+…+0.01，最終產(chǎn)生的配準(zhǔn)誤差將映射到裝配機翼外形上。

通常情況下，裝配機翼的配準(zhǔn)誤差主要由下述四個方面導(dǎo)致，分別為制造裝配機翼構(gòu)件過程中外形誤差、裝配誤差、厚度匹配誤差、鉚接過程中由于貼合不緊密產(chǎn)生的誤差。以骨架法作為外形質(zhì)量分析的依據(jù)，進行裝配機翼外部形態(tài)累計誤差的計算。計算公式如下：

公式（1）中：ΔH 表示為機翼結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)過程中外部形態(tài)累計誤差；ΔS 表示為由于制造裝配機翼構(gòu)件產(chǎn)生的外形累計誤差；ΔA 表示為由于裝配行為造成的累計誤差；Δδ 表示為由于蒙皮或隔板厚度不均導(dǎo)致的累計誤差；ΔG 表示為蒙皮或隔板與裝配機翼結(jié)構(gòu)貼合不嚴(yán)密導(dǎo)致的累積誤差；C 表示為形變誤差；i 表示為形變點（對應(yīng)的取值為1～max）。

在完成上述相關(guān)計算后可知，裝配機翼結(jié)構(gòu)配準(zhǔn)誤差是由于多個因素共同誘發(fā)的，要在真正意義上實現(xiàn)對機翼外形的配準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)合理地控制上述計算公式提出的多種誤差。根據(jù)計算結(jié)果，進行ΔS、ΔA、Δδ、ΔG、C 等參數(shù)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以此種方式，提高配準(zhǔn)的精度。但在此過程中應(yīng)當(dāng)注意的是，由于ΔG 導(dǎo)致的配準(zhǔn)誤差是無法避免的[6]。因此，可在進行蒙皮或隔板與裝配機翼結(jié)構(gòu)貼合處理時，按照骨架分析法，對蒙皮或隔板的外形進行綜合分析，根據(jù)對機型的定位，輔助使用撐桿結(jié)構(gòu)，將蒙皮或隔板盡量緊密地貼合在機翼上。并在有必要的情況下，使用補償構(gòu)件，將結(jié)構(gòu)進行對接處理。相比常規(guī)的配準(zhǔn)方法，此種配準(zhǔn)方式產(chǎn)生的誤差是一種“由外向內(nèi)”的誤差，而此種累計誤差是可以通過增設(shè)補償結(jié)構(gòu)的方式進行消除與彌補的。

1.3 無余量裝配機翼余量裝配補償

在確保無余量裝配機翼的配準(zhǔn)精度與誤差可以得到預(yù)設(shè)要求后，可在裝配結(jié)構(gòu)的過程中，采用余量補償?shù)姆绞?，進一步提高裝配機翼的質(zhì)量。在此過程中應(yīng)明確，余量補償是裝配機翼中不可或缺的重要步驟，但增設(shè)此操作步驟會在一定程度上增加裝配工作的任務(wù)量，并在某種程度上延長裝配機翼的工作周期。因此，需要在補償工作中，采取有效的措施，進行給定準(zhǔn)確度的適配，并結(jié)合補償過程中的經(jīng)濟適應(yīng)性，進行余量裝配補償[7]。同時，在補償時應(yīng)注意所有執(zhí)行的補償行為，不得影響到機翼的原有性能、不得出現(xiàn)增重、過度表面保護等問題。需要在無余量裝配機翼補償處理時，選擇零件與裝配構(gòu)件處于交接狀態(tài)入手。例如，在裝配機翼的填角與翼盒的上部、下部連接壁板位置，預(yù)留13.0mm～18.0mm（精準(zhǔn)到15.0mm 為最佳）的余量，余量與翼箱上部、下部連接壁板進行鉆孔連接處理。在裝配機翼的外翼前緣進行下壁板連接，為選擇的蒙皮與隔板預(yù)留13.0mm～18.0mm 的余量。

在完成對補償余量的預(yù)留后，在裝配機翼III 與II 懸掛支架位置，進行支臂的銜接，連接孔周圍需要預(yù)留1.0mm～3.0mm的余量。在此基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)基準(zhǔn)外形，對預(yù)留的余量進行工藝補償，完成相關(guān)結(jié)構(gòu)的參數(shù)補償與處理后，進行機翼實體結(jié)構(gòu)的三維虛化建模，進行構(gòu)件的反比，只有構(gòu)件的實體結(jié)構(gòu)與預(yù)設(shè)建模骨架誤差控制在±0.05mm 范圍內(nèi)時，才能認為預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)符合無余量裝配機翼的質(zhì)量需求。綜合上述分析，完成基于骨架法形態(tài)分析的無余量裝配機翼質(zhì)量控制技術(shù)的設(shè)計與研究。

2 實例應(yīng)用分析

結(jié)合上述論述內(nèi)容，在引入骨架法形態(tài)分析的基礎(chǔ)上，針對無余量裝配機翼的質(zhì)量問題，從理論角度提出了一種全新的控制技術(shù)。

