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        基于VSA的壁板容差分配與預裝配驗證研究

        2024-08-28 00:00:00李琳鄭丞肖睿恒邱磊
        機械制造與自動化 2024年2期
        關(guān)鍵詞:驗證

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

        關(guān)鍵詞:VSA;容差分配;預裝配;驗證

        中圖分類號:TP391.9""文獻標志碼: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

        在飛機研制過程中,需要根據(jù)設(shè)計給定的工程要求,對零組件及工裝的尺寸公差進行層層分解,確定零件層級的制造基準和公差,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)鍵特性進行分析研究[1]。VSA公差分析軟件的仿真計算核心采用蒙特卡羅法[2]。這是一種以概率統(tǒng)計理論為指導的數(shù)值方法,其原理是采用一個隨機數(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)公差的一系列隨機變量,并對這些封閉環(huán)的公差隨機變量進行分析以得到相應(yīng)的計算結(jié)果。

        當前,VSA在飛機裝配領(lǐng)域主要用于仿真建模實現(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。

        對于大型飛機機身部件,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,實際制造數(shù)據(jù)不一定與容差分配結(jié)果一致,現(xiàn)場實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,需要采用預裝配技術(shù)進行分析和驗證。

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

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

        1"容差分配

        1.1"工程/工藝要求

        機身壁板試驗件組件由壁板、剪切角片、框等零件構(gòu)成,其主要控制目標是壁板外形,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,隨機均勻取31個點,測量下壁板外形,計算結(jié)果如圖2所示。

        滿足控制目標的最優(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"預裝配分析

        2.1"預裝配模型原理

        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,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)標量函數(shù)對裝配容差變化的偏導數(shù)矩陣;A為矢量環(huán)標量函數(shù)對零組件或者工裝偏差變化的偏導數(shù)矩陣;ΔV為零組件或者工裝偏差矢量矩陣。

        利用預處理后的關(guān)鍵控制特性點的實測數(shù)據(jù),作為裝配精度預測模型中關(guān)鍵控制特性點的偏差,形成基于實測數(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測數(shù)據(jù)。

        2.2"預裝配模型建立

        在實際生產(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點建立全機坐標系,測量定位孔的坐標值,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)鍵特征的實際測量基準和測量結(jié)果導入VSA軟件,仍然采用蒙特卡洛法,仿真次數(shù)5 000次,計算壁板外形。

        3"測量驗證

        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坐標系內(nèi)測量壁板的外形,實際測量點的位置與模型中測量點位置對應(yīng)。壁板外形實測值與預裝配模型計算結(jié)果對比如圖5所示。

        從圖5中可以得出如下結(jié)論:

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

        2)在31個測點中,實際測點有5個超出了實際模型計算出來的波動區(qū)間,分別是P7、P10、P17、P25、P27,對實際模型運行極值法仿真,這些點均在極值法計算結(jié)果范圍內(nèi),實測數(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,在預裝配模型中,預裝配L的絕對值小于預裝配H的絕對值,說明計算結(jié)果為正偏差的概率大。對壁板實際測量的31個點進行統(tǒng)計分析,如表1所示。

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

        4"結(jié)語

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

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

        2)基于實測數(shù)據(jù)的預裝配模型計算結(jié)果與測量數(shù)據(jù)一致,說明基于實測數(shù)據(jù)的VSA預裝配模型可以用于預測裝配結(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:

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

        [2] 林祖?zhèn)? 民機機身對接尺寸公差研究[J]. 機械制造,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)的飛機數(shù)字化預裝配技術(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. 基于預裝配精度分析的飛機關(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]. 機械工程學報,2015,51(17):156-161.

        收稿日期:20220218

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