李仁花,程世明,曹唐珍,劉洋洋
(航空工業(yè)洪都,江西 南昌,330024)
近年來,國內(nèi)軍機制造領(lǐng)域發(fā)展迅速,外國產(chǎn)品逐步被國內(nèi)軍機代替。初教六飛機是20世紀(jì)50年代末研制的下單翼螺旋槳初級教練機,飛行性能優(yōu)越。該機要進(jìn)入民機市場需要增大生產(chǎn)能力,作為此飛機的裝配生產(chǎn)線,老舊工裝數(shù)字化復(fù)制和優(yōu)化任務(wù)迫在眉睫。
在飛機裝配工裝設(shè)計制造技術(shù)方面,王文俊研究了標(biāo)準(zhǔn)化在數(shù)字化工裝設(shè)計中的有效運用。董峻朋對飛機裝配型架典型構(gòu)件的設(shè)計要求與常見典型構(gòu)件進(jìn)行研究。吳冰根據(jù)機身特點,將前機身總裝型架設(shè)計成柔性平臺機構(gòu)。李汝鵬開發(fā)了飛機裝配型架骨架CAD系統(tǒng)。王彥喜等分析了用激光跟蹤儀安裝型架的優(yōu)點及測量誤差。付刺利研究了測量中的誤差。王巍分析激光跟蹤測量設(shè)備最佳擬合型架坐標(biāo)系算法。以上研究均是現(xiàn)代裝配工裝設(shè)計制造技術(shù),沒有針對老舊裝配工裝數(shù)字化再設(shè)計的研究。
本文通過研究基于二維圖紙設(shè)計的裝配工裝基本特征,測量現(xiàn)有裝配工裝實物的特征參數(shù),得到由二維圖紙設(shè)計制造的裝配工裝實物實現(xiàn)三維數(shù)字化設(shè)計制造的技術(shù)方案。借鑒同行業(yè)在老舊工裝設(shè)計制造中的先進(jìn)技術(shù)和管理辦法,在現(xiàn)有工裝設(shè)計制造技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計制造。初步實現(xiàn)此飛機裝配工裝的數(shù)字化設(shè)計與制造,形成老機型工裝數(shù)字化設(shè)計與制造規(guī)范,并在公司內(nèi)轉(zhuǎn)化應(yīng)用,促進(jìn)公司在二維圖紙設(shè)計制造時期的工裝實物向數(shù)字化模型轉(zhuǎn)化的快速發(fā)展。
此飛機現(xiàn)有裝配工裝主要依靠劃線鉆孔臺、型架裝配機、普通光學(xué)儀器等設(shè)備進(jìn)行安裝協(xié)調(diào)?,F(xiàn)有實物以二維設(shè)計圖紙作為唯一的制造和檢驗依據(jù)。
現(xiàn)有實物上卡板工作面部分磨損,存在凹坑,無法用測量的方式獲取卡板工作面特征數(shù)據(jù)。同時,框架、定位裝置、夾緊裝置、安裝測量系統(tǒng)、標(biāo)高系統(tǒng)、支撐及輔助裝置的設(shè)計制造方式已經(jīng)發(fā)生了改變。因此,該飛機所有裝配工裝已經(jīng)不能按照當(dāng)初設(shè)計制造方式進(jìn)行生產(chǎn)線復(fù)制,需按照現(xiàn)代設(shè)計制造方式進(jìn)行重新設(shè)計制造。
現(xiàn)代裝配工裝制造以數(shù)控加工為主,采用激光跟蹤儀進(jìn)行安裝。數(shù)控加工需要模型,激光跟蹤儀安裝需要基準(zhǔn)點三維坐標(biāo)值。因此所有裝配工裝需進(jìn)行三維設(shè)計。裝配工裝的三維模型依靠飛機三維骨架模型來進(jìn)行建立,目前此機型只有二維圖紙,沒有三維模型。
為滿足此機型現(xiàn)有零件生產(chǎn)制造方式不改變的情況下(即保持零件工裝不變),根據(jù)圖紙和飛機骨架模型建立的裝配工裝與現(xiàn)有生產(chǎn)線上裝配工裝是否協(xié)調(diào),新研制的裝配工裝是否能直接用于裝配生產(chǎn)線,還需用現(xiàn)代先進(jìn)的測量設(shè)備進(jìn)行檢驗,并對其進(jìn)行修正。
