基于VSA的壁板容差分配與預(yù)裝配驗(yàn)證研究

摘"要：應(yīng)用VSA對某機(jī)型機(jī)身壁板試驗(yàn)件進(jìn)行裝配容差和預(yù)裝配研究?；诠こ桃蠛脱b配協(xié)調(diào)方案進(jìn)行容差分配，給出滿足控制目標(biāo)的最優(yōu)關(guān)鍵特征尺寸容差；基于實(shí)測數(shù)據(jù)建立預(yù)裝配模型預(yù)測裝配質(zhì)量；測量壁板的裝配質(zhì)量并與預(yù)裝配模型進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)了二者的一致性，說明基于實(shí)測數(shù)據(jù)的VSA預(yù)裝配模型可以用于預(yù)測裝配結(jié)果，具有一定的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：VSA；容差分配；預(yù)裝配；驗(yàn)證

中圖分類號：TP391.9""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0179-03

Tolerance Analysis and Preassembly Verification of Fuselage Panel Based on VSA

LI Lin， ZHENG Cheng， XIAO Ruiheng， QIU Lei

（Shanghai Aircraft Manufacturing Co.， Ltd.， Shanghai 200436，China）

Abstract：VSA is used to study the tolerance and preassembly of a certain type of fuselage panel. According to engineering requirements and assembly coordination program， the tolerance of all the optimal key characteristics satisfying control objectives is given. The precision model based on measured data is established to perform the preassembly precision analysis. The assembly quality is measured and compared with the preassembly model， and the results prove to be consistent with one another， which shows that VSA model based on manufacture data can be used to predict the assembly result and has certain engineering application value.

Keywords：VSA；tolerance analysis；preassembly；verification

0"引言

在飛機(jī)研制過程中，需要根據(jù)設(shè)計(jì)給定的工程要求，對零組件及工裝的尺寸公差進(jìn)行層層分解，確定零件層級的制造基準(zhǔn)和公差，這個過程通常被稱為容差分配。

VSA軟件是西門子公司PLM軟件Teamcenter Visualization中的一個公差分析模塊，可用于對產(chǎn)品零組件進(jìn)行裝配仿真，以尺寸鏈傳遞為基礎(chǔ)，從零件制造、零組件裝配及產(chǎn)品檢測方面對影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵特性進(jìn)行分析研究［1］。VSA公差分析軟件的仿真計(jì)算核心采用蒙特卡羅法［2］。這是一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為指導(dǎo)的數(shù)值方法，其原理是采用一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來模擬各組成環(huán)公差的變化，求解出封閉環(huán)公差的一系列隨機(jī)變量，并對這些封閉環(huán)的公差隨機(jī)變量進(jìn)行分析以得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)前，VSA在飛機(jī)裝配領(lǐng)域主要用于仿真建模實(shí)現(xiàn)容差分配與工藝優(yōu)化。葛磊［3］使用ViaVSA容差分析軟件，以副翼模型為基礎(chǔ)，結(jié)合尺寸鏈，對VSA建模不同方法進(jìn)行對比，確定了最優(yōu)建模方法。韋余鳳等［4］通過三維裝配容差仿真計(jì)算分析了主起落架艙門與主起輪艙整流罩間隙的超差問題，找到了對主起落架艙門與主起輪艙整流罩間隙影響貢獻(xiàn)度較大的關(guān)鍵影響因素并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

對于大型飛機(jī)機(jī)身部件，由于零件尺寸大、剛度低、人員技術(shù)水平存在差異及制造偏差等原因，實(shí)際制造數(shù)據(jù)不一定與容差分配結(jié)果一致，現(xiàn)場實(shí)際裝配過程中易出現(xiàn)裝配精度超差的質(zhì)量問題。因此，自上而下工程的容差分配結(jié)果是否與制造能力相符，需要采用預(yù)裝配技術(shù)進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

預(yù)裝配是指通過提取零件的實(shí)際數(shù)據(jù)，在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配仿真的方法，能夠解決傳統(tǒng)數(shù)字化裝配中無法預(yù)測實(shí)際裝配干涉情況、無法進(jìn)行裝配質(zhì)量預(yù)評估等問題［5］。張敏等［6］以某型飛機(jī)中機(jī)身壁板裝配為例，率先基于VSA將實(shí)測數(shù)據(jù)作為裝配精度預(yù)測模型的輸入偏差進(jìn)行預(yù)裝配精度分析并根據(jù)分析結(jié)果及時調(diào)整定位方案，實(shí)現(xiàn)了中機(jī)身壁板的質(zhì)量控制，但并沒有對裝配后的質(zhì)量情況進(jìn)行測量驗(yàn)證。因此本文以某機(jī)型機(jī)身壁板試驗(yàn)件裝配為例，提出基于VSA關(guān)鍵特征的容差分配與非點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)裝配驗(yàn)證技術(shù)。