為了進一步驗證該控制技術(shù)在實際應(yīng)用中的可行性以及應(yīng)用效果，本文選擇以某機翼生產(chǎn)廠加工生產(chǎn)的無余量裝配機翼作為研究對象，在對該機翼結(jié)構(gòu)進行加工和生產(chǎn)的過程中，引入本文上述質(zhì)量控制技術(shù)。

已知本文選擇的機翼結(jié)構(gòu)骨架外形需要通過A05 肋外形、A06 肋外形、A07 肋外形、A08 肋外形和A10 肋外形完成協(xié)調(diào)，在前端包含一個H7-1650-56 型號接齒板結(jié)構(gòu)，還包括中外翼襟翼艙、外翼副翼艙、襟翼、副翼等結(jié)構(gòu)。由于該機翼結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此采用以往質(zhì)量控制技術(shù)很難滿足其質(zhì)量控制精度要求，需要一種全新的控制技術(shù)應(yīng)用。將本文控制技術(shù)應(yīng)用到該機翼生產(chǎn)加工當(dāng)中，能夠針對不同部件、段件、板件、組合件等結(jié)構(gòu)對其質(zhì)量進行全面控制，并實現(xiàn)對各結(jié)構(gòu)上偏差、下偏差、余量等數(shù)據(jù)的展示，實現(xiàn)對機翼的質(zhì)量控制。

為了進一步驗證該控制技術(shù)在應(yīng)用過程中的質(zhì)量控制精度，選擇將上述五個不同編號的肋外形結(jié)構(gòu)作為研究對象，通過人工增加數(shù)據(jù)誤差的方式，將其中A05 肋外形、A06 肋外形、A07 肋外形設(shè)置為存在結(jié)構(gòu)誤差的機翼構(gòu)件，利用本文質(zhì)量控制技術(shù)對其進行測量控制，并以此判斷本文質(zhì)量控制技術(shù)是否能夠找出存在結(jié)構(gòu)誤差的機翼構(gòu)件。完成對機翼結(jié)構(gòu)參數(shù)的測量后，利用下述公式（2）計算得出各個結(jié)構(gòu)的誤差大?。?/p>

公式（2）中，σ 表示為機翼各個結(jié)構(gòu)的誤差大小；P 表示為通過本文提出的質(zhì)量控制技術(shù)測量得出的機翼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；P'表示為無余量裝配機翼設(shè)計圖紙中各結(jié)構(gòu)的尺寸數(shù)據(jù)。按照公式（2）計算得出各個機翼構(gòu)件結(jié)構(gòu)的誤差，并將上述操作流程得出的結(jié)果記錄，繪制成如表1 所示。

表1 本文質(zhì)量控制技術(shù)應(yīng)用效果分析

從表1 中得出的應(yīng)用結(jié)果可以看出，通過本文提出的質(zhì)量控制技術(shù)確定了存在結(jié)構(gòu)誤差的機翼構(gòu)件為A05 肋外形、A06肋外形、A07 肋外形構(gòu)件，并且分別針對其上偏差和下偏差給出了明確的數(shù)值。通過上述結(jié)果得出，本文質(zhì)量控制技術(shù)在應(yīng)用過程中準(zhǔn)確找出了本文上述設(shè)定的三個存在結(jié)構(gòu)誤差的機翼構(gòu)件，針對各個機翼構(gòu)件結(jié)構(gòu)誤差的測量精度能夠達到0.001mm，即構(gòu)件結(jié)構(gòu)誤差的測量精度能夠精確到小數(shù)點后三位，因此，可以認為此項研究具有十分重要的意義。

在本文控制技術(shù)實際應(yīng)用中，通過上述操作確保最終生產(chǎn)出的機翼各個構(gòu)件的精度均滿足設(shè)計時的各項精度要求，達到提高機翼整體加工生產(chǎn)質(zhì)量的應(yīng)用效果，為機翼生產(chǎn)企業(yè)提升整體生產(chǎn)加工質(zhì)量提供更加可靠的技術(shù)條件。

3 結(jié)論

本文結(jié)合骨架法的應(yīng)用，對裝配機翼形態(tài)進行分析，以此為依據(jù)，設(shè)計一種針對無余量裝配機翼質(zhì)量的控制技術(shù)。并在完成設(shè)計后，采用實例應(yīng)用的方式證明了，設(shè)計的成果在實際應(yīng)用中，能夠在完成生產(chǎn)前對其進行裝配補償，確保最終生產(chǎn)出的機翼各個構(gòu)件的精度均滿足設(shè)計時的各項精度要求，從而達到提高機翼整體加工生產(chǎn)質(zhì)量的應(yīng)用效果。但相關(guān)裝配機翼的研究是一項較為漫長的過程，僅通過此次實驗便證明設(shè)計的技術(shù)具有一定效果，是不可行的。因此，還需要在后期的相關(guān)研究中，加大對質(zhì)量控制技術(shù)檢驗的投入力度，只有通過多次實例檢驗后，證明本文設(shè)計的技術(shù)在質(zhì)量控制方面的成功率超過99.0%，才能在后期將此項技術(shù)真正投入市場使用。