飛機(jī)產(chǎn)品制造中從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞的工程應(yīng)用研究

朱宏斌 徐 穎 王 偉

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，西安 710089）

1 引言

傳統(tǒng)型號(hào)飛機(jī)的協(xié)調(diào)是以結(jié)構(gòu)模線(xiàn)進(jìn)行模擬量傳遞的，各傳遞環(huán)節(jié)的人為誤差，各制造依據(jù)之間的協(xié)調(diào)誤差，成形模胎、型架等工裝的制造誤差，以及零件制造誤差等各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差累積，導(dǎo)致飛機(jī)零件制造中裝配不協(xié)調(diào)問(wèn)題多發(fā)?，F(xiàn)代飛機(jī)的協(xié)調(diào)則多以產(chǎn)品全數(shù)字化定義為基礎(chǔ)，優(yōu)先采用數(shù)字量傳遞的協(xié)調(diào)方法，簡(jiǎn)化了協(xié)調(diào)過(guò)程，減少了協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)，確保了協(xié)調(diào)依據(jù)的一致性，從源頭避免傳遞的各類(lèi)誤差，從過(guò)程中避免誤差的逐步累積。目前，在飛機(jī)產(chǎn)品的制造和裝配過(guò)程中，普遍運(yùn)用模擬量傳遞，但是由于各個(gè)環(huán)節(jié)存在的誤差累積，零件制造的質(zhì)量提升阻礙較多。數(shù)字量傳遞具有唯一性和一致性，是飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和裝配的最終趨勢(shì)，但模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，模擬量到數(shù)字量的優(yōu)化和改進(jìn)，以及由模擬量轉(zhuǎn)化而來(lái)的數(shù)字量的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果等，都需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

在數(shù)字量傳遞與模擬量傳遞的相互轉(zhuǎn)換過(guò)程中，本文引入逆向工程技術(shù)，用數(shù)字化測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)建CAD二維模型，并最終通過(guò)三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物MBD模型。逆向工程技術(shù)是從實(shí)物出發(fā)，進(jìn)而獲取三維數(shù)字模型，使得研發(fā)人員能夠進(jìn)一步利用CAD/CAM 等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理。本文通過(guò)逆向工程技術(shù)，完成了從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)多架份飛機(jī)產(chǎn)品的工程實(shí)際應(yīng)用和連續(xù)驗(yàn)證，為從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞的優(yōu)化和改進(jìn)提供了可行性方案。

2 薄板前緣零件的模擬量?jī)?yōu)化

2.1 模擬量傳遞產(chǎn)生的裝配問(wèn)題

某變截面薄板前緣蒙皮零件如圖1所示，該產(chǎn)品采用規(guī)格為2024-T3-δ0.02in（1in=2.54cm）的薄板板材，其成形工藝流程為：初步滾彎成形零件外形——壓扳機(jī)壓形零件頂部弧度——手工修整外形。零件成形完成后，內(nèi)外蒙皮中間膠接復(fù)合材料發(fā)熱元件，膠接組件經(jīng)3次熱壓固化后，定型零件外形并進(jìn)行裝配。該組件裝配過(guò)程中，要求前緣頂部與型架上肋位卡板底部的貼合間隙為0~1.0mm，局部間隙允許達(dá)到1.0~2.0mm。實(shí)際制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，蒙皮零件經(jīng)過(guò)膠接后，組件發(fā)生變形并呈現(xiàn)拱形形態(tài)，即裝配時(shí)零件兩端能夠較好地貼合工裝型架，但零件其他區(qū)域與型架肋位卡板存在一定間隙，局部間隙超過(guò)2.0mm，已無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，組件裝配示意圖及其與型架肋位卡板的貼合間隙如圖2及表1所示。

圖1 變截面薄板前緣蒙皮零件示意圖

圖2 組件裝配示意圖

表1 組件與型架肋位卡板的貼合間隙 (mm)

由表1所示測(cè)量結(jié)果可以看出，組件與型架呈現(xiàn)兩頭貼合，向中間過(guò)渡間隙逐漸增大的趨勢(shì)，實(shí)測(cè)間隙值已超出前緣頂部貼合間隙為0~1.0mm，局部間隙允許達(dá)到1.0~2.0mm的產(chǎn)品要求。

