基于关键特性的协调准确度计算方法

摘要

本发明公开了基于关键特性的协调准确度计算方法，是在构建关键特性数据的基础上，将零件的制造基准和装配定位计算相统一，对型架安装制造至飞机部件装配对接进行全过程的数字化仿真计算，力求在飞机实际制造装配前发现不协调的显现是本发明的特色。可带来客观的技术和经济效益，如为企业技术人员进行容差设计提供定量信息，改变传统的容差分配方法、减少标准工艺装备数量、明显提高飞机装配质量和生产效率和降低新机的研制风险等。

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞机零部件协调计算器，特别涉及基于关键特性的协调准确度计算方法。 

背景技术

互换协调是飞机制造工艺规划的中心问题，而合理的容差设计是实现互换协调的重要保证，直接影响飞机产品的制造质量、装配成功率和制造成本。一般机械零件的制造采用公差配合制度即可保证产品的互换协调要求，而飞机结构由大量连接面多、工艺刚性小，在加工、装配过程中易产生变形的钣金件或非金属薄壁零件组成，具有数量多、形状复杂、尺寸传递路线长的特点。因此在飞机制造领域，飞机装配的基本过程为：零件→组建→段件→部件→部件对接→飞机，因此飞机的结构单元在装配过程中需经历不同的工位和型架。由于飞机零件在制造过程中的定位基准与该零件在装配组合时的定位基准不一定一致，且飞机部件不同型架上的定位基准也不一定完全相同，导致了飞机部件在对接时仍然会产生较大的协调误差。传统的容差理论计算是通过零件在各个工艺装备上产生的移形环节而形成的协调路线来制定各组成环工艺容差，其计算方式可采用极值法或概率法。这种根据二维协调路线制定容差的方式在某种程度上是对复杂装配协调问题的一种简化和近似，存在一定的局限性，例如：不同工艺方法、不同制造环节的零件装配在一起的时候，仅考虑各个环节的制造公差，不能反应整个制造过程中尺寸公差变化的因素；对于非典型结构如机身整体油箱边缘等部位，若按照协调路线计算方法计算则复杂、繁琐。目前，容差计算方法大都采用计算机实验仿真手段即蒙特卡罗仿真方法，根据确定的容差分布规律对尺寸链进行随机抽样模拟，该方法也是目前商业软件采用的主流计算方式。 

近年来，飞机制造业开始引入商业CAT软件用于容差分析研究，包括Siemens公司的Vis/VSA及DCS公司的3DCS软件。这些软件可在产品的3D数模上直接建立数字化装配工艺模型，其主要功能包括三维装配模式下基准参考框架定义、尺寸和形位公差定义、结构尺寸链自动生成、基于蒙特卡罗法的尺寸波动模拟和贡献度分析等。尽管这些软件能很好地支持结构尺寸链求解功能并广泛地运用于汽车制造行业，但并不适合具有工艺尺寸链或工艺尺寸链与结构尺寸链共同作用影响下的飞机协调准确度计算，因此无法对工装协调下的尺寸、位置、形状的移形误差进行量化分析：例如飞机制造中钣金件和复材件的制造仍然采用了较多的工艺移形环节，大部件的总装型架中的接头定位器等仍采用的实物量规进行安装和协调。总体看来，这些软件在飞机制造容差分配中尚不能完全发挥作用。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，以公差分析软件为工具，在定义关键特性的基础上，将飞机零件的制造基准和装配基准进行统一，计算飞机的协调准确度及装配成功率。通过在设计阶段对飞机制造过程各环节进行工艺容差的合理分配与仿真优化，分析对敏感区域的变形贡献者和影响几何因素，建立一套飞机制造数字化容差计算方法，增强设计决策的敏捷性，给设计和发布提供工程迭代的能力。 

