飛機裝配中的數字化仿真測量方法

王素曉，王　筱，田　帥，史偉會

（1.上海飛機設計研究院，上海201210；2.上海飛機制造有限公司，上海200436）

飛機裝配中的數字化仿真測量方法

王素曉1，王筱2，田帥2，史偉會2

（1.上海飛機設計研究院，上海201210；2.上海飛機制造有限公司，上海200436）

闡述了面向飛機裝配過程的數字化仿真測量相對于常規測量方法具備的特點及優勢，以西門子VSA軟件為平臺，介紹了同軸度、裝配面軸線、匹配/裝配程度的常規與仿真測量的測量原理及方法，在飛機裝配中具有一定的推廣價值。

仿真測量；飛機裝配；同軸度；裝配面軸線；匹配/裝配程度

利用數字化測量技術和方法進行裝配過程控制是飛機數字化制造的重要環節，是實現飛機制造全數字量傳遞的重要保證之一［1］。目前，隨著飛機研制不斷向數字化進程邁進，數字化測量技術在零部件的數控加工、精準成形和飛機快速自動化裝配等方面的需求越來越迫切［2］。國外先進的飛機制造公司已經開始大規模將數字化測量引入飛機裝配中，而國內數字化測量技術仍然處于零星的研究和應用狀態［3］。本文以西門子的VSA仿真軟件為平臺，通過分析飛機裝配中同軸度、裝配面軸線、匹配/裝配程度的常規與仿真測量原理與方法，探討了數字化仿真測量在國內的應用發展動向，為飛機裝配質量提高和裝配精度提升提供技術支持。

1　同軸度測量

飛機裝配中升降舵、副翼、平尾等多處結構的交點孔都有同軸度控制要求。傳統的用V型支架、鋼球加杠桿百分表或偏擺儀、圓度儀等同軸度測量，難以實現飛機裝配中的架上測量［4］。目前多采用激光跟蹤儀（或三坐標測量儀）測交點位置，然后再分析計算交點同軸度。

1.1常規測量方法

對于基準圓柱與被測圓柱的同軸度的分析與計算，在飛機裝配中通常采用求距法和包絡法。

求距法是將被測要素（各交點孔孔心）投影到一個垂直于基準軸的平面上，計算出被測元素和基準元素軸線間的最大距離，同軸度為最大距離的兩倍。

包絡法是用激光跟蹤儀（或三坐標測量儀）測量一系列被測元素的圓心位置，用圓柱面將所有被測元素圓心包圍，形成圓柱體，圓柱的最小直徑即為同軸度。

1.2基于VSA仿真測量

商用容差分析軟件VSA基于零件的三維模型，提取特征、定義公差，運用蒙特卡洛方法模擬零組件裝配偏差。根據同軸度的定義與實際測量，基于VSA平臺，在數字化仿真中模擬同軸度的測量方法，主要介紹兩種仿真測量方法。

（1）測量以理論軸線為基準

將零部件交點孔的理論軸線作為基準，測量裝配操作完成后各交點孔孔心相對于基準的位置偏差，最大的位置偏差的兩倍即為所求的同軸度。

在仿真軟件中建立虛擬不動的Fixture，取交點孔的理論軸線為基準軸線并放在Fixture中，仿真裝配完成后，用測量操作“點到線”測交點孔孔心與基準軸線的位置偏差，用測量操作“Max”計算最大的位置偏差，最大位置偏差的兩倍作為輸出結果即交點孔同軸度。同時，仿真輸出結果中，各交點孔孔心位置偏差的Cpk（工藝能力指數）值也可作為輔助參考數值。

（2）測量以擬合軸線為基準

擬合零部件交點孔的實際裝配軸線作為基準，測量各交點孔孔心相對于基準的位置偏差，最大的位置偏差的兩倍為所求的同軸度。

在仿真軟件中擬合零部件交點孔孔心軸線作為基準軸線（該基準隨裝配誤差產生位置波動），用測量操作“點到線”測交點孔孔心與基準軸線的位置偏差，用測量操作“Max”計算最大的位置偏差，最大位置偏差的兩倍即交點孔同軸度。

