自動制孔孔位修正技術(shù)應(yīng)用

付建超，楊建成，張 龍

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

0 引言

飛機(jī)裝配中大多以連接件進(jìn)行零件間的連接，一架大型飛機(jī)上大約有150～200萬個連接件，因此制孔與機(jī)械連接是飛機(jī)裝配過程中重要的一環(huán)[1]。目前國內(nèi)的飛機(jī)制孔仍主要采用手工制孔，易形成孔徑超差、橢孔、垂直度差等缺陷，孔位精度差，制孔步驟多，需要去毛刺導(dǎo)致二次裝配，并且過于依賴工人技術(shù)能力[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，為滿足現(xiàn)代飛機(jī)高質(zhì)量、高效率制孔要求，自動制孔技術(shù)在飛機(jī)蒙皮壁板裝配、飛機(jī)部件裝配中逐步得到應(yīng)用[3-5]。

在實(shí)際裝配過程中，由于零部件的安裝誤差以及裝配變形等原因，部件的實(shí)際外形與設(shè)計(jì)理論外形存在一定的誤差[6]，自動制孔時需要通過準(zhǔn)確的測量結(jié)合理論數(shù)模對自動制孔孔位進(jìn)行修正。目前測量方式主要包括兩種：①直接對零部件外形進(jìn)行測量，該方法存在受結(jié)構(gòu)曲率影響大，工程化應(yīng)用較少；②通過激光跟蹤儀或CCD相機(jī)測量預(yù)先設(shè)置在零件上的基準(zhǔn)孔，根據(jù)基準(zhǔn)乳的實(shí)際位置與理論位置的誤差對制孔區(qū)域的孔位坐標(biāo)進(jìn)行修正，該方法測量修正的準(zhǔn)確性與效率更高，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價值[7-8]。

目前，在飛機(jī)制造過程中的自動制孔技術(shù)研究主要集中在自動制孔設(shè)備的研制、制孔法矢的自動找正、自動離線編程技術(shù)等方面，對自動制孔技術(shù)應(yīng)用層面的工藝設(shè)計(jì)研究相對較少[9-13]，特別是自動制孔的孔位修正過程，大部分研究僅僅給出基于基準(zhǔn)孔的孔位修正算法，并未對飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)情況下的基準(zhǔn)孔分布方案進(jìn)行研究[8-14]，導(dǎo)致自動制孔系統(tǒng)應(yīng)用時工藝性能較差，測量與修正環(huán)節(jié)復(fù)雜，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

本文針對飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的孔位修正與基準(zhǔn)孔分布進(jìn)行研究，通過分析機(jī)身蒙皮連接件的一維分布特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)零件的小曲率特點(diǎn)，提出了基于直線插補(bǔ)算法的孔位修正流程，通過分析機(jī)身結(jié)構(gòu)零件的剛性及變形特點(diǎn)提出基于零件最大變形與制孔孔位精度要求的基準(zhǔn)孔分布方案。該方案有助于提高制孔孔位精度，簡化測量與修正過程，具有較強(qiáng)的工程化應(yīng)用價值，推動了自動制孔技術(shù)在飛機(jī)裝配過程中的應(yīng)用。

1 自動制孔孔位修正算法

1.1 機(jī)身復(fù)材蒙皮典型裝配形式

復(fù)合材料由于其獨(dú)特的性能(比強(qiáng)度高、比模量大、耐腐蝕性能優(yōu)及易于大面積整體成型等)已廣泛應(yīng)用于機(jī)身、機(jī)翼等部位[15]。目前，機(jī)身復(fù)材蒙皮與結(jié)構(gòu)的典型連接方式如圖1所示，復(fù)材蒙皮通過分布于四周的連接件與結(jié)構(gòu)固定，連接件主要沿結(jié)構(gòu)零件的長度方向呈現(xiàn)一維分布特點(diǎn)。與蒙皮存在裝配關(guān)系的結(jié)構(gòu)零件主要包括框與梁兩大類，兩者的表面曲率都較小，曲率半徑通常大于1 m。

圖1 機(jī)身蒙皮典型裝配形式

1.2 基于直線插補(bǔ)的孔位修正算法

由于機(jī)身蒙皮的連接件主要沿結(jié)構(gòu)零件的長度方向一維分布，且連接件分布所在的零件表面曲率較小，因此可采用直線插補(bǔ)算法進(jìn)行孔位修正。相較于其他算法，如雙線性差值算法、誤差Coons曲面函數(shù)算法等[16-18]，直線插補(bǔ)算法的主要優(yōu)點(diǎn)是：原理簡單，計(jì)算量小，修正所需的基準(zhǔn)孔較少，小曲率表面的孔位修正結(jié)果較為準(zhǔn)確，適合于工程化應(yīng)用。