2.2 模擬量傳遞的改進(jìn)思路

針對(duì)該組件出現(xiàn)的裝配問(wèn)題，追溯組件交檢時(shí)發(fā)現(xiàn)，膠接組件按切外樣板檢驗(yàn)?zāi)z接后的組件外形，檢驗(yàn)位置與裝配型架肋位卡板所在的位置對(duì)應(yīng)，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，檢測(cè)數(shù)據(jù)在0~1.0mm區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，未超出產(chǎn)品間隙控制要求，表明各肋位位置零件外形符合設(shè)計(jì)要求。

表2 切外樣板檢測(cè)零件外形數(shù)據(jù) (mm)

組件與型架肋位卡板貼合間隙結(jié)果顯示，間隙值超差的主要影響因素為零件頂部形態(tài)，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，組件頂部直線(xiàn)度主要由零件成形工裝進(jìn)行控制，即制造工裝直線(xiàn)度是保障零件頂部直線(xiàn)度的最終依據(jù)，膠接過(guò)程不對(duì)頂部直線(xiàn)度產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。根據(jù)制造工裝的反切內(nèi)樣板標(biāo)示的百分位位置，首先對(duì)零件成形工裝進(jìn)行直線(xiàn)度測(cè)量，并通過(guò)模擬補(bǔ)償零件厚度后，協(xié)調(diào)檢查組件交檢反切外樣板與工裝對(duì)應(yīng)位置的間隙情況，其結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 工裝各百分位位置直線(xiàn)度測(cè)量結(jié)果

表4 組件交檢反切外樣板與工裝對(duì)應(yīng)位置的間隙值 (mm)

表3和表4所示結(jié)果表明，工裝與組件交檢依據(jù)存在不協(xié)調(diào)。為進(jìn)一步測(cè)量各制造依據(jù)間的誤差情況，將原始結(jié)構(gòu)模線(xiàn)與各制造依據(jù)間的公差進(jìn)行對(duì)比。檢查結(jié)果表明，工裝制造依據(jù)、裝配型架制造依據(jù)、組件交檢依據(jù)與結(jié)構(gòu)模線(xiàn)符合性在公差要求范圍內(nèi)，但各制造依據(jù)相互之間無(wú)相互協(xié)調(diào)關(guān)系，即各制造依據(jù)存在較大協(xié)調(diào)誤差，局部誤差可達(dá)0.5mm。

2.3 數(shù)字量傳遞的實(shí)現(xiàn)路徑

飛機(jī)產(chǎn)品制造依據(jù)之間存在協(xié)調(diào)誤差，如何避免這些誤差累積并統(tǒng)一各制造環(huán)節(jié)依據(jù)的唯一性，其關(guān)鍵是傳遞數(shù)據(jù)的一致性，即解決從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞轉(zhuǎn)化的問(wèn)題。工裝是保證零件頂部直線(xiàn)度的主要因素，本文從保證工裝直線(xiàn)度為出發(fā)點(diǎn)，并結(jié)合模具制造中采用的逆向工程技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品模具的制造和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行對(duì)比。

2.3.1 模線(xiàn)樣板到產(chǎn)品數(shù)模的構(gòu)建

為了獲得產(chǎn)品三維數(shù)模，實(shí)際中將零件對(duì)應(yīng)工裝的制造依據(jù)（反切內(nèi)樣板）進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，從而獲得零件端面的二維CAD數(shù)據(jù)圖，根據(jù)零件母線(xiàn)為直線(xiàn)的特點(diǎn)，通過(guò)掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建出零件的初始三維數(shù)字化模型，如圖3所示。

圖3 零件的初始三維數(shù)字化模型

由于模線(xiàn)樣板誤差較大，直接構(gòu)建的三維數(shù)模與設(shè)計(jì)尺寸存在一定偏差，因此需結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙尺寸要求，對(duì)已獲得的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行二次優(yōu)化，并驗(yàn)證各尺寸數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的符合性。通過(guò)不斷優(yōu)化和調(diào)整初始三維數(shù)字化模型，最終建立典型零件的三維數(shù)字化模型，本文選取對(duì)象對(duì)應(yīng)的最終數(shù)字化模型如圖4所示。

