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机体骨架装配精准补偿技术研究

2022-05-16黄宁于思阳刘哲白继鹏丛宇佳

锦绣·上旬刊 2022年2期
关键词:补偿测量

黄宁 于思阳 刘哲 白继鹏 丛宇佳

摘要:本文通过搭建飞机结构件装配的尺寸链模型,分析了消除累积误差的各种方式,并设计了一种适合于强骨架弱蒙皮的机身骨架装配精准补偿方法,通过试验件验证该方法的可行性,进一步总结了实施该技术的关键技术要点。

关键词:飞机装配;补偿;测量

1 基于骨架的装配技术

飞机机体主要由外蒙皮、结构件和系统件组成。针对结构来说,设计基准是结构件设计的关键依据,一般是空间位置上的点、线,面,不实际显现于结构件上;装配基准是结构件上确定相互位置的装配特征,是实际存在于结构件上的孔和面;定位基准是确定结构件在工装上位置的特征,同样是存在于结构件上的孔和面。加工基准是结构件上用于机床确定零件位置的特征,特征可能是结构件的孔和面,也可能是零件外的工艺特征。结构件在选择定位基准和装配基准时应遵循以下四个原则:

1)定位基准尽可能与设计基准统一的原则

2)定位基准与零件加工基准统一的原则

3)装配基准与定位基准重合的原则

4)基准不变的原则

结构件在装配中又称机体骨架,在以骨架为基准的装配模式下,骨架的缘条是蒙皮的装配基准,而筋条和腹板面是系统件的装配基准,因此结构件在骨架工装的定位精度直接决定了产品的装配质量。

2 发展现状

随着新一代飞机设计指标的逐步提高,对飞机制造技术水平也提出了更高的要求。设计指标的提高主要体现机体结构一体化,钣金零件减少,大型的数控零件增多,设计分离面上的装配特征多且结合面面积大,由于误差积累,机体骨架按照工艺或装配特征定位存在如下问题:

1)结构件相互连接位置的缘条处存在阶差,需要修整过渡处理,延长装配周期。

2)采用工艺特征作为定位基准放大了装配特征的零件制造误差,造成装配基准偏差过大。

3)蒙皮与骨架结合面存在协调误差,间隙需要进行填充补偿,增加装配难度和时间。

4)采用设计和工艺补偿的方式消除制造装配误差会造成飞机维护成本增加,无法实现协调互换。

新一代飞机对外形,尤其是蒙皮的对缝和阶差要求苛刻。按照以骨架为基准的装配方式,误差从内向外积累,很难满足新的飞机气动外形质量要求。以机身的机体结构为例,强骨架,弱蒙皮的结构误差积累因素主要包括骨架缘条外形误差、蒙皮外形误差和蒙皮厚度误差。飞机强骨架、弱蒙皮的设计形式决定了必须是以骨架为基准的装配方式。以骨架为基准的装配方法,其误差积累是“由内向外”的,最后积累的误差会反映在壁板外形上[1],易造成飞机外形超差,飞机气动外形的超差问题成为近些年飞机设计制造技术人员面临的重大难题。

3 精准补偿技术研究

3.1 补偿可行性分析

通过研究飞机外形的尺寸传递环节主要有6个,每个传递环节的误差分别为骨架制造误差、定位基准误差、工装定位误差、蒙皮厚度误差及蒙皮外形误差,用符号Δ1、Δ2、Δ3、Δ4、Δ5和Δ6代表,协调尺寸链有6个独立的组成环节,环节过多造成误差积累大,逐个控制制造误差会造成生产成本提高,制造周期增加,依照装配精加工的补偿理念,需要在误差积累的过程中增加一个独立的环节,消除前面环节的累积误差,实现提高外形装配精度的目的。

此补偿环节可设置在蒙皮装配后效果最好,但受到蒙皮材料的限制,只能采用增料的方式补偿,补偿手段为手工铺叠玻璃布后手工打磨,但对蒙皮正向误差无法处理。因此选择将补偿环节设置在骨架装配后,补偿面设计在蒙皮和骨架之间,且可补偿骨架正向和负向偏差,这种方式通常称为间隙补偿。间隙补偿工艺是利用各种形态的垫片填充间隙,使得接合面的上表面和下表面通过垫片实现间接接触,从而保证连接强度[2]。补偿材料的精加工方式可以选择数控加工,补偿材料通常要固定在机体上,如固定在蒙皮上再进行精加工,将补偿材料固定在骨架上,骨架刚性好,无需特制工装,骨架的补偿层加工完全可按理论数模进行,因为蒙皮刚性弱,因此蒙皮的外形偏差(Δ6)在装配后可忽略不记,最终飞机外形的误差仅为Δa(机加误差)+Δ5,结果小于ΣΔi(i=1~6)。

3.2 试验验证

对试验件采用骨架填充补偿材料后精加工的实际效果进行验证。试验件为盒段结构,强骨架、弱蒙皮,在蒙皮和骨架间设计了1mm的间隙,用于填充补偿材料。本次试验的补偿材料为液态垫片,活性期内涂覆在骨架外表面,待固化后再利用测量辅助装配技术对装配质量进行在线测量。测量辅助装配技术包括了计算机辅助光学测量技术、“Best Fit”优化算法及特定的软件图形用户接口,是数字化装配过程中不可缺少的重要环节[3]。最后进行补偿面的数控精加工,验证的关键步骤如下:

1)骨架装配后测量:将骨架零件在装配工装上定位和连接,采用数字化测量设备对骨架的上表面进行扫描,获取骨架外形偏差量。

2)液態垫片涂覆后的测量:液态垫片的使用分两种,分别为缝内密封和数控加工,缝内密封后,拆开上壁板,对缝内密封材料的外形进行数字化测量。精加工方式是在涂覆完液态垫片后,在不挤压的情况下固化,然后对涂覆部位进行数字化扫描,同时测量骨架数控加工的建系基准,分析涂覆范围和厚度能够满足加工余量要求。

3)骨架补偿层的精加工:首先确定试验件骨架的加工原点,保证加工型面与周边结构的相对位置准确,加工后再对加工表面进行数字化测量,与理论数模对比,获得加工质量。

3.3 结果分析

将试验数据进行对比,获得三种制造方式骨架的制造精度的优劣。从质量分布图中可以发现,机加后的骨架可以获得较一致的外形质量,无补偿的骨架装配受尺寸链过长的影响,误差积累较大,缝内密封受液态垫片流动性能的影响,质量最不稳定。通过结果分析,采用涂覆液态垫片后精加工的方式对机身骨架的装配精度有明显的提升作用。

4 结论

新一代飞机的设计要求在不断提高,装配设计的策划应从设计制造全过程考虑,综合运用数字化及自动化手段,多专业协调,不断提高飞机装配技术水平。本文通过搭建飞机结构件装配的尺寸链模型,分析了消除累积误差的最佳方式,设计了一种适合于强骨架弱蒙皮的机身骨架装配精准补偿方法,通过试验件的验证,确定该方法的可行性,进一步总结了实施该技术的关键技术要点,是飞机精准装配技术上的一次全新探索。

参考文献:

[1]黄春,机翼翼盒装配间隙精密补偿研,2013,10.

[2]蔡跃波,飞机复合材料结构装配间隙补偿研究进展,2019.8

[3]邹冀华,飞机数字化辅助装配测量技术及应用,2009,12.

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