本文以某機(jī)型機(jī)身壁板試驗(yàn)件為例，首先基于控制目標(biāo)精度要求和裝配協(xié)調(diào)方案，建立裝配容差仿真計(jì)算模型，給出滿足控制目標(biāo)的最優(yōu)關(guān)鍵特征尺寸容差分配方案，然后基于關(guān)鍵特征的非點(diǎn)云實(shí)測數(shù)據(jù)，在VSA中建立預(yù)裝配模型，最后測量裝配質(zhì)量并與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案如圖1所示。

1"容差分配

1.1"工程/工藝要求

機(jī)身壁板試驗(yàn)件組件由壁板、剪切角片、框等零件構(gòu)成，其主要控制目標(biāo)是壁板外形，外形的公差要求是±0.7mm。

1.2"容差分配

在VSA中建立容差分配模型，采用蒙特卡洛法，設(shè)置仿真次數(shù)5 000次，隨機(jī)均勻取31個點(diǎn)，測量下壁板外形，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

滿足控制目標(biāo)的最優(yōu)壁板零件尺寸公差為：外表面輪廓度0.5mm，內(nèi)型面輪廓度0.7mm，定位孔位置度0.3mm。

2"預(yù)裝配分析

2.1"預(yù)裝配模型原理

裝配工藝包括裝配容差要求、零組件裝配順序、零組件定位方案等內(nèi)容，其中裝配容差要求是裝配精度控制的目標(biāo)，零組件裝配順序和定位方案決定了裝配偏差傳遞和累積的方向。根據(jù)裝配工藝，提取相關(guān)信息，構(gòu)建矢量環(huán)，建立裝配精度預(yù)測模型。裝配容差與零組件、工裝偏差的關(guān)系函數(shù)為

u=f（v1，v2，…，vn） （1）

式中：u為裝配容差；vn為零組件或者工裝偏差；f為裝配容差與零組件、工裝偏差之間的關(guān)系函數(shù)。具體矩陣表達(dá)式為［7］

ΔU=-B-1AΔV（2）

式中：ΔU為裝配容差矢量矩陣；B是矢量環(huán)標(biāo)量函數(shù)對裝配容差變化的偏導(dǎo)數(shù)矩陣；A為矢量環(huán)標(biāo)量函數(shù)對零組件或者工裝偏差變化的偏導(dǎo)數(shù)矩陣；ΔV為零組件或者工裝偏差矢量矩陣。

利用預(yù)處理后的關(guān)鍵控制特性點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)，作為裝配精度預(yù)測模型中關(guān)鍵控制特性點(diǎn)的偏差，形成基于實(shí)測數(shù)據(jù)的裝配工序精度模型，此時，裝配容差與零組件、工裝偏差的關(guān)系函數(shù)為

u′=f（v1′，v2′，…，vn′）（3）

式中：u′為實(shí)測數(shù)據(jù)替換后得到的裝配容差；vn′為零組件或者工裝偏差實(shí)測數(shù)據(jù)。

2.2"預(yù)裝配模型建立

在實(shí)際生產(chǎn)測量過程中，壁板外表面采用貼膜檢，輪廓度測量結(jié)果為0.3mm，壁板厚度采用磁力測厚儀測量，厚度公差在±5%以內(nèi)，內(nèi)型面沒有直接測量。在預(yù)裝配模型中，采用內(nèi)型面與外表面關(guān)聯(lián)加上厚度公差的方式，獲取內(nèi)型面的輪廓度，如圖3所示。

壁板定位孔位置度測量采用激光跟蹤儀，測量時，壁板外表面與工裝固定，以工裝上的TB點(diǎn)建立全機(jī)坐標(biāo)系，測量定位孔的坐標(biāo)值，其中1號孔的位置度為0.473mm，2號孔的位置度0.300mm，如圖4所示。

將關(guān)鍵特征的實(shí)際測量基準(zhǔn)和測量結(jié)果導(dǎo)入VSA軟件，仍然采用蒙特卡洛法，仿真次數(shù)5 000次，計(jì)算壁板外形。