基于直線插補(bǔ)的孔位修正算法如圖2所示，Q1～Q5為基準(zhǔn)孔，P1與P2為待制孔，基準(zhǔn)孔Qi在三個空間方向上的位置偏差為：

(1)

式中，n是基準(zhǔn)孔的總數(shù)。

圖2 孔位修正示意圖

計(jì)算待加工孔Pj與所屬結(jié)構(gòu)零件上的所有基準(zhǔn)孔的理論距離dk。

(2)

式中，k是待加工孔所屬結(jié)構(gòu)零件上的基準(zhǔn)孔總數(shù)。

通過式(2)確定距待加工孔最近的兩個基準(zhǔn)孔Qs和Qt，其在飛機(jī)坐標(biāo)系下的理論坐標(biāo)分別為：

Qs=(xs,ys,zs)T
Qt=(xt,yt,zt)T

(3)

式中，Qs是距離待加工孔最近的基準(zhǔn)孔；Qt是距離待加工孔次近的基準(zhǔn)孔。

計(jì)算待加工孔Pj在基準(zhǔn)孔Qs和Qt連線上的投影點(diǎn)Hd=(xd,yd,zd)T，滿足：

(xj-xd)(xs-xt)+(yj-yd)(ys-yt)+(zj-zd)(zs-zt)=0

(4)

(5)

判斷投影點(diǎn)Hd與基準(zhǔn)孔Qs和Qt的相對位置：

(1)若|HdQs|+|HdQt|=|QsQt|，則投影點(diǎn)Hd位于基準(zhǔn)孔Qs和Qt連線之間，采用雙基準(zhǔn)孔計(jì)算方法，則待加工點(diǎn)的位置調(diào)整量為：

(6)

(2)若|HdQs|+|HdQt|>|QsQt|，則投影點(diǎn)Hd位于基準(zhǔn)孔Qs和Qt連線之外，采用單基準(zhǔn)孔計(jì)算方法，待加工孔Pj的位置調(diào)整量為最近基準(zhǔn)孔Qs測得的位置偏差，則待加工孔的位置調(diào)整量為：

ΔPj=(Δxj,Δyj,Δzj)T=(Δxs,Δys,Δzs)T

(7)

2 自動制孔孔位修正流程

基于直線插補(bǔ)算法，采用數(shù)字化測量技術(shù)準(zhǔn)確測量出基準(zhǔn)孔相對理論位置的偏差后，可將此偏差修正至自動制孔孔位中，確保制孔位置更加準(zhǔn)確，其孔位修正流程如圖3所示。

圖3 孔位修正流程

圖3中包含的詳細(xì)流程為：

(1)從加工的目標(biāo)孔中選擇一部分孔作為測量基準(zhǔn)孔，測量基準(zhǔn)孔需在結(jié)構(gòu)零件上預(yù)先制出；

(2)在裝配型架內(nèi)完成飛機(jī)部件結(jié)構(gòu)裝配；

(3)在裝配型架上選擇標(biāo)志點(diǎn)，使用激光跟蹤儀進(jìn)行測量，建立飛機(jī)坐標(biāo)系；

(4)測量基準(zhǔn)孔位置，將實(shí)測值與理論值進(jìn)行比較，得到基準(zhǔn)孔在空間各方向上的位置偏差；

(5)根據(jù)待加工孔與相鄰基準(zhǔn)孔的位置關(guān)系以及相鄰基準(zhǔn)孔的位置偏差，求解待加工孔的空間位置調(diào)整量；

(6)將待加工孔的理論坐標(biāo)與調(diào)整量相加，得到待加工孔的實(shí)際加工位置。

3 自動制孔孔位修正基準(zhǔn)孔設(shè)置策略

3.1 不同結(jié)構(gòu)零件上的基準(zhǔn)孔分布方案

基準(zhǔn)孔作為設(shè)置在結(jié)構(gòu)零件上的測量基準(zhǔn)，其作用是準(zhǔn)確的反應(yīng)零件的裝配狀態(tài)，主要包括安裝位置誤差與變形情況，為孔位修正提供依據(jù)，因此根據(jù)機(jī)身不同類型零件的結(jié)構(gòu)與裝配過程中的受載變形特點(diǎn)，基準(zhǔn)孔的分布方案應(yīng)該有所差異。

待制孔的孔位誤差可按式(8)計(jì)算：

δ=δ0+δ1+δ2

(8)

式中，δ為待制孔的孔位誤差；δ0為飛機(jī)結(jié)構(gòu)變形造成的孔位誤差；δ1為基準(zhǔn)孔位置誤差引入的待制孔孔位誤差，由基準(zhǔn)孔加工方法確定；δ2為基準(zhǔn)孔測量誤差，由測量系統(tǒng)確定；當(dāng)δ取值為所允許的最大孔位誤差δ*時：

