王素曉，王　筱，田　帥，史偉會(huì)

（1.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210；2.上海飛機(jī)制造有限公司，上海200436）

飛機(jī)裝配中的數(shù)字化仿真測量方法

王素曉1，王筱2，田帥2，史偉會(huì)2

（1.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210；2.上海飛機(jī)制造有限公司，上海200436）

闡述了面向飛機(jī)裝配過程的數(shù)字化仿真測量相對(duì)于常規(guī)測量方法具備的特點(diǎn)及優(yōu)勢，以西門子VSA軟件為平臺(tái)，介紹了同軸度、裝配面軸線、匹配/裝配程度的常規(guī)與仿真測量的測量原理及方法，在飛機(jī)裝配中具有一定的推廣價(jià)值。

仿真測量；飛機(jī)裝配；同軸度；裝配面軸線；匹配/裝配程度

利用數(shù)字化測量技術(shù)和方法進(jìn)行裝配過程控制是飛機(jī)數(shù)字化制造的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)制造全數(shù)字量傳遞的重要保證之一［1］。目前，隨著飛機(jī)研制不斷向數(shù)字化進(jìn)程邁進(jìn)，數(shù)字化測量技術(shù)在零部件的數(shù)控加工、精準(zhǔn)成形和飛機(jī)快速自動(dòng)化裝配等方面的需求越來越迫切［2］。國外先進(jìn)的飛機(jī)制造公司已經(jīng)開始大規(guī)模將數(shù)字化測量引入飛機(jī)裝配中，而國內(nèi)數(shù)字化測量技術(shù)仍然處于零星的研究和應(yīng)用狀態(tài)［3］。本文以西門子的VSA仿真軟件為平臺(tái)，通過分析飛機(jī)裝配中同軸度、裝配面軸線、匹配/裝配程度的常規(guī)與仿真測量原理與方法，探討了數(shù)字化仿真測量在國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展動(dòng)向，為飛機(jī)裝配質(zhì)量提高和裝配精度提升提供技術(shù)支持。

1　同軸度測量

飛機(jī)裝配中升降舵、副翼、平尾等多處結(jié)構(gòu)的交點(diǎn)孔都有同軸度控制要求。傳統(tǒng)的用V型支架、鋼球加杠桿百分表或偏擺儀、圓度儀等同軸度測量，難以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配中的架上測量［4］。目前多采用激光跟蹤儀（或三坐標(biāo)測量儀）測交點(diǎn)位置，然后再分析計(jì)算交點(diǎn)同軸度。

1.1常規(guī)測量方法

對(duì)于基準(zhǔn)圓柱與被測圓柱的同軸度的分析與計(jì)算，在飛機(jī)裝配中通常采用求距法和包絡(luò)法。

求距法是將被測要素（各交點(diǎn)孔孔心）投影到一個(gè)垂直于基準(zhǔn)軸的平面上，計(jì)算出被測元素和基準(zhǔn)元素軸線間的最大距離，同軸度為最大距離的兩倍。

包絡(luò)法是用激光跟蹤儀（或三坐標(biāo)測量儀）測量一系列被測元素的圓心位置，用圓柱面將所有被測元素圓心包圍，形成圓柱體，圓柱的最小直徑即為同軸度。

1.2基于VSA仿真測量

商用容差分析軟件VSA基于零件的三維模型，提取特征、定義公差，運(yùn)用蒙特卡洛方法模擬零組件裝配偏差。根據(jù)同軸度的定義與實(shí)際測量，基于VSA平臺(tái)，在數(shù)字化仿真中模擬同軸度的測量方法，主要介紹兩種仿真測量方法。

（1）測量以理論軸線為基準(zhǔn)

將零部件交點(diǎn)孔的理論軸線作為基準(zhǔn)，測量裝配操作完成后各交點(diǎn)孔孔心相對(duì)于基準(zhǔn)的位置偏差，最大的位置偏差的兩倍即為所求的同軸度。

在仿真軟件中建立虛擬不動(dòng)的Fixture，取交點(diǎn)孔的理論軸線為基準(zhǔn)軸線并放在Fixture中，仿真裝配完成后，用測量操作“點(diǎn)到線”測交點(diǎn)孔孔心與基準(zhǔn)軸線的位置偏差，用測量操作“Max”計(jì)算最大的位置偏差，最大位置偏差的兩倍作為輸出結(jié)果即交點(diǎn)孔同軸度。同時(shí)，仿真輸出結(jié)果中，各交點(diǎn)孔孔心位置偏差的Cpk（工藝能力指數(shù)）值也可作為輔助參考數(shù)值。

（2）測量以擬合軸線為基準(zhǔn)

擬合零部件交點(diǎn)孔的實(shí)際裝配軸線作為基準(zhǔn)，測量各交點(diǎn)孔孔心相對(duì)于基準(zhǔn)的位置偏差，最大的位置偏差的兩倍為所求的同軸度。

