基于VSA的水平尾翼固定前緣容差分析

劉盼++李建勛++高鵬

摘 要：在飛機(jī)制造中，對產(chǎn)品的裝配準(zhǔn)確度和工藝性提出了很高的要求，合理的容差分配起到了關(guān)鍵的作用，因此容差優(yōu)化和工藝選優(yōu)是飛機(jī)制造過程中重要的環(huán)節(jié)。本文闡述了容差分析與優(yōu)化的流程，并指出容差優(yōu)化具有評價工藝能力、提取控制目標(biāo)影響因子和改進(jìn)工藝的作用。利用商用容差分析軟件，針對某機(jī)型水平尾翼的固定前緣進(jìn)行了容差分配方案的優(yōu)化，驗(yàn)證了容差優(yōu)化的作用，為實(shí)際裝配工藝方案的制定提供參考。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)制造 容差優(yōu)化 水平尾翼 固定前緣

中圖分類號：V22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0084-03

在飛機(jī)的設(shè)計、工藝、制造、裝配等過程中，容差的合理分配是非常關(guān)鍵的，它關(guān)系到產(chǎn)品的性能、制造成本、裝配工藝性等。對零件容差要求嚴(yán)格，零部件裝配準(zhǔn)確度高，裝配工藝性好，而零件制造成本增加，產(chǎn)品超差率提高；反之，對零件容差要求寬松，零部件裝配準(zhǔn)確度低，裝配工藝性差，而零件制造成本減少，產(chǎn)品超差率降低[1]。因此，在飛機(jī)制造過程中，需要對零件的容差給定合理的分配方案，并進(jìn)行方案的不斷迭代優(yōu)化，從而合理地協(xié)調(diào)產(chǎn)品的性能、制造成本和裝配的工藝性?？梢?，容差優(yōu)化己成為提高飛機(jī)裝配質(zhì)量和縮短研制周期的重要環(huán)節(jié)。目前，在容差優(yōu)化方面，國內(nèi)外作了相當(dāng)?shù)难芯?，研究采用的主要方法有：最小成本法、遺傳算法、模糊綜合法、人工智能法等。

本文基于VisVSA技術(shù)，以水平尾翼為例，采用數(shù)字化手段進(jìn)行容差分配方案的優(yōu)化，進(jìn)一步提高了容差分析的精度和容差設(shè)計的合理性。

1 容差分析與優(yōu)化流程

容差分析及優(yōu)化的主要工作過程，是根據(jù)工程/制造/裝配工藝確定的零件公差、裝配路線及基準(zhǔn)傳遞路線建立容差傳遞尺寸鏈，利用計算機(jī)模擬裝配的方法，最終得到控制目標(biāo)的工藝能力指數(shù)評判，對工藝方案進(jìn)行驗(yàn)證，最終從不同的工藝方案和裝配協(xié)調(diào)路線中優(yōu)選出一套合理的方案。容差分析與優(yōu)化示意圖如圖1所示。

從容差分析與優(yōu)化的流程可以看出，容差分析與優(yōu)化是通過對控制目標(biāo)的超差來源進(jìn)行數(shù)字化定量分析。其作用如下。

（1）計算工藝能力指數(shù)Cp和Cpk，評價產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。

Cp可以理解為某一工序保證加工質(zhì)量的能力。Cpk可以理解為某道工序的加工精度能滿足公差要求的程度。Cp和Cpk的計算公式如下：

（1）

（2）

其中：為控制目標(biāo)要求的上限；為控制目標(biāo)要求的下限；為正態(tài)仿真結(jié)果的均值；為正態(tài)仿真結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差。在仿真分析環(huán)節(jié)，將控制目標(biāo)要求作為輸入條件，通過仿真裝配計算產(chǎn)品裝配工藝的工藝能力指數(shù)Cp和Cpk來評價工序的工藝能力，從而評價產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。一般要求Cp值要大于1.33，如果低于1.33說明出現(xiàn)不合格產(chǎn)品概率大，但Cp值過高會使成本增加。

（2）提取控制目標(biāo)的影響因子，并計算影響因子的貢獻(xiàn)度。

貢獻(xiàn)度為影響尺寸璉環(huán)節(jié)的因素對尺寸鏈的貢獻(xiàn)程度。通過商用容差分析軟件的仿真計算，可以提取出控制目標(biāo)的影響因子，計算影響因子的貢獻(xiàn)程度。因此，在對容差分配方案進(jìn)行優(yōu)化時，著重改進(jìn)貢獻(xiàn)度大的因子。