针对上述技术问题，本发明采取以下技术方案，基于关键特性的协调准确度计算方法，其特征在于，依据装配工艺分离面的划分建立与型架对应的关键特性组；将零件装夹、制造过程、工装定位器的安装过程分别视为一个装配过程；根据装配工艺将零件的制造基准和装配基准进行统一；将统一基准加载至各个工位的数字化装配工艺模型中；对多工位作用下的飞机部件对接进行仿真计算；仿真计算的步骤如下： 

1)    选定分析目标部位，即需计算协调误差的部位； 

2)    依据飞机装配工艺和工位，构建关键特性组，建立关键特性组的拓扑数据关联；

3)    在VSA软件中，建立型架模型的制造误差；

4)    在VSA软件中，建立型架定位器的定位安装误差；

5)    在VSA软件中，建立型架的数字化工艺模型；

6)    根据型架的装配基准和装配顺序，建立第一个型架的装配工艺模型；

7)    根据主部件的装配工艺，选定各零件的装配顺序及每个零件的安装基准；

8)    根据零件的制造工艺特点，选定零件制造基准；

9)    计算零件制造基准与该零件安装基准的转换误差，运用VSA软件建立该零件的基准参考框架、特征及加载在特征上的尺寸和形位公差；

10) 根据装配工艺，将零件按顺序定位于工装的定位器上并在VSA软件中创建定位约束，建立以工装为目标的数字化装配工艺模型；

11)  根据分析目标，建立测量并运用蒙特卡洛方法进行仿真，计算第一部件在第一个工位上的协调部位装配误差；

12)  按照上述步骤建立第二个型架的装配工艺模型，将误差加载在对应该工位的关键特性组中协调部位的特征上并建立测量，计算第二个工位的装配误差；直至在第n个型架上依次组合后完成部件装配；

13)  根据协调部件的零件制造工艺特点，选定零件制造基准；

14)  计算协调部件的零件制造基准与该零件安装基准的转换误差；

15)  建立协调部件第一个工位的数字化装配工艺模型；

16)  采取与主部件相同方式，建立以第一个工位为目标的装配工艺模型，计算协调部件的协调误差；

17)  以此类推，直至在第N个型架上依次组合后完成协调部件的装配；

18)  最后，以误差环节建立部件对接的工艺模型，计算主部件和协调部件的对接协调误差。

    所述关键特性组是构成数字化装配工艺模型中零件数模及标注在数模上尺寸误差、形位公差的集合： 

K_i表示对应零件i的关键特性的集合，k_ij表示零件i上某个关键特性；则零件i上所有关键特性可表示为 。因此，在飞机装配时某个工位上所考虑的关键特性集合可表示为：且，h=1, 2, ….t表示工位w上零件个数。

飞机部件装配需要由多个型架/工位来完成，因此对应该飞机部件的装配过程所产生的关键特性组为：，其中w=1, 2, ….n表示该飞机部件装配过程中所经历的工位数量。 

同理，对该飞机的协调部件所产生的关键特性组可表示为：，其中K_p表示协调部件在工位p上所有关键特性集合， p=1, 2, ….m表示协调部件装配时所经历的工位数量。 

所述建立关键特性组的拓扑数据关联，是把某部件对应的关键特新组视为节点，则关键特性组之间用图论中的无向图来描述数据之间的拓扑关联T=G(E, V)，V表示节点即部件的关键特性组，E表示边或节点之间的连线，即部件之间需要进行协调准确度计算，在此基础上可构建飞机整体关键特性组的数据。 

本发明是在构建关键特性数据的基础上，将零件的制造基准和装配定位计算相统一，对型架安装制造至飞机部件装配对接进行全过程的数字化仿真计算，力求在飞机实际制造装配前发现不协调的显现是本发明的特色。可带来客观的技术和经济效益，如为企业技术人员进行容差设计提供定量信息，改变传统的容差分配方法、减少标准工艺装备数量、明显提高飞机装配质量和生产效率和降低新机的研制风险等。 