3"測量驗(yàn)證

壁板組件裝配完成后，將組件支撐牢固，保持裝配完成時的姿態(tài)不變，松開測量部位的約束，使用激光跟蹤儀在全機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)測量壁板的外形，實(shí)際測量點(diǎn)的位置與模型中測量點(diǎn)位置對應(yīng)。壁板外形實(shí)測值與預(yù)裝配模型計(jì)算結(jié)果對比如圖5所示。

從圖5中可以得出如下結(jié)論：

1）預(yù)裝配模型計(jì)算出來的波動區(qū)間在-0.234 mm～0.449mm之間，實(shí)際測量結(jié)果在-0.469mm～0.321mm之間，均在控制目標(biāo)±0.7mm范圍內(nèi)，說明控制目標(biāo)與實(shí)際生產(chǎn)能力相符；

2）在31個測點(diǎn)中，實(shí)際測點(diǎn)有5個超出了實(shí)際模型計(jì)算出來的波動區(qū)間，分別是P7、P10、P17、P25、P27，對實(shí)際模型運(yùn)行極值法仿真，這些點(diǎn)均在極值法計(jì)算結(jié)果范圍內(nèi)，實(shí)測數(shù)據(jù)與極值法的波動存在一定的相關(guān)性。

另外，從圖5可以看出，在預(yù)裝配模型中，預(yù)裝配L的絕對值小于預(yù)裝配H的絕對值，說明計(jì)算結(jié)果為正偏差的概率大。對壁板實(shí)際測量的31個點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。

如表1所示，71.00%的測量點(diǎn)為正向偏差，這是因?yàn)楸诎褰M件以骨架外形為基準(zhǔn)定位，裝配誤差“由內(nèi)向外”累計(jì)所致，與計(jì)算結(jié)果一致，且83.87%的實(shí)際測量結(jié)果在預(yù)裝配的計(jì)算范圍內(nèi)。另外，與預(yù)裝配模型極值法計(jì)算結(jié)果比較，所有的測量結(jié)果均在極值法的計(jì)算范圍內(nèi)，說明：1）本次裝配過程沒有出現(xiàn)極限情況；2）在已知零件實(shí)測數(shù)據(jù)和裝配工藝的情況下，裝配結(jié)果可以預(yù)測。

4"結(jié)語

通過對機(jī)身壁板組件試驗(yàn)件進(jìn)行VSA仿真建模，給出了滿足控制目標(biāo)要求的最優(yōu)關(guān)鍵特征尺寸容差分配方案，然后基于關(guān)鍵特征實(shí)測數(shù)據(jù)建立預(yù)裝配模型，并在裝配完成后進(jìn)行了測量驗(yàn)證和分析，得出如下結(jié)論：

1）在新型號/新工藝驗(yàn)證階段，基于實(shí)測數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證是必要的，一方面可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的閉環(huán)，另一方面也能用于驗(yàn)證工程要求與制造能力的符合性，提升裝配效率和裝配準(zhǔn)確度，避免批產(chǎn)過程中出現(xiàn)大量的超差；

2）基于實(shí)測數(shù)據(jù)的預(yù)裝配模型計(jì)算結(jié)果與測量數(shù)據(jù)一致，說明基于實(shí)測數(shù)據(jù)的VSA預(yù)裝配模型可以用于預(yù)測裝配結(jié)果，未來在虛擬裝配領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 阮和根，陳沈融，朱紅萍，等. 基于VSA的冷鐓機(jī)關(guān)鍵零部件公差設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2009，25（6）：69-71.

［2］ 林祖?zhèn)? 民機(jī)機(jī)身對接尺寸公差研究［J］. 機(jī)械制造，2019，57（9）：55-57，64.

［3］ 葛磊. 基于VSA的容差建模分析［J］. 科技視界，2018（25）：21-22，11.

［4］ 韋余鳳，鄭丞. 基于VSA的主起落架艙門與主起輪艙整流罩容差分析［J］. 中國科技信息，2019（19）：27-29.

［5］ 羅振偉，梅中義. 基于測量數(shù)據(jù)的飛機(jī)數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)［J］. 航空制造技術(shù)，2013，53（20）：99-102，108.

［6］ 張敏，田錫天，耿俊浩，等. 基于預(yù)裝配精度分析的飛機(jī)關(guān)鍵裝配工序質(zhì)量控制技術(shù)［J］. 航空制造技術(shù)，2019，62（5）：51-56.

［7］ 唐健鈞，田錫天，耿俊浩，等. 基于多維矢量環(huán)的裝配偏差源敏感度分析［J］. 機(jī)械工程學(xué)報，2015，51（17）：156-161.

收稿日期：20220218