（3）對容差進(jìn)行迭代優(yōu)化，改進(jìn)裝配工藝方案。

結(jié)合VSA容差分析軟件模擬產(chǎn)品的裝配，對容差分配方案進(jìn)行優(yōu)化，最終滿足質(zhì)量要求、設(shè)計與制造要求，達(dá)到改進(jìn)裝配工藝方案的目的。

2 容差分配優(yōu)化

本文以水平尾翼固定前緣為例，說明如何使用容差分析模型進(jìn)行容差分配方案的優(yōu)化。

2.1 固定前緣介紹

水平尾翼固定前緣由鈑金蒙皮、鈑金封閉肋、鈑金支撐肋以及機(jī)加連接肋組成，

其組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 控制目標(biāo)要求及測量目標(biāo)轉(zhuǎn)換

水平尾翼固定前緣的控制目標(biāo)及要求如表1所示。

在VSA容差分析軟件中，外形容差和間隙都不能直接建立其測量目標(biāo)，需要將兩個控制目標(biāo)轉(zhuǎn)換為VSA中可以測量的目標(biāo)，通過可測目標(biāo)的仿真結(jié)果來反映控制目標(biāo)。

2.3 原容差分配方案分析

應(yīng)用容差分析軟件VSA，建立固定前緣的仿真分析模型。按照實(shí)際裝配工藝方案，將原容差分配方案輸入到仿真分析模型中，通過對仿真結(jié)果的分析，來驗(yàn)證原容差分配方案的可行性。

2.3.1 原容差分配方案輸入

固定前緣蒙皮的容差輸入如圖3所示，蒙皮外形上3個點(diǎn)為A基準(zhǔn)，端面2個點(diǎn)為B基準(zhǔn)，蒙皮外形上1個點(diǎn)位C基準(zhǔn)。蒙皮的外形精度為-0.3 mm/+0.1 mm，厚度公差為±0.14 mm，工藝耳片孔的位置度為Φ0.1 mm。

鈑金封端肋和支撐肋的容差輸入如圖4所示，肋的腹板平面為A基準(zhǔn)，腹板上的工裝定位孔分別為B、C基準(zhǔn)。肋腹板面的平面度為0.1 mm，兩個定位孔的位置度為 Φ0.2 mm，肋的外形精度為-0.3 mm/+0。

機(jī)加連接肋的容差輸入如圖5所示，肋的腹板平面為A基準(zhǔn)，腹板上的工裝定位孔分別為B、C基準(zhǔn)。肋腹板面的平面度為 0.1 mm，兩個定位孔的位置度為Φ0.1 mm，肋的外形精度為-0.4 mm/+0。

2.3.2 結(jié)果分析

在VSA軟件中，按照工藝方案裝配固定前緣后，得到了固定前緣外形容差和固定前緣與肋間隙的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示，其中外形容差給定的控制要求界限為±0.8 mm，間隙給定的控制要求界限為0/+0.5 mm。

在給定的控制目標(biāo)界限±0.8 mm下，外形容差的仿真數(shù)據(jù)如表2所示，影響因素如表3所示。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，固定前緣蒙皮的外形容差可以達(dá)到-0.5192 mm/+ 0.2803 mm，如果工程要求為±0.8 mm，則外形容差測量的Cp≧1.33，即合格率為99.73%，工藝能力高?？梢姡潭ㄇ熬壝善さ耐庑稳莶顫M足工程控制要求。從表3中的影響因素可以看出，影響前緣外形容差的主要因素是蒙皮的外形精度。endprint

在給定的控制目標(biāo)界限0/+0.5 mm下，1#端肋與固定前緣的間隙仿真數(shù)據(jù)如表4所示，影響因素如表5所示。

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙為-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求為0/+0.5 mm，則間隙測量的Cp≧0.6067，即合格率達(dá)不到為99.73%，工藝能力不足。類似固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙，固定前緣蒙皮與2#、3#端肋的間隙分別為-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前緣蒙皮與端肋的間隙不能滿足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前緣與端肋會發(fā)生干涉。從表5中的影響因素可以看出，影響間隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