δ0=δ*-δ1-δ2

(9)

此時，δ0為通過容差分配給孔位修正環(huán)節(jié)的孔位誤差。例如自動制孔孔位誤差要求為0.5 mm，基準(zhǔn)孔數(shù)控制孔時孔位誤差為0.2 mm，采用激光跟蹤儀的測量誤差為0.1 mm，則孔位修正環(huán)節(jié)允許的孔位誤差為0.2 mm。

本文提出依據(jù)零件在裝配環(huán)節(jié)的剛性進(jìn)行區(qū)分，可按式(10)進(jìn)行計(jì)算：

(10)

式中，δmax為零件的最大變形，可通過激光跟蹤儀對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多點(diǎn)測量后擬合估算。

當(dāng)m<1時，認(rèn)為該零件為強(qiáng)剛性零件，此時零件自身變形引起的孔位誤差對制孔孔位影響較小，不會造成制孔孔位超差。

當(dāng)m≥1時，認(rèn)為該零件為弱剛性零件，此時零件自身變形引起的孔位誤差對制孔孔位產(chǎn)生較大影響，若不考慮可能會造成制孔孔位超差。

(1)弱剛性零件。機(jī)身的弱剛性零件包括跨度較大的機(jī)加框，鈑金框等，以大跨度機(jī)加框?yàn)槔?，其跨度通常達(dá)到3～4 mm，是機(jī)身整體結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件?？虻亩ㄎ恢饕靠騼蓚?cè)的接頭與型架上的定位器裝配定位。在立式裝配過程中，框由于自身重力以及梁的拉壓作用產(chǎn)生彎曲變形，因此應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測機(jī)加框在航向方向的裝配位置誤差以及結(jié)構(gòu)變形，框的變形示意圖如圖4所示。

圖4 框變形示意圖

框一類的弱剛性零件在裝配環(huán)節(jié)中的變形較大，設(shè)置測量基準(zhǔn)孔應(yīng)重點(diǎn)考慮零件的變形情況，本文提出基于零件最大變形與制孔孔位精度要求的基準(zhǔn)孔分布方案，如圖5所示。該方案綜合考慮了零件的位置誤差與結(jié)構(gòu)變形，能將孔位修正環(huán)節(jié)產(chǎn)生的孔位誤差控制在允許范圍內(nèi)：①在零件兩端設(shè)置位置基準(zhǔn)孔判斷零件的整體裝配位置誤差。②根據(jù)零件變形情況與分配給孔位修正環(huán)節(jié)的孔位誤差設(shè)置變形基準(zhǔn)孔。零件的最大變形為δmax，孔位修正環(huán)節(jié)的孔位誤差為δ0，則在連接件分布方向均布的變形基準(zhǔn)孔數(shù)為：

(11)

圖5 弱剛性零件上的基準(zhǔn)孔分布

(2)強(qiáng)剛性零件。機(jī)身的強(qiáng)剛性零件主要包括梁類零件。梁通過兩端的連接件與其他零件相連，裝配過程中主要承受拉壓載荷，因此梁自身的變形較小。對于此類零件，基準(zhǔn)孔的主要目的是反應(yīng)零件的位置誤差，因此在零件的兩端各設(shè)置一個基準(zhǔn)孔即可，如圖6所示。

圖6 強(qiáng)剛性零件上的基準(zhǔn)孔分布

根據(jù)零件的剛性特點(diǎn)選擇針對性的基準(zhǔn)孔分布方案，能有效反應(yīng)出零件的實(shí)際裝配情況，保證孔位修正的準(zhǔn)確性，同時能大大減少基準(zhǔn)孔數(shù)量，降低測量復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確高效的測量與孔位修正過程。以某數(shù)字化系統(tǒng)為例，為保證制孔孔位不超差，原按200 mm均布原則在產(chǎn)品上設(shè)置基準(zhǔn)孔296個，基準(zhǔn)孔數(shù)量偏多，導(dǎo)致測量與修正效率較低，單架份周期為8.5 h。采用本文所述方案后，基準(zhǔn)孔數(shù)量由296個減少至136個，基準(zhǔn)孔數(shù)量減少54%，約65%的零件僅設(shè)置兩個位置基準(zhǔn)孔，測量與修正效率顯著提升，單架份周期縮短至4.2 h，效率提升51%。

