基于數字量協調技術的航天產品工藝容差應用研究

王學剛 李 揚 郝 丁 張 恒 劉海燕 易 帆 許 猛 李秀春 呂華英

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基于數字量協調技術的航天產品工藝容差應用研究

王學剛 李 揚 郝 丁 張 恒 劉海燕 易 帆 許 猛 李秀春 呂華英

（首都航天機械公司，北京 100076）

針對航天產品協調特點，分析數字量協調技術在航天產品制造中的應用難點，采用極限法分析數字量協調與模擬量協調并存情況下多種協調方式的多項環節誤差，提出了協調孔及測量銷工藝容差分配方法，并開展了相關工藝試驗，為數字量協調技術在航天產品中的應用提供參考。

數字量協調；模擬量協調；工藝容差

1 引言

航天產品結構件具有形狀復雜、定位精度高、協調關系多且協調度要求高等特點，由于加工設備、制造工藝等方面的差異，目前航天產品結構件主要通過模擬量協調的方式保證產品協調關系滿足總體協調要求。隨著CAD和CAM技術的迅速發展，以及產品數字化定義的廣泛應用，為在航天產品制造中大力推廣數字量協調技術創造了條件。

數字量協調技術指以產品的幾何形狀尺寸的數字量信息直接進行傳遞并采用數字化設備制造工裝和零/組/部件，從而保證產品的協調性。相較于傳統的模擬量協調技術，數字量協調技術具有傳遞環節少、累計誤差小和協調度高等特點[1]。

2 航天產品協調特點

航天產品結構件從規則外形向非規則外形方向發展，相較于汽車、飛機等常見產品，航天產品在外形、尺寸、協調精度等方面均存在顯著差異[2]。典型航天產品如圖1所示。

圖1 典型航天產品示意圖

航天產品部段對接一般采用以定位銷定位為基準的多組孔對接結構形式，為保證部段的裝配精度和協調性，必須保證各部段對接協調孔的制孔精度。在現有設備、工藝、管理等生產條件下，批產航天產品部段對接協調均采用標準工裝協調的方法實現，即通過實體鉆模的模擬量形式傳遞對接協調孔的位置尺寸，從而保證對接協調孔的位置一致性，如圖2所示。

圖2 鉆模模擬量協調方式示意圖

3 數字量協調技術應用難點分析

為適應航天產品數字化裝配需求，同時隨著數控制造技術的不斷提高和廣泛應用，采用數字量協調技術是航天制造業的發展趨勢，由于加工能力、工藝方法和制造成本等因素的限制，數字量協調技術將長期僅限于某些特定產品的局部應用，從而存在數字量協調和模擬量協調兩種協調方式并存的情況，鑒于兩種協調方式存在不同的環節誤差，如何保證數字量協調中工藝容差[3]滿足協調要求成為亟需解決的難題。

4 數字量協調工藝容差分析

針對航天產品部段一般以定位銷孔定位為基準的多組孔協調形式，通過探討其對接協調孔可能存在的加工方式，采用極限法[4]分析協調誤差中的多項環節誤差，通過合理分配協調孔及測量銷的工藝容差，為數字量協調技術在航天產品的實際應用提供參考。

4.1 孔軸定位誤差分析

圖3 定位孔軸配合示意圖

設某部段端面兩定位銷孔直徑分別為1（1，1）、2（2，2），定位銷直徑分別為1（1，1）、2（2，2），如圖3所示。

（2）

4.2 多環節誤差分析

工作鉆模與標準鉆模協調時，由孔軸配合產生的協調誤差δ，則標準鉆模與工作鉆模定位銷孔協調誤差為：

式中，D1、 D2分別為標準鉆模中兩定位孔鉆套的內徑基本尺寸；d1、d12分別為標準鉆模中兩定位銷軸徑的基本尺寸；ES1、ES2分別為標準鉆模中兩定位孔鉆套內徑的上偏差；ei1、ei2分別為標準鉆模中兩定位銷軸徑的下偏差。

工作鉆模中定位銷與襯套之間的誤差為：

式中，D1、D2分別為工作鉆模中兩定位孔鉆套的內徑基本尺寸；d1、d2分別為工作鉆模中兩定位銷軸徑的基本尺寸；ES1、ES2分別為工作鉆模中兩定位孔鉆套內徑的上偏差；ei1、ei2分別為工作鉆模中兩定位銷軸徑的下偏差。

上述兩項誤差為隨機誤差，因此協調總誤差為：

數控制孔設備的系統誤差δ為：

（7）

式中，δ——第個數控機床運動軸定位誤差。

測量設備測量誤差為δ。若需測量項目較少，則以所測量數據的最大誤差作為參考；若需測量項目較多，則以測量設備的系統誤差為參考。

4.3 多協調方式協調誤差分析

設兩對接部段相協調面分別為協調面A、協調面B，如圖4所示。其中協調面A采取數字量協調方式，采用極限法分析協調面B不同協調方式下協調面A所產生的總誤差（=1，2，3），協調方式見表1。