附图说明

图1是机翼关键特性组示意图。 

图2是本发明的流程图。 

图3是本发明中飞机大部件之间有协调关键的无向图。 

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明作进一步说明，参见图1、图2和图3，基于关键特性的协调准确度计算方法，其特征在于，依据装配工艺分离面的划分建立与型架对应的关键特性组101；将零件装夹、制造过程、工装定位器的安装过程视为一个装配过程102；根据装配工艺将零件的制造基准和装配基准进行统一103；将统一基准加载至各个工位的数字化装配工艺模型中104；对多工位作用下的飞机部件对接进行仿真计算105。仿真计算的步骤如下： 

1)        选定分析目标部位，即需计算协调误差的部位； 

2)        依据飞机装配工艺和工位，构建关键特性组，建立关键特性组的拓扑数据关联；

3)        在VSA软件中，建立若干个型架定位器容差模型的制造误差；

4)        在VSA软件中，建立若干个型架定位器模型的定位安装误差；

5)        在VSA软件中，建立若干个型架的数字化工艺模型；

6)        根据型架的装配基准和装配顺序，建立第一个型架的装配工艺模型；

7)        根据主部件的装配工艺，选定各零件的装配顺序及每个零件的安装基准；

8)        根据零件的制造工艺特点，选定零件制造基准；

9)        计算零件制造基准与该零件安装基准的转换误差，运用VSA软件建立该零件的基准参考框架、特征及加载在特征上的尺寸和形位公差；

10)    根据装配工艺，将零件按顺序定位于工装的定位器上并在VSA软件中创建定位约束，建立以工装为目标的数字化装配工艺模型；

11)    根据分析目标，建立测量并运用蒙特卡洛方法进行仿真，计算第一部件在第一个工位上的协调部位装配误差；

12)    按照上述步骤建立第二个型架的装配工艺模型，将误差加载在对应该工位的关键特性组中协调部位的特征上并建立测量，计算第二个工位的装配误差；直至在第N个型架上依次组合后完成部件装配；

13)    计算协调部件零件的制造工艺特点，选定零件制造基准；

14)    计算协调部件零件制造基准与该零件安装基准的转换误差；

15)    建立协调部件第一个工位的数字化装配工艺模型；

16)    采取与第一部件相同方式，建立以第一个工位为目标的装配工艺模型，计算协调部件的协调误差；

17)    以此类推，直至在第N个型架上依次组合后完成协调部件的装配；

18)  最后以误差环节建立部件对接的工艺模型，计算主部件和协调部件的对接协调误差。

实施例：应用本发明进行飞机装配协调准确度计算时应把握以下基本原则和定义： 

一个制造过程或一次安装过程称为一次装配过程。参见图2，如钣金肋在模具上定位后进行橡皮囊液压成形的制造过程就是一次以模具上的销钉定位孔为基准的模具与成形板料的一次装配过程，而钣金零件采用定位板（工装）上的定位孔进行定位装配的过程也称为一次装配过程。依据装配工艺分离面的划分建立与型架对应的关键特性组101；将零件装夹、制造过程、工装定位器的安装过程视为一个装配过程102；根据装配工艺将零件的制造基准和装配基准进行统一103；将统一基准加载至各个工位的数字化装配工艺模型中104；对多工位作用下的飞机部件对接进行仿真计算105。

型架的安装过程亦作为一个“产品”的装配过程。主要内容为两方面： 

1）关键特性组的数据组织

关键特性定义：关键特性是指对飞机装配互换协调影响较大的特性即容差分析计算需考虑的数字化容差模型，关键特性组K是指由组成公差链的零件数模及标注在数模上尺寸误差、形位公差的集合。如图1所示，机翼K_w部件由机翼整体油箱K₃、前缘襟翼内段K₁、前缘襟翼外段K₂、机翼外侧K₄、襟翼部件K₅和副翼部件K₆等子部件构成，蒙皮k₂₁、梁k_22、接头k₂₃和衬套k_2n等是前缘襟翼外段K₂的关键零件，为关键特性组集合的元素：且；飞机部件装配需要由多个型架（工位）来完成，因此对某个工位来说，其对应的关键特性组为：其中。