在仿真軟件中擬合零部件交點(diǎn)孔孔心軸線作為基準(zhǔn)軸線（該基準(zhǔn)隨裝配誤差產(chǎn)生位置波動(dòng)），用測量操作“點(diǎn)到線”測交點(diǎn)孔孔心與基準(zhǔn)軸線的位置偏差，用測量操作“Max”計(jì)算最大的位置偏差，最大位置偏差的兩倍即交點(diǎn)孔同軸度。

以上兩種仿真測量方法，第一種方法模擬實(shí)際工程常采用的測量，測量方法簡單，得出的是相對(duì)于絕對(duì)位置的同軸度；第二種方法是從同軸度定義出發(fā)的相對(duì)位置偏差的同軸度測量，測量方法更接近理論卻計(jì)算繁瑣。

2　裝配面軸線測量

飛機(jī)裝配中存在大量如長桁、框、滑軌、梁等重要裝配面的軸線位置度及相互偏差控制要求，對(duì)于飛機(jī)上的這些大尺寸工件，使用激光跟蹤儀檢測有著無可比擬的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢［5］。

2.1常規(guī)測量方法

裝配面的軸線位置度測量，是在測量目標(biāo)的軸線面上選取測量點(diǎn)，與理論位置比對(duì)。如圖1（a）所示，常規(guī)測量中常用激光跟蹤儀測量目標(biāo)的軸線面，得到測量點(diǎn)的X、Y、Z向坐標(biāo)值，計(jì)算測量點(diǎn)到理論軸線面的投影距離。

裝配面軸線相互偏差的測量，是在完成測量目標(biāo)軸線位置度的測量基礎(chǔ)上進(jìn)行的。即先求出測量目標(biāo)軸線面上測量點(diǎn)到各自的理論位置的偏差（設(shè)偏差為△A、△B），然后再取偏差值代數(shù)差的絕對(duì)值（即|△A-△B|），該絕對(duì)值即為測量目標(biāo)軸線相互偏差，如圖1（b）所示。

圖1　軸線位置度及相互偏差測量示意圖

2.2基于VSA仿真測量

軟件的仿真應(yīng)盡量與實(shí)際測量相符合，并選取與實(shí)際測量相對(duì)應(yīng)的測量點(diǎn)。

2.2.1軸線位置度

裝配面軸線位置度的仿真測量，是測量裝配之后軸線面上的點(diǎn)相對(duì)于理論軸線面的位置偏差。由于測量目標(biāo)的理論軸線面既有平面，又有曲面，分兩種情況介紹仿真測量方法。

（1）軸線面為平面

在VSA軟件中建立一個(gè)虛擬不動(dòng)的Fixture，取測量目標(biāo)的軸線面（框、龍骨梁、滑軌、客艙地板縱梁、吊掛滑軌、等直段的機(jī)身長桁等）為理論軸線面并放在Fixture中，裝配仿真完成后，用測量操作“點(diǎn)到平面”測軸線面上的點(diǎn)相對(duì)于理論軸線面的位置偏差。其中，“點(diǎn)”選擇裝配后的測量目標(biāo)軸線面上的點(diǎn)，“面”選擇放在Fixture中的面。

（2）軸線面為曲面

若測量目標(biāo)的軸線面為曲面，則采用不同的仿真測量方法：在VSA軟件中，建立一個(gè)虛擬不動(dòng)的Fixture，將測量目標(biāo)軸線面上的點(diǎn)（point1）放在Fixture中并標(biāo)記為point2，裝配仿真完成后，用測量操作“縫隙/齊平”測point1與point2的距離，方向矢量選“靜態(tài)”、特征1選“point2”，表示該點(diǎn)投影到理論位置的距離，即沿法線方向的位置偏差，如圖2（a）所示。

2.2.2軸線相互偏差

根據(jù)軸線相互偏差的實(shí)際測量方法，軸線相互偏差的仿真測量，要在軸線位置度仿真測量完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

在VSA軟件中，首先用2.2.1節(jié)介紹的方法仿真得到軸線位置度測量結(jié)果Measurement1、Measurement2，然后添加“定制測量”，測量類型選擇“Legacy-Diff”，得到軸線相互偏差的仿真測量結(jié)果，如圖2（b）所示。

圖2　軸線位置度與軸線相互偏差的仿真測量方法

3　匹配/裝配程度測量

在飛機(jī)裝配中，存在以下裝配孔的匹配/裝配程度控制要求：

飛機(jī)裝配目標(biāo)1和目標(biāo)2分別按各自的裝配孔進(jìn)行定位裝配，如圖3（a）所示。由于兩個(gè)裝配目標(biāo)是多個(gè)裝配孔同時(shí)裝配，需要測量每個(gè)裝配目標(biāo)的各裝配孔的裝配程度，判斷是否能保證兩個(gè)目標(biāo)的所有裝配孔都能裝配。

