機(jī)體骨架裝配精準(zhǔn)補(bǔ)償技術(shù)研究

黃寧 于思陽(yáng) 劉哲 白繼鵬 叢宇佳

摘要：本文通過(guò)搭建飛機(jī)結(jié)構(gòu)件裝配的尺寸鏈模型，分析了消除累積誤差的各種方式，并設(shè)計(jì)了一種適合于強(qiáng)骨架弱蒙皮的機(jī)身骨架裝配精準(zhǔn)補(bǔ)償方法，通過(guò)試驗(yàn)件驗(yàn)證該方法的可行性，進(jìn)一步總結(jié)了實(shí)施該技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)裝配;補(bǔ)償;測(cè)量

1 基于骨架的裝配技術(shù)

飛機(jī)機(jī)體主要由外蒙皮、結(jié)構(gòu)件和系統(tǒng)件組成。針對(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)，一般是空間位置上的點(diǎn)、線(xiàn)，面，不實(shí)際顯現(xiàn)于結(jié)構(gòu)件上;裝配基準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)件上確定相互位置的裝配特征，是實(shí)際存在于結(jié)構(gòu)件上的孔和面;定位基準(zhǔn)是確定結(jié)構(gòu)件在工裝上位置的特征，同樣是存在于結(jié)構(gòu)件上的孔和面。加工基準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)件上用于機(jī)床確定零件位置的特征，特征可能是結(jié)構(gòu)件的孔和面，也可能是零件外的工藝特征。結(jié)構(gòu)件在選擇定位基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)遵循以下四個(gè)原則：

1）定位基準(zhǔn)盡可能與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則

2）定位基準(zhǔn)與零件加工基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則

3）裝配基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)重合的原則

4）基準(zhǔn)不變的原則

結(jié)構(gòu)件在裝配中又稱(chēng)機(jī)體骨架，在以骨架為基準(zhǔn)的裝配模式下，骨架的緣條是蒙皮的裝配基準(zhǔn)，而筋條和腹板面是系統(tǒng)件的裝配基準(zhǔn)，因此結(jié)構(gòu)件在骨架工裝的定位精度直接決定了產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

隨著新一代飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)的逐步提高，對(duì)飛機(jī)制造技術(shù)水平也提出了更高的要求。設(shè)計(jì)指標(biāo)的提高主要體現(xiàn)機(jī)體結(jié)構(gòu)一體化，鈑金零件減少，大型的數(shù)控零件增多，設(shè)計(jì)分離面上的裝配特征多且結(jié)合面面積大，由于誤差積累，機(jī)體骨架按照工藝或裝配特征定位存在如下問(wèn)題：

1）結(jié)構(gòu)件相互連接位置的緣條處存在階差，需要修整過(guò)渡處理，延長(zhǎng)裝配周期。

2）采用工藝特征作為定位基準(zhǔn)放大了裝配特征的零件制造誤差，造成裝配基準(zhǔn)偏差過(guò)大。

3）蒙皮與骨架結(jié)合面存在協(xié)調(diào)誤差，間隙需要進(jìn)行填充補(bǔ)償，增加裝配難度和時(shí)間。

4）采用設(shè)計(jì)和工藝補(bǔ)償?shù)姆绞较圃煅b配誤差會(huì)造成飛機(jī)維護(hù)成本增加，無(wú)法實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)互換。

新一代飛機(jī)對(duì)外形，尤其是蒙皮的對(duì)縫和階差要求苛刻。按照以骨架為基準(zhǔn)的裝配方式，誤差從內(nèi)向外積累，很難滿(mǎn)足新的飛機(jī)氣動(dòng)外形質(zhì)量要求。以機(jī)身的機(jī)體結(jié)構(gòu)為例，強(qiáng)骨架，弱蒙皮的結(jié)構(gòu)誤差積累因素主要包括骨架緣條外形誤差、蒙皮外形誤差和蒙皮厚度誤差。飛機(jī)強(qiáng)骨架、弱蒙皮的設(shè)計(jì)形式?jīng)Q定了必須是以骨架為基準(zhǔn)的裝配方式。以骨架為基準(zhǔn)的裝配方法，其誤差積累是“由內(nèi)向外”的，最后積累的誤差會(huì)反映在壁板外形上[1]，易造成飛機(jī)外形超差，飛機(jī)氣動(dòng)外形的超差問(wèn)題成為近些年飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)人員面臨的重大難題。

3 精準(zhǔn)補(bǔ)償技術(shù)研究

3.1 補(bǔ)償可行性分析

通過(guò)研究飛機(jī)外形的尺寸傳遞環(huán)節(jié)主要有6個(gè)，每個(gè)傳遞環(huán)節(jié)的誤差分別為骨架制造誤差、定位基準(zhǔn)誤差、工裝定位誤差、蒙皮厚度誤差及蒙皮外形誤差，用符號(hào)Δ1、Δ2、Δ3、Δ4、Δ5和Δ6代表，協(xié)調(diào)尺寸鏈有6個(gè)獨(dú)立的組成環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)過(guò)多造成誤差積累大，逐個(gè)控制制造誤差會(huì)造成生產(chǎn)成本提高，制造周期增加，依照裝配精加工的補(bǔ)償理念，需要在誤差積累的過(guò)程中增加一個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)，消除前面環(huán)節(jié)的累積誤差，實(shí)現(xiàn)提高外形裝配精度的目的。