綜上所述,此生產(chǎn)線的復(fù)制工作主要在于建立飛機骨架模型,并測量現(xiàn)有生產(chǎn)線上的工裝實物(包括樣板、量規(guī)、樣件、型架),根據(jù)測量結(jié)果對飛機骨架模型進(jìn)行修正,得出可以用于裝配工裝三維設(shè)計的飛機工藝模型。
1)裝配工裝特征測量
測量特征主要有量規(guī)、卡板及其他定位裝置和夾緊裝置的安裝基準(zhǔn)孔與基準(zhǔn)面。由于裝配工裝外廓尺寸比較大,特征多且復(fù)雜,因此,測量裝配工裝的整體特征需要多種測量設(shè)備進(jìn)行集成。
2)夾具樣板測量
由于樣板的主要特征在一個平面內(nèi),因此需選用二維平面輪廓測量的專用設(shè)備。對測量獲得的樣板輪廓進(jìn)行光順擬合處理。根據(jù)測量獲得的基準(zhǔn)孔中心位置,結(jié)合圖紙尺寸建立樣板表面所刻的基準(zhǔn)線。
3)樣件測量
選用既能準(zhǔn)確獲取復(fù)雜曲面又能準(zhǔn)確獲取基準(zhǔn)孔位置的設(shè)備進(jìn)行測量。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模,得到可用于裝配工裝三維設(shè)計的模型。
1)飛機骨架模型構(gòu)建
在三維軟件中設(shè)定機體坐標(biāo)系原點為(0,0,0),yz平面為飛機0站位,xy平面為飛機對稱面,xz平面為飛機水平面,搭建骨架模型的絕對坐標(biāo)系。根據(jù)飛機二維設(shè)計圖紙,在此絕對坐標(biāo)系下定義框、肋、梁、長桁、弦面等基準(zhǔn)面,選擇尺寸單位為mm,以1∶1的比例,搭建飛機三維基準(zhǔn)模型。在該基準(zhǔn)模型中,構(gòu)建各部段理論外形曲面,形成完整的飛機骨架模型。
2)理論外形曲面與夾具樣板偏差分析
在三維軟件中,將各樣板設(shè)計基準(zhǔn)面與理論外形曲面相交得到切面線,并分別與測量的夾具樣板外形輪廓進(jìn)行偏差分析。
3)裝配工裝設(shè)計參數(shù)與實物特征參數(shù)偏差分析
在三維軟件中,構(gòu)建測量坐標(biāo)系,將骨架模型由絕對坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到測量坐標(biāo)系,進(jìn)行工裝三維設(shè)計參數(shù)與工裝實物特征參數(shù)的偏差分析。
4)工藝模型設(shè)計
通過分析裝配工裝的實物與設(shè)計尺寸的偏差,根據(jù)理論外形曲面與夾具樣板偏差結(jié)果,對飛機理論外形曲面進(jìn)行再設(shè)計,與實物狀態(tài)盡量保持一致,獲得用于裝配工裝三維設(shè)計的工藝模型。
完成裝配工裝設(shè)計所需的飛機工藝模型后,進(jìn)行基于MBD技術(shù)的裝配工裝三維設(shè)計。根據(jù)裝配工裝的二維圖紙要求,獲取相關(guān)的資料,如協(xié)調(diào)要求、新舊標(biāo)準(zhǔn)的比對以及代用等。工裝設(shè)計的坐標(biāo)系以飛機的坐標(biāo)系為基準(zhǔn),保持基準(zhǔn)統(tǒng)一。根據(jù)裝配工裝建模規(guī)范,建立裝配工裝三維數(shù)模。在數(shù)模結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建裝配工裝信息項,將零件的材料、熱處理以及加工檢驗要求等在信息項中注明,便于提取相關(guān)信息,用于基于MBD模型的制造。