飛機(jī)某部段對(duì)接，要保證各自16個(gè)對(duì)接孔能夠同時(shí)裝配，如圖3（b）所示。因此需要通過測量，判斷所有對(duì)接孔是否都能滿足裝配關(guān)系。

圖3　裝配孔的匹配/裝配程度控制模型

吊掛與機(jī)翼接頭組件裝配，由于機(jī)翼接頭組件的交點(diǎn)孔都是雙耳交點(diǎn)孔，在裝配中又有非常高的裝配精度要求，因此需要測量每個(gè)交點(diǎn)孔與機(jī)翼接頭組件交點(diǎn)孔的匹配程度，以判斷裝配精度。

3.1測量原理

裝配孔的匹配/裝配程度可以用疊加法測量，其原理如圖4（a）所示，兩個(gè)位置不同的半徑分別為R1、R2的圓疊加后重疊區(qū)域能滿足的最大圓直徑2r.

吊掛與機(jī)翼接頭組件交點(diǎn)孔匹配程度，測量的是吊掛交點(diǎn)與雙耳交點(diǎn)孔的匹配程度，實(shí)際裝配時(shí)產(chǎn)生裝配關(guān)系的是三個(gè)交點(diǎn)孔，如圖4（b）所示。

圖4　測量原理

3.2基于VSA仿真測量

仿真模擬中，添加一個(gè)定制測量。選擇測量操作“Measurement”，“Legacy”，“Virtual Diameter”并在“Feature”中選中所要測量的若干裝配孔特征?！癋eature”共有20個(gè)可供選擇測量對(duì)象，能滿足交點(diǎn)孔的裝配需求數(shù)。

4　結(jié)束語

數(shù)字化測量在飛機(jī)裝配中的作用越來越重要，數(shù)字化仿真測量能克服以下常規(guī)測量無法回避的問題［6］：

（1）飛機(jī)裝配過程中，通常需要建立一個(gè)具有多臺(tái)不同測量設(shè)備的大尺寸空間組合集成測試系統(tǒng)，各儀器設(shè)備之間坐標(biāo)系的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)換通過“轉(zhuǎn)站”測量實(shí)現(xiàn)，多次的轉(zhuǎn)站和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換都不可避免地引入轉(zhuǎn)站誤差。

（2）測量環(huán)境條件（溫度、濕度、振動(dòng)等）對(duì)于測量設(shè)備的正常工作和高質(zhì)量測量結(jié)果的獲取有不可忽視的影響。

（3）飛機(jī)被測部件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特征類型多且關(guān)鍵特性多處于隱藏部位，無法采用某單一測量設(shè)備在某單一坐標(biāo)系下完成所有部位的測量。

除此之外，仿真測量還可以測量虛擬/理論面、線等功能，而這些理論線、面在常規(guī)測量難以找到。同時(shí)，仿真測量可以測量各類形狀任意、空間復(fù)雜的控制目標(biāo)。數(shù)字化仿真測量的引入將會(huì)大幅度提升現(xiàn)代飛機(jī)裝配的質(zhì)量和效率，從而增強(qiáng)我國航空制造業(yè)的核心競爭能力。

［1］鄒愛麗，王亮，李東升，等.數(shù)字化測量技術(shù)及系統(tǒng)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2011，21（18）:72-75.

［2］郭洪杰.淺談數(shù)字化測量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2011，21（9）:26-29.

［3］李瀧杲，黃翔，方偉，等.飛機(jī)裝配中的數(shù)字化測量系統(tǒng)［J］.航空制造技術(shù)，2010，23（4）:46-48.

［4］張福軍，張庭軍.基于三坐標(biāo)測量機(jī)的同軸度測量［J］.機(jī)械制造與研究，2009，38（5）：64-65.

［5］張引引，劉慶潤，賈敏，等.鈑金件數(shù)字化測量方案［J］.航空制造技術(shù)，2011，17（22）:96-98.

［6］馮子明.飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2015:195-201.

Method of DigitalSimulation Measurement for Aircraft Assembly

WANG Su-xiao1，WANG Xiao2，TIAN Shuai2，SHIWei-hui2
（1.Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China；2.Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China）

The characteristics and advantages of digitalmeasurement simulation for aircraft assembly based on VSA is proposed.Compared with measurement analysis of coaxially，axial-errors，and matching or assembling degree，the principle and method of normalmeasurement and simulation measurement is introduced.The analysis results show that the simulation measurement has an excellent results and advantages，and it can be expanded for aircraft assembly.

simulation measurement；aircraft assembly；coaxially；axial-errors；matching or assembling degree

V262.44

A

1672-545X（2016）05-0089-04

2016-02-03

王素曉（1983-），女，河南鄭州市人，碩士研究生，工程師，研究方向：容差分析、裝配仿真、結(jié)構(gòu)偏離的生產(chǎn)問題處置。