以上兩種仿真測量方法，第一種方法模擬實際工程常采用的測量，測量方法簡單，得出的是相對于絕對位置的同軸度；第二種方法是從同軸度定義出發的相對位置偏差的同軸度測量，測量方法更接近理論卻計算繁瑣。

2　裝配面軸線測量

飛機裝配中存在大量如長桁、框、滑軌、梁等重要裝配面的軸線位置度及相互偏差控制要求，對于飛機上的這些大尺寸工件，使用激光跟蹤儀檢測有著無可比擬的專業技術優勢［5］。

2.1常規測量方法

裝配面的軸線位置度測量，是在測量目標的軸線面上選取測量點，與理論位置比對。如圖1（a）所示，常規測量中常用激光跟蹤儀測量目標的軸線面，得到測量點的X、Y、Z向坐標值，計算測量點到理論軸線面的投影距離。

裝配面軸線相互偏差的測量，是在完成測量目標軸線位置度的測量基礎上進行的。即先求出測量目標軸線面上測量點到各自的理論位置的偏差（設偏差為△A、△B），然后再取偏差值代數差的絕對值（即|△A-△B|），該絕對值即為測量目標軸線相互偏差，如圖1（b）所示。

圖1　軸線位置度及相互偏差測量示意圖

2.2基于VSA仿真測量

軟件的仿真應盡量與實際測量相符合，并選取與實際測量相對應的測量點。

2.2.1軸線位置度

裝配面軸線位置度的仿真測量，是測量裝配之后軸線面上的點相對于理論軸線面的位置偏差。由于測量目標的理論軸線面既有平面，又有曲面，分兩種情況介紹仿真測量方法。

（1）軸線面為平面

在VSA軟件中建立一個虛擬不動的Fixture，取測量目標的軸線面（框、龍骨梁、滑軌、客艙地板縱梁、吊掛滑軌、等直段的機身長桁等）為理論軸線面并放在Fixture中，裝配仿真完成后，用測量操作“點到平面”測軸線面上的點相對于理論軸線面的位置偏差。其中，“點”選擇裝配后的測量目標軸線面上的點，“面”選擇放在Fixture中的面。

（2）軸線面為曲面

若測量目標的軸線面為曲面，則采用不同的仿真測量方法：在VSA軟件中，建立一個虛擬不動的Fixture，將測量目標軸線面上的點（point1）放在Fixture中并標記為point2，裝配仿真完成后，用測量操作“縫隙/齊平”測point1與point2的距離，方向矢量選“靜態”、特征1選“point2”，表示該點投影到理論位置的距離，即沿法線方向的位置偏差，如圖2（a）所示。

2.2.2軸線相互偏差

根據軸線相互偏差的實際測量方法，軸線相互偏差的仿真測量，要在軸線位置度仿真測量完成的基礎上進行。

在VSA軟件中，首先用2.2.1節介紹的方法仿真得到軸線位置度測量結果Measurement1、Measurement2，然后添加“定制測量”，測量類型選擇“Legacy-Diff”，得到軸線相互偏差的仿真測量結果，如圖2（b）所示。

圖2　軸線位置度與軸線相互偏差的仿真測量方法

3　匹配/裝配程度測量

在飛機裝配中，存在以下裝配孔的匹配/裝配程度控制要求：

飛機裝配目標1和目標2分別按各自的裝配孔進行定位裝配，如圖3（a）所示。由于兩個裝配目標是多個裝配孔同時裝配，需要測量每個裝配目標的各裝配孔的裝配程度，判斷是否能保證兩個目標的所有裝配孔都能裝配。