基于MBD模型的三維標(biāo)注數(shù)模,選擇性地提取各零組件的關(guān)鍵信息,編制零件制造以及組件裝配的工藝規(guī)程,用于指導(dǎo)后續(xù)工裝零組件的制造、裝配和檢驗全過程。對照工裝零件制造和裝配工藝規(guī)程,并結(jié)合三維標(biāo)注的零件數(shù)模進(jìn)行零件的加工制造和裝配工作。工裝驗收時,工藝規(guī)程和經(jīng)過審簽的三維數(shù)模均作為工裝驗收的依據(jù)。
水平安定面總裝架,主要用于飛機水平安定面部件的鉚接裝配,是一種典型的翼面組合架。以水平安定面總裝架為實例,開展裝配工裝復(fù)制工作的具體研究。
用工業(yè)相機建立測量基準(zhǔn),使用手持掃描儀對卡板、量規(guī)接頭、翼尖定位器及卡板安裝杯座等進(jìn)行測量。使用激光跟蹤儀對卡板工作面、量規(guī)接頭孔位及卡板安裝杯座的孔位進(jìn)行測量。如圖1所示,點云為手持掃描儀所測結(jié)果,三維空間點為激光跟蹤儀所測結(jié)果。
圖1 水平安定面總裝架測量
1)夾具樣板測量
水平安定面總裝架夾具樣板共5塊,利用視覺質(zhì)量檢測儀(VQC)分別對5塊夾具樣板進(jìn)行測量。
2)翼尖樣件測量
對于翼尖定位器樣件,采用手持掃描儀進(jìn)行測量。在兩個基準(zhǔn)孔位置放置了插銷,作為測量輔助工具。根據(jù)掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行翼尖外形的逆向設(shè)計,通過插銷表面數(shù)據(jù)可得到基準(zhǔn)孔位,用于在水平安定面總裝架中的定位。
按照平尾二維理論設(shè)計圖進(jìn)行平尾三維骨架模型的構(gòu)建。根據(jù)構(gòu)建的三維骨架模型,建立水平安定面總裝架設(shè)計所需曲面,并分別與測量的水平安定面總裝架局部特征參數(shù)、夾具樣板輪廓進(jìn)行偏差分析。
圖2所示為點云與卡板設(shè)計曲面偏差圖。偏差值為正表示工作面上的點云在理論外形面外部,偏差值為負(fù)表示工作面上的點云在理論外形面內(nèi)部。根據(jù)偏差色帶分析圖可得,飛機理論外形面與裝配工裝卡板之間存在較大偏差,需要后期進(jìn)行校正。
圖2 測量數(shù)據(jù)與設(shè)計參數(shù)偏差圖
根據(jù)裝配工裝二維設(shè)計圖,在測量坐標(biāo)系中建立基準(zhǔn)點,分別與測量的基準(zhǔn)點進(jìn)行對比分析。表1所示為4、5肋位置的卡板安裝位置實測交點與理論交點坐標(biāo)在x、y、z三個坐標(biāo)方向偏差分析的結(jié)果。根據(jù)分析,卡板安裝位置交點偏差大都在0.5mm之內(nèi),在型架安裝誤差范圍之內(nèi)。
表1 卡板安裝位置交點理論與實測偏差表(mm)
在裝配工裝上安裝量規(guī)實物,進(jìn)行量規(guī)的架上狀態(tài)測量。圖3所示為量規(guī)在架上狀態(tài)測量的數(shù)據(jù)圖,圖中所注尺寸為量規(guī)基準(zhǔn)孔法線之間的距離,圖中所注尺寸的理論值分別為260mm、870mm、152mm、270mm。因此,量規(guī)基準(zhǔn)孔之間距離偏差均未超過0.5mm,在型架安裝誤差范圍之內(nèi)。
圖3 量規(guī)安裝接頭相對位置測量數(shù)據(jù)圖