3.2 孔位修正基準(zhǔn)類型

由式(9)可知，當(dāng)允許的最大孔位誤差δ*與基準(zhǔn)孔測量誤差δ2確定時，孔位修正環(huán)節(jié)的孔位誤差δ0取決于基準(zhǔn)孔位置誤差δ1，因此基準(zhǔn)孔自身的位置精度對制孔結(jié)果有較大的影響。目前基準(zhǔn)孔常選擇由人工制出或在零件狀態(tài)下數(shù)控制出。

由于數(shù)字化系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時，基準(zhǔn)孔常常選擇由人工制出，此時影響基準(zhǔn)孔孔位誤差的因素主要包括：零件安裝位置誤差、零件變形誤差、工裝/樣板制造誤差、工裝/樣板定位誤差、人工制孔誤差，因此人工制出的基準(zhǔn)孔精度較低，普遍大于0.5 mm，導(dǎo)致修孔結(jié)果的準(zhǔn)確度較差，對于某些邊距在設(shè)計(jì)狀態(tài)下較為極限的位置，孔位修正結(jié)果可能超差。相比之下，數(shù)控制出的基準(zhǔn)孔孔位精度更好，通常能達(dá)到0.2 mm以內(nèi)，因此能更為準(zhǔn)確地反應(yīng)出部件裝配的真實(shí)狀態(tài)。

在某數(shù)字化裝配項(xiàng)目中，基準(zhǔn)孔部分采用蒙皮定位使用的定位孔(由零件車間數(shù)控制出)，部分由人工使用樣板制出，結(jié)構(gòu)裝配完成后使用Leica AT960激光跟蹤儀配合T-Probe進(jìn)行孔位測量，兩種類型的基準(zhǔn)孔相對于理論孔位的誤差如圖7所示。

圖7 不同類型基準(zhǔn)孔孔位偏差對比

在兩類基準(zhǔn)孔的孔位測量結(jié)果中，人工基準(zhǔn)孔的平均孔位誤差為0.81 mm，數(shù)控基準(zhǔn)孔的平均孔位誤差為0.42 mm，數(shù)控基準(zhǔn)孔的孔位誤差下降了48.2%，說明數(shù)控基準(zhǔn)孔的孔位更加準(zhǔn)確。其中人工基準(zhǔn)孔的最大孔位誤差達(dá)到了3.1 mm，數(shù)控基準(zhǔn)孔的最大孔位誤差為0.75 mm，說明人工制孔時操作的隨機(jī)性會對結(jié)果產(chǎn)生較大影響，相比以下，數(shù)控基準(zhǔn)孔不存在該問題，其制孔結(jié)果一致性較好。綜上所述，基準(zhǔn)孔作為孔位修正的基準(zhǔn)，應(yīng)優(yōu)先考慮在零件狀態(tài)下由零件車間數(shù)控制出，若不具備條件，采用人工制基準(zhǔn)孔的方法，應(yīng)對存在較大孔位誤差的基準(zhǔn)孔進(jìn)行檢查，若存在導(dǎo)致自動制孔孔位超差的風(fēng)險，應(yīng)對相應(yīng)基準(zhǔn)孔進(jìn)行剔除。工程應(yīng)用中，機(jī)身復(fù)材蒙皮定位時通常會設(shè)置相應(yīng)的定位孔，定位孔在零件狀態(tài)下數(shù)控制出，孔位精度較高，可考慮選為基準(zhǔn)孔。

4 結(jié)論

本文通過分析機(jī)身蒙皮連接件的一維分布特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)零件小曲率特點(diǎn)，提出了基于直線插補(bǔ)算法的孔位修正流程。通過分析機(jī)身結(jié)構(gòu)零件的剛性及變形特點(diǎn)提出基于零件最大變形與制孔孔位精度要求的基準(zhǔn)孔分布方案。對于強(qiáng)剛性零件，只需在零件兩端設(shè)置位置基準(zhǔn)孔用以修正零件位置誤差，對于弱剛性零件，除布置用于位置基準(zhǔn)孔外，還需在零上均勻分布變形基準(zhǔn)孔用于反應(yīng)零件變形情況，分布的基準(zhǔn)孔數(shù)量與零件的最大變形以及孔位修正環(huán)節(jié)允許的孔位誤差有關(guān)。

為保證制孔孔位精度，需盡量提高基準(zhǔn)孔孔位精度，可優(yōu)先選擇在零件狀態(tài)下數(shù)控制出，相較于人工制出的基準(zhǔn)孔，數(shù)控制出的基準(zhǔn)孔孔位誤差下降48.2%。在某數(shù)字化系統(tǒng)加工中，應(yīng)用本文所述方案減少了基準(zhǔn)孔數(shù)量54%，提升基準(zhǔn)孔測量及孔位修正效率51%，顯著提升了該數(shù)字化系統(tǒng)的應(yīng)用效能。