從以上對固定前緣外形容差和固定前緣與肋間隙的仿真結(jié)果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以滿足控制要求，間隙不能滿足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案優(yōu)化

從固定前緣與端肋間隙的仿真結(jié)果可以看出，間隙的容差大于設(shè)計給定的控制要求，說明在實(shí)際裝配階段中會出現(xiàn)超差現(xiàn)象，需要對分配方案進(jìn)行優(yōu)化。通過對控制目標(biāo)影響因子的提取，可見蒙皮的外形精度對間隙的影響最大，因此，在進(jìn)行容差分配方案迭代優(yōu)化中，需要適當(dāng)調(diào)整蒙皮的外形精度的公差值，來達(dá)到優(yōu)化的目的。現(xiàn)將固定前緣蒙皮的外形精度調(diào)整為 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的輸入條件不變，確定新的容差輸入方案。

將新的容差分配方案輸入到VSA分析模型中，通過分析計算，再次得到新的仿真結(jié)果，結(jié)果如圖8和圖9所示。

可見，通過容差分配方案的迭代優(yōu)化，固定前緣外形容差的仿真結(jié)果為-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然滿足控制目標(biāo)要求；間隙的分析結(jié)果為-0.2 mm/+0.5 mm，在允許0.2 mm修錯的情況下，基本符合控制要求。因此，改進(jìn)后的容差分配方案基本符合裝配質(zhì)量要求，可以滿足實(shí)際的需要。

3 結(jié)語

在飛機(jī)裝配過程中，容差分配和裝配工藝對飛機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)裝配質(zhì)量有著重要的作用，可見，容差優(yōu)化成為飛機(jī)裝配過程的重要環(huán)節(jié)。本文闡明了容差分析和迭代優(yōu)化的流程，并給出了容差優(yōu)化具有評價工藝能力、提取影響因子和改進(jìn)工藝的作用。通過結(jié)合商用容差分析軟件，針對某機(jī)型水平尾翼的固定前緣進(jìn)行了容差分配方案優(yōu)化，為實(shí)際裝配工藝方案的制定提供參考和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 武一民，周志革，楊津.公差分析與綜合的進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計，2001（2）：4-5.

[2] 劉玉生，楊將新，吳昭同.CAD/LAPP集成中公差的模糊優(yōu)化設(shè)計[J].浙江大學(xué)學(xué)報，2001，35（I）：41-46.

[3] Z Dong，W Hu and D Xue，New Production Cost-Tolerance Models for Tolerance Synthesis，Journal of Engineering for Industry，Transaction of ASME，1994，116（2）：199-206.endprint

在給定的控制目標(biāo)界限0/+0.5 mm下，1#端肋與固定前緣的間隙仿真數(shù)據(jù)如表4所示，影響因素如表5所示。

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙為-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求為0/+0.5 mm，則間隙測量的Cp≧0.6067，即合格率達(dá)不到為99.73%，工藝能力不足。類似固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙，固定前緣蒙皮與2#、3#端肋的間隙分別為-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前緣蒙皮與端肋的間隙不能滿足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前緣與端肋會發(fā)生干涉。從表5中的影響因素可以看出，影響間隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

從以上對固定前緣外形容差和固定前緣與肋間隙的仿真結(jié)果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以滿足控制要求，間隙不能滿足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案優(yōu)化

從固定前緣與端肋間隙的仿真結(jié)果可以看出，間隙的容差大于設(shè)計給定的控制要求，說明在實(shí)際裝配階段中會出現(xiàn)超差現(xiàn)象，需要對分配方案進(jìn)行優(yōu)化。通過對控制目標(biāo)影響因子的提取，可見蒙皮的外形精度對間隙的影響最大，因此，在進(jìn)行容差分配方案迭代優(yōu)化中，需要適當(dāng)調(diào)整蒙皮的外形精度的公差值，來達(dá)到優(yōu)化的目的。現(xiàn)將固定前緣蒙皮的外形精度調(diào)整為 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的輸入條件不變，確定新的容差輸入方案。

將新的容差分配方案輸入到VSA分析模型中，通過分析計算，再次得到新的仿真結(jié)果，結(jié)果如圖8和圖9所示。

可見，通過容差分配方案的迭代優(yōu)化，固定前緣外形容差的仿真結(jié)果為-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然滿足控制目標(biāo)要求；間隙的分析結(jié)果為-0.2 mm/+0.5 mm，在允許0.2 mm修錯的情況下，基本符合控制要求。因此，改進(jìn)后的容差分配方案基本符合裝配質(zhì)量要求，可以滿足實(shí)際的需要。