圖4所示為4#夾具樣板用VQC設(shè)備測量所得數(shù)據(jù)與理論設(shè)計參數(shù)偏差色帶圖。由圖可見,理論設(shè)計參數(shù)與測量數(shù)據(jù)在下陷處偏差超過0.3mm,占總偏差比率為0.8%,其他偏差都小于0.2mm,均在樣板的制造誤差之內(nèi)。VQC設(shè)備測量數(shù)據(jù)與理論設(shè)計參數(shù)基本一致。
圖4 夾具樣板的VQC測量數(shù)據(jù)與理論偏差圖
根據(jù)夾具樣板測量數(shù)據(jù)與理論設(shè)計參數(shù)的偏差,對飛機理論外形曲面進(jìn)行再設(shè)計,獲取水平安定面總裝架卡板設(shè)計所需曲面模型。圖5所示為水平安定面1肋、2肋、3肋、4肋及5肋位置交線在調(diào)整后優(yōu)化的曲面模型。由圖可見,5條設(shè)計曲線曲率梳整體一致,曲面整體光順,可用于水平安定面總裝架卡板模型的設(shè)計。
圖5 水平安定面工藝模型
按照現(xiàn)有工裝設(shè)計規(guī)范、訂貨及標(biāo)準(zhǔn)件庫要求重新設(shè)計,盡量保留舊工裝的上下架方式、安裝順序、定位方式等,對原有工裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
原框架為整體焊接框架?;A(chǔ)結(jié)構(gòu)由槽鋼、鋼板進(jìn)行焊接,底部與支座螺接,配合型架裝配機安裝量規(guī)接頭和卡板支座。現(xiàn)工裝框架設(shè)計為組合式框架,縮短了框架制造周期。
原卡板工作面依據(jù)夾具樣板制造,在型架裝配機上配合框架已有的卡板支座安裝,用快干水泥調(diào)節(jié)。新設(shè)計的工裝卡板組件采用數(shù)控制造,激光跟蹤儀輔助安裝,制造安裝的速度和精度都要高于原有工裝。同時,卡板支座與框架采用硬連接,提高型架穩(wěn)定性。
原接頭均采用量規(guī)安裝,安裝過程繁瑣費時。由于與1肋卡板打開位置干涉,將對稱面處機身對接接頭的手柄均移除。新設(shè)計的接頭,均采用激光跟蹤儀安裝,支座與框架采用硬連接。通過優(yōu)化,解決了接頭與卡板干涉問題。
原翼尖定位組件依據(jù)樣件制造,同時配合量規(guī)、樣件安裝。由于使用頻繁,造成了樣件表面質(zhì)量差,難以提取外形。采用數(shù)控制造定位器,加工速度快,且加工質(zhì)量和精度高,通過激光跟蹤儀輔助安裝,保證安裝精度。
原卡板掛架設(shè)計較矮,卡板打開后離地高度僅1.7米左右,工人使用不便?;谘b配操作過程的需要,對掛架優(yōu)化設(shè)計,使卡板打開后離地高度高于1.85米。
通過對框架、卡板組件、接頭組件、翼尖組件定位器及卡板掛架等的數(shù)字化設(shè)計,完成新型水平安定面總裝架的三維模型,建立的模型如圖6所示。
圖6 水平安定面總裝架新型設(shè)計模型
本文針對現(xiàn)有裝配工裝的狀況進(jìn)行了分析,采用了激光跟蹤儀、手持掃描儀及VQC等先進(jìn)測量設(shè)備對裝配工裝的部分組件進(jìn)行測量,并與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析?;跍y量工程、逆向工程、MBD技術(shù)等重新設(shè)計裝配工裝,并對當(dāng)前生產(chǎn)裝配工裝進(jìn)行改進(jìn)。采用了數(shù)控加工裝配工裝的零部件,使用激光跟蹤儀輔助安裝,解決了產(chǎn)品向數(shù)字化設(shè)計制造轉(zhuǎn)型的問題,節(jié)約了工裝的設(shè)計制造時間。在提高裝配效率的同時,保證了裝配工裝的協(xié)調(diào)性,滿足了老舊機型向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的研制需求。