此補(bǔ)償環(huán)節(jié)可設(shè)置在蒙皮裝配后效果最好，但受到蒙皮材料的限制，只能采用增料的方式補(bǔ)償，補(bǔ)償手段為手工鋪疊玻璃布后手工打磨，但對(duì)蒙皮正向誤差無(wú)法處理。因此選擇將補(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)置在骨架裝配后，補(bǔ)償面設(shè)計(jì)在蒙皮和骨架之間，且可補(bǔ)償骨架正向和負(fù)向偏差，這種方式通常稱(chēng)為間隙補(bǔ)償。間隙補(bǔ)償工藝是利用各種形態(tài)的墊片填充間隙，使得接合面的上表面和下表面通過(guò)墊片實(shí)現(xiàn)間接接觸，從而保證連接強(qiáng)度[2]。補(bǔ)償材料的精加工方式可以選擇數(shù)控加工，補(bǔ)償材料通常要固定在機(jī)體上，如固定在蒙皮上再進(jìn)行精加工，將補(bǔ)償材料固定在骨架上，骨架剛性好，無(wú)需特制工裝，骨架的補(bǔ)償層加工完全可按理論數(shù)模進(jìn)行，因?yàn)槊善傂匀?，因此蒙皮的外形偏差（?）在裝配后可忽略不記，最終飛機(jī)外形的誤差僅為Δa（機(jī)加誤差）+Δ5，結(jié)果小于ΣΔi（i=1～6）。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)試驗(yàn)件采用骨架填充補(bǔ)償材料后精加工的實(shí)際效果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)件為盒段結(jié)構(gòu)，強(qiáng)骨架、弱蒙皮，在蒙皮和骨架間設(shè)計(jì)了1mm的間隙，用于填充補(bǔ)償材料。本次試驗(yàn)的補(bǔ)償材料為液態(tài)墊片，活性期內(nèi)涂覆在骨架外表面，待固化后再利用測(cè)量輔助裝配技術(shù)對(duì)裝配質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量。測(cè)量輔助裝配技術(shù)包括了計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)測(cè)量技術(shù)、“Best Fit”優(yōu)化算法及特定的軟件圖形用戶(hù)接口，是數(shù)字化裝配過(guò)程中不可缺少的重要環(huán)節(jié)[3]。最后進(jìn)行補(bǔ)償面的數(shù)控精加工，驗(yàn)證的關(guān)鍵步驟如下：

1）骨架裝配后測(cè)量：將骨架零件在裝配工裝上定位和連接，采用數(shù)字化測(cè)量設(shè)備對(duì)骨架的上表面進(jìn)行掃描，獲取骨架外形偏差量。

2）液態(tài)墊片涂覆后的測(cè)量：液態(tài)墊片的使用分兩種，分別為縫內(nèi)密封和數(shù)控加工，縫內(nèi)密封后，拆開(kāi)上壁板，對(duì)縫內(nèi)密封材料的外形進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量。精加工方式是在涂覆完液態(tài)墊片后，在不擠壓的情況下固化，然后對(duì)涂覆部位進(jìn)行數(shù)字化掃描，同時(shí)測(cè)量骨架數(shù)控加工的建系基準(zhǔn)，分析涂覆范圍和厚度能夠滿(mǎn)足加工余量要求。

3）骨架補(bǔ)償層的精加工：首先確定試驗(yàn)件骨架的加工原點(diǎn)，保證加工型面與周邊結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置準(zhǔn)確，加工后再對(duì)加工表面進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量，與理論數(shù)模對(duì)比，獲得加工質(zhì)量。

3.3 結(jié)果分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲得三種制造方式骨架的制造精度的優(yōu)劣。從質(zhì)量分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)加后的骨架可以獲得較一致的外形質(zhì)量，無(wú)補(bǔ)償?shù)墓羌苎b配受尺寸鏈過(guò)長(zhǎng)的影響，誤差積累較大，縫內(nèi)密封受液態(tài)墊片流動(dòng)性能的影響，質(zhì)量最不穩(wěn)定。通過(guò)結(jié)果分析，采用涂覆液態(tài)墊片后精加工的方式對(duì)機(jī)身骨架的裝配精度有明顯的提升作用。

4 結(jié)論

新一代飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求在不斷提高，裝配設(shè)計(jì)的策劃應(yīng)從設(shè)計(jì)制造全過(guò)程考慮，綜合運(yùn)用數(shù)字化及自動(dòng)化手段，多專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)，不斷提高飛機(jī)裝配技術(shù)水平。本文通過(guò)搭建飛機(jī)結(jié)構(gòu)件裝配的尺寸鏈模型，分析了消除累積誤差的最佳方式，設(shè)計(jì)了一種適合于強(qiáng)骨架弱蒙皮的機(jī)身骨架裝配精準(zhǔn)補(bǔ)償方法，通過(guò)試驗(yàn)件的驗(yàn)證，確定該方法的可行性，進(jìn)一步總結(jié)了實(shí)施該技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，是飛機(jī)精準(zhǔn)裝配技術(shù)上的一次全新探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃春，機(jī)翼翼盒裝配間隙精密補(bǔ)償研，2013，10.

[2]蔡躍波，飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)裝配間隙補(bǔ)償研究進(jìn)展，2019.8

[3]鄒冀華，飛機(jī)數(shù)字化輔助裝配測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用，2009，12.