圖4 典型零件的三維數(shù)字化模型

2.3.2 產(chǎn)品數(shù)模轉(zhuǎn)化為工裝實(shí)物

將已構(gòu)建的零件三維數(shù)字化模型作為零件制造工裝設(shè)計(jì)的原始依據(jù)，設(shè)計(jì)出如圖5所示的數(shù)字化工裝數(shù)模，采用數(shù)控加工技術(shù)制造工裝，并對(duì)工裝型面進(jìn)行計(jì)量。計(jì)量結(jié)果顯示，工裝型面公差及直線(xiàn)度公差均在0.15mm以?xún)?nèi)。

圖5 數(shù)字化工裝數(shù)模

2.4 驗(yàn)證結(jié)果與推廣

按初步滾彎成形——壓扳機(jī)壓形零件頂部弧度——工裝手工修整外形的既定工藝流程，采用新工裝制造3件典型試驗(yàn)件，經(jīng)膠接成形組件后按切外樣板檢驗(yàn)，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

交檢結(jié)果均滿(mǎn)足組件外形控制要求，組件在裝配型架進(jìn)行裝配時(shí)，1項(xiàng)前緣組件頂部與型架肋位卡板的間隙值控制在1.5mm以?xún)?nèi)，2項(xiàng)組件間隙值實(shí)測(cè)在1.0mm以?xún)?nèi)，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表5 切外樣板檢測(cè)零件外形數(shù)據(jù) (mm)

表6 組件與型架肋位卡板貼合間隙 (mm)

表6數(shù)據(jù)表明，組件外形與設(shè)計(jì)理論數(shù)據(jù)的符合性得以提高，產(chǎn)品超差數(shù)據(jù)降低超過(guò)1.0mm，驗(yàn)證了該方法的可行性。為了更加深入地驗(yàn)證連續(xù)投入產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，在原有3件試驗(yàn)件基礎(chǔ)上，增加9件試驗(yàn)件投入。經(jīng)過(guò)多架次的產(chǎn)品裝配驗(yàn)證，膠接后組件與型架肋位卡板的實(shí)測(cè)間隙基本控制在1.0mm以?xún)?nèi)，最大局部間隙值為1.6mm，證明了本項(xiàng)目實(shí)施的正確性，表明數(shù)字量傳遞能夠有效地降低產(chǎn)品質(zhì)量超差，提高零件制造質(zhì)量。

根據(jù)本文選取典型零件的驗(yàn)證結(jié)果，采用相同的逆向工程技術(shù)，將其應(yīng)用在另外2項(xiàng)同類(lèi)型薄板前緣零件中進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，依據(jù)獲得的三維數(shù)字化模型設(shè)計(jì)和加工零件制造工裝，并驗(yàn)證工裝制造零件的外形數(shù)據(jù)和裝配數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)果同樣表明，零件對(duì)應(yīng)組件的驗(yàn)證結(jié)果與本文選取典型零件的驗(yàn)證結(jié)果一致，即該方案能夠解決基于模擬量傳遞零件的裝配超差問(wèn)題，為經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證的前緣類(lèi)薄板蒙皮零件的改進(jìn)提供了可行性方案。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文引入逆向工程技術(shù)，探究傳統(tǒng)模擬量傳遞造成的裝配誤差解決方案，對(duì)傳統(tǒng)模擬量傳遞的飛機(jī)產(chǎn)品制造進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，通過(guò)建立零件的三維數(shù)字化模型，設(shè)計(jì)零件對(duì)應(yīng)的數(shù)字化工裝數(shù)模，并采用數(shù)控加工制造工裝和數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證工裝與數(shù)模的符合性，獲得了型面制造精度較高的工裝實(shí)物。通過(guò)成形連續(xù)多架次的典型試驗(yàn)件及連續(xù)多架次的裝配驗(yàn)證，驗(yàn)證產(chǎn)品最終狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求的符合性，獲得了較好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且得到以下結(jié)論：（1）逆向工程技術(shù)建立的數(shù)字化模型能夠有效避免各制造依據(jù)間存在的協(xié)調(diào)誤差，并能夠有效降低各環(huán)節(jié)的誤差累積，本文選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的超差值降低在1.0mm以上，產(chǎn)品質(zhì)量改善明顯；（2）數(shù)字量傳遞能夠有效降低模擬量傳遞造成的工程問(wèn)題，并從源頭確定了各制造依據(jù)相互協(xié)調(diào)的一致性；（3）從模擬量傳遞變?yōu)閿?shù)字量傳遞能夠提高零件成形工裝的制造精度，進(jìn)而提高零件的成形精度。