飞机协调是指飞机结构单元之间在相互配合出尺寸参数的一致性程度。若把某部件对应的关键特性组视为节点，则关键特性组之间可用图论中的无向图来描述数据之间的拓扑关联T=G(E, V)，V表示节点即部件的关键特性组，E表示边（节点之间的连线）即部件之间需要进行协调准确度计算，在此基础上可构建飞机整体关键特性组的数据。图3表示了飞机大部件之间有协调关键的无向图。 

其节点之间的邻接矩阵如下： 

2）零件制造基准与装配基准的统一

飞机装配中经常遇见零件的制造基准与该零件的装配基准不一致的现象，导致了飞机部件对接时产生较大的协调误差。本发明将零件的制造基准与装配定位基准进行统一，计算基准转换的误差，在公差建模时加载在零件的特征上，协调准确度计算采用了Siemens公司的Vis/VSA软件。

基于关键特性的飞机制造协调误差计算方法，计算步骤如下： 

1)    选定分析目标部位，即需计算协调误差的部位，如机身接头端面与机翼接头端面的间隙、接头组孔径的同轴度等； 

2)    依据飞机装配工艺和工位，构建关键特性组，建立关键特性组的拓扑数据关联；

3)    在VSA软件中，建立若干个型架定位器的制造误差模型；

4)    在VSA软件中，建立若干个型架定位器的定位安装误差模型；

5)    在VSA软件中，建立若干个型架的数字化工艺模型；

6)    根据型架的装配基准和装配顺序，建立第一个型架的装配工艺模型；

7)    根据机身部件的装配工艺，选定各零件的装配顺序及每个零件的安装基准；

8)    根据零件的制造工艺特点，选定零件制造基准；

9)    计算零件制造基准与该零件安装基准的转换误差，运用VSA软件建立该零件的基准参考框架（DRF）、特征（Feature）及加载在特征上的尺寸和形位公差；

10)   根据装配工艺，将零件按顺序定位于工装的定位器上并在VSA软件中创建定位约束，建立以工装为目标的数字化装配工艺模型；

11)  根据分析目标，建立测量（Measurement）并运用蒙特卡洛方法进行仿真，计算机身部件在第一个工位上的协调部位装配误差S₁₁（公差带中值及带宽）；

12)  同理，按照上述步骤建立第二个型架的装配工艺模型，将误差S₁₁加载在对应该工位的关键特性组中协调部位的特征上并建立测量，计算第二个工位的装配误差S₁₂；直至在第N个型架上依次组合后完成部件装配，其装配误差为S_1n；

13)  根据协调机翼部件零件的制造工艺特点，选定零件制造基准；

14)  计算协调机翼部件零件制造基准与该零件安装基准的转换误差；

15)  建立协调机翼部件第一个工位的数字化装配工艺模型；

16)  采取与机身部件相同方式，建立以第一个工位为目标的装配工艺模型，计算协调机翼部件的协调误差S^*₂₁；

17) 以此类推，直至在第m个型架上依次组合后完成协调机翼部件的装配，其装配误差为S^*_2m；

18) 最后以S_2n、S^*_2m为误差环节建立部件对接的工艺模型，计算机身部件和机翼部件的协调误差S。

    本发明采用公差分析软件VSA(Visualization & Simulation Analysis ) 

本发明面向数字化飞机制造装配的协调准确度分析计算方法，旨在飞机零部件实际生产装配之前，构建部件的关键特性组并运用CAT软件分析模拟装配成功率，即飞机协调处的尺寸波动位于规定性技术条件（如互换协调要求、最大修配量、允许的弹性变形量）范围内的可能性。