1—部段1 2—協調面A 3—協調面B 4—部段2

表1 協調方式表接頭

協調方式協調面A協調數據源協調面B試對協調度方式 方式一數字量數字鉆模數字量數字測量 方式二數字量工作鉆模模擬量工作鉆模 方式三數字量工作鉆模模擬量數字測量

方式一：協調面A、協調面B均以所采集標準數字數據為輸入數字量協調。

式中，為采集產品協調信息產生的最大誤差。

方式二：協調面A以所采集標準鉆模數據為輸入數字量協調，協調面B采用模擬量協調。

a. 若協調面A采用工作鉆模試對協調準確度[5]

式中，為采集標準鉆模協調信息所產生的最大誤差；3為工作鉆模中測量銷與鉆套之間的誤差。

b. 若協調面A采用數字測量協調準確度

方式三：協調面A以所采集工作鉆模數據為輸入數字量協調，協調面B采用模擬量協調。

a. 若協調面A采用工作鉆模試對協調準確度

b. 若協調面A采用數字測量協調準確度

（12）

4.4 工藝容差相關結論

a. 為保證采用工作鉆模所制孔滿足產品協調要求，則需保證：

b. 方式二中采用工作鉆模試對協調準確度，則測量銷直徑d與產品定位孔孔徑1關系為：

（14）

c. 方式三中采用工作鉆模試對協調準確度，則測量銷直徑d與產品定位孔孔徑1關系為：

e. 現有設計文件針對定位孔間距尺寸一般標注為“尺寸（工具）”，導致該狀態下采用數字量協調則引入測量誤差、協調誤差，因此后續設計文件可通過確定協調尺寸公差作為產品數字量協調輸入，從而有效減少誤差環節。

5 試驗研究

根據現有實際生產方式，本試驗以某型號產品端面上對接協調孔2-mm和定位銷mm為研究對象，以協調方式三中采用工作鉆模試對協調方式建立工藝試驗技術路線，如圖5所示。

圖5 端面制孔工藝試驗技術路線圖

5.1 試驗分析

采用三坐標測量機采集工作鉆模上對接協調孔孔位信息，并分別計算兩孔的測量誤差，如表2所示。

表2 工作鉆模對接協調孔孔位信息表

編號定位孔/mm極半徑/mm極角/（°）測量誤差/mm 理論數據采集數據理論數據采集數據 1Φ228227.9922.522.49760.0032 2227.98127.5127.50220.0022

由于測量項目較少，以所采集數據的最大誤差作為測量誤差δ，由表1數據得δ=0.0032mm。

采用五軸數控機床FERMAT WFT-13-CNC加工對接協調孔2-mm，見圖6。該數控機床各運動軸定位精度均為0.015mm/m，代入式（7），得：

以所采集工作鉆模對接協調孔孔位數據為輸入，編制數控加工程序并仿真，將加工程序輸入數控設備加工試驗件，樣件如圖7所示。

圖7 樣件示意圖

圖8 試對局部示意圖

5.2 理論分析

mm

0.3535mm

若采用146定位插銷作為測量銷，則δ3=0.0636mm。

根據產品具體尺寸，確定δ=0.0335mm。

將上述各環節誤差代入式（11），則對接協調孔2-mm所產生的累積誤差為=0.1902mm。

根據所計算的累積誤差，將產品對接協調孔mm實際鉸制至14.18mm，按式（15）計算測量銷的直徑d，計算整理得d=mm。

綜上，可知：

a. 累積誤差δ=0.0899mm＜0.1mm，其滿足式（13），則說明從工作鉆模上所采集的協調數據有效；

b. 實際制孔14.18mm與測量銷mm滿足式（15），則說明協調孔和測量銷的工藝容差合理，即采用測量銷mm試對協調孔滿足協調要求。

6 結束語

隨著航天產品批量及研制型號的不斷增加，數字量協調技術將會得到廣泛應用。針對現階段航天產品數字量協調和模擬量協調兩種協調方式并存的情況，通過分析多項環節誤差，確定合理的工藝容差，為數字量協調技術在航天產品的實際生產應用提供有效參考。

1 何勝強. 大型飛機數字化裝配技術與裝備[M]. 北京：航空工業出版社，2013

2 魏樂愚，楊宏青，榮田. 自動對接裝配技術在航天產品對接裝配中的應用研究[J].制造技術研究，2011(10)：42～44

3 程寶藻. 飛機制造系統準確度與容差分配[M]. 北京：航空工業出版社，1987

4 甘永立. 幾何量公差與檢測[M]. 上海：上海科學技術出版社，2008

5 聶江西. 民機中機身自動化裝配的容差分析方法與應用研究[D]. 上海交通大學，2014

Application Research on Aerospace Product Process Tolerance Based on Digital Coordination Technology

Wang Xuegang Li Yang Hao Ding Zhang Heng Liu Haiyan Yi Fan Xu Meng Li Xiuchun Lv Huaying

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

According to the coordination characteristics of aerospace products, analyze the application difficulties of digital coordination technology in aerospace products manufacturing, apply limit method to analyze a variety of errors within multiple coordination modes of digital coordination and analog coordination, propose a method to distribute process tolerance of coordination holes and measure pins, and carry out a relevant technology test, provide information for digital coordination technology application in aerospace products.

digital coordination；analog coordination；process tolerance

2017-06-01

王學剛（1986），工程師，機械制造及其自動化專業；研究方向：航天產品先進制造工藝。