飛機某部段對接，要保證各自16個對接孔能夠同時裝配，如圖3（b）所示。因此需要通過測量，判斷所有對接孔是否都能滿足裝配關系。

圖3　裝配孔的匹配/裝配程度控制模型

吊掛與機翼接頭組件裝配，由于機翼接頭組件的交點孔都是雙耳交點孔，在裝配中又有非常高的裝配精度要求，因此需要測量每個交點孔與機翼接頭組件交點孔的匹配程度，以判斷裝配精度。

3.1測量原理

裝配孔的匹配/裝配程度可以用疊加法測量，其原理如圖4（a）所示，兩個位置不同的半徑分別為R1、R2的圓疊加后重疊區域能滿足的最大圓直徑2r.

吊掛與機翼接頭組件交點孔匹配程度，測量的是吊掛交點與雙耳交點孔的匹配程度，實際裝配時產生裝配關系的是三個交點孔，如圖4（b）所示。

圖4　測量原理

3.2基于VSA仿真測量

仿真模擬中，添加一個定制測量。選擇測量操作“Measurement”，“Legacy”，“Virtual Diameter”并在“Feature”中選中所要測量的若干裝配孔特征。“Feature”共有20個可供選擇測量對象，能滿足交點孔的裝配需求數。

4　結束語

數字化測量在飛機裝配中的作用越來越重要，數字化仿真測量能克服以下常規測量無法回避的問題［6］：

（1）飛機裝配過程中，通常需要建立一個具有多臺不同測量設備的大尺寸空間組合集成測試系統，各儀器設備之間坐標系的統一和轉換通過“轉站”測量實現，多次的轉站和坐標轉換都不可避免地引入轉站誤差。

（2）測量環境條件（溫度、濕度、振動等）對于測量設備的正常工作和高質量測量結果的獲取有不可忽視的影響。

（3）飛機被測部件尺寸大、結構復雜、特征類型多且關鍵特性多處于隱藏部位，無法采用某單一測量設備在某單一坐標系下完成所有部位的測量。

除此之外，仿真測量還可以測量虛擬/理論面、線等功能，而這些理論線、面在常規測量難以找到。同時，仿真測量可以測量各類形狀任意、空間復雜的控制目標。數字化仿真測量的引入將會大幅度提升現代飛機裝配的質量和效率，從而增強我國航空制造業的核心競爭能力。

［1］鄒愛麗，王亮，李東升，等.數字化測量技術及系統在飛機裝配中的應用［J］.航空制造技術，2011，21（18）:72-75.

［2］郭洪杰.淺談數字化測量技術在飛機裝配中的應用［J］.航空制造技術，2011，21（9）:26-29.

［3］李瀧杲，黃翔，方偉，等.飛機裝配中的數字化測量系統［J］.航空制造技術，2010，23（4）:46-48.

［4］張福軍，張庭軍.基于三坐標測量機的同軸度測量［J］.機械制造與研究，2009，38（5）：64-65.

［5］張引引，劉慶潤，賈敏，等.鈑金件數字化測量方案［J］.航空制造技術，2011，17（22）:96-98.

［6］馮子明.飛機數字化裝配技術［M］.北京：航空工業出版社，2015:195-201.

Method of DigitalSimulation Measurement for Aircraft Assembly

WANG Su-xiao1，WANG Xiao2，TIAN Shuai2，SHIWei-hui2
（1.Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China；2.Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China）

The characteristics and advantages of digitalmeasurement simulation for aircraft assembly based on VSA is proposed.Compared with measurement analysis of coaxially，axial-errors，and matching or assembling degree，the principle and method of normalmeasurement and simulation measurement is introduced.The analysis results show that the simulation measurement has an excellent results and advantages，and it can be expanded for aircraft assembly.

simulation measurement；aircraft assembly；coaxially；axial-errors；matching or assembling degree

V262.44

A

1672-545X（2016）05-0089-04

2016-02-03

王素曉（1983-），女，河南鄭州市人，碩士研究生，工程師，研究方向：容差分析、裝配仿真、結構偏離的生產問題處置。