3 結(jié)語

在飛機(jī)裝配過程中，容差分配和裝配工藝對飛機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)裝配質(zhì)量有著重要的作用，可見，容差優(yōu)化成為飛機(jī)裝配過程的重要環(huán)節(jié)。本文闡明了容差分析和迭代優(yōu)化的流程，并給出了容差優(yōu)化具有評價工藝能力、提取影響因子和改進(jìn)工藝的作用。通過結(jié)合商用容差分析軟件，針對某機(jī)型水平尾翼的固定前緣進(jìn)行了容差分配方案優(yōu)化，為實(shí)際裝配工藝方案的制定提供參考和依據(jù)。

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[3] Z Dong，W Hu and D Xue，New Production Cost-Tolerance Models for Tolerance Synthesis，Journal of Engineering for Industry，Transaction of ASME，1994，116（2）：199-206.endprint

在給定的控制目標(biāo)界限0/+0.5 mm下，1#端肋與固定前緣的間隙仿真數(shù)據(jù)如表4所示，影響因素如表5所示。

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙為-0.3738 mm/+ 0.4503 mm，如果工程要求為0/+0.5 mm，則間隙測量的Cp≧0.6067，即合格率達(dá)不到為99.73%，工藝能力不足。類似固定前緣蒙皮與1#端肋的間隙，固定前緣蒙皮與2#、3#端肋的間隙分別為-0.3286 mm/+0.3555 mm、-0.3023 mm/+0.4444 mm。因此，固定前緣蒙皮與端肋的間隙不能滿足0/+0.5 mm的工程要求，且固定前緣與端肋會發(fā)生干涉。從表5中的影響因素可以看出，影響間隙的主要因素是蒙皮的外形精度和肋的外形精度。

從以上對固定前緣外形容差和固定前緣與肋間隙的仿真結(jié)果分析，可以看出，按照初步容差分配方案，外形容差可以滿足控制要求，間隙不能滿足控制要求，因此，初步容差分配方案不可行。

2.4 容差分配方案優(yōu)化

從固定前緣與端肋間隙的仿真結(jié)果可以看出，間隙的容差大于設(shè)計給定的控制要求，說明在實(shí)際裝配階段中會出現(xiàn)超差現(xiàn)象，需要對分配方案進(jìn)行優(yōu)化。通過對控制目標(biāo)影響因子的提取，可見蒙皮的外形精度對間隙的影響最大，因此，在進(jìn)行容差分配方案迭代優(yōu)化中，需要適當(dāng)調(diào)整蒙皮的外形精度的公差值，來達(dá)到優(yōu)化的目的?，F(xiàn)將固定前緣蒙皮的外形精度調(diào)整為 -0.2 mm/+0.2 mm，其他零件的輸入條件不變，確定新的容差輸入方案。

將新的容差分配方案輸入到VSA分析模型中，通過分析計算，再次得到新的仿真結(jié)果，結(jié)果如圖8和圖9所示。

可見，通過容差分配方案的迭代優(yōu)化，固定前緣外形容差的仿真結(jié)果為-0.4289 mm/ +0.3705 mm，依然滿足控制目標(biāo)要求；間隙的分析結(jié)果為-0.2 mm/+0.5 mm，在允許0.2 mm修錯的情況下，基本符合控制要求。因此，改進(jìn)后的容差分配方案基本符合裝配質(zhì)量要求，可以滿足實(shí)際的需要。

3 結(jié)語

在飛機(jī)裝配過程中，容差分配和裝配工藝對飛機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)裝配質(zhì)量有著重要的作用，可見，容差優(yōu)化成為飛機(jī)裝配過程的重要環(huán)節(jié)。本文闡明了容差分析和迭代優(yōu)化的流程，并給出了容差優(yōu)化具有評價工藝能力、提取影響因子和改進(jìn)工藝的作用。通過結(jié)合商用容差分析軟件，針對某機(jī)型水平尾翼的固定前緣進(jìn)行了容差分配方案優(yōu)化，為實(shí)際裝配工藝方案的制定提供參考和依據(jù)。

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