飛機裝配容差設計技術分析

葛修路

摘 要： 容差設計理論的基礎方法和技術來源于尺寸鏈理論。本文通過研究尺寸鏈的基本理論，分析飛機制造中的主要誤差來源，使尺寸鏈得到修正。通過研究飛機制造系統中的尺寸誤差（隨機誤差）分布特征，分析隨機誤差的理論基礎。

關鍵詞： 飛機裝配容差;尺寸鏈;誤差

1.尺寸鏈

尺寸鏈理論不論在機械設計、制造、還是性能和質量分析中應用范圍非常廣，飛機制造系統中，尺寸鏈分析計算非常重要。尺寸鏈原理廣泛運用于飛機裝配過程中，是連接裝配質量要求和零件制造誤差的紐帶。不僅是零件制造誤差研究分析裝配體的質量的保障，也能根據裝配體的裝配質量要求，修正各個零件相關尺寸的制造容差。

1.1 尺寸鏈的定義

尺寸鏈是指機器裝配或零件加工過程中，互相聯系的尺寸所形成的封閉尺寸組。飛機裝配過程中，零件本身存在制造誤差和夾具、型架產生變形誤差，裝配中形成裝配誤差累積，這些誤差在裝配過程中形成封閉環上，形成了封閉環組，如圖1.1所示。

尺寸鏈中每個尺寸稱為尺寸鏈的環，按其性質不同可分為封閉環和組成環，定義和性質如下：

（1）封閉環：裝配過程中最后形成的環

通常用下標為0的字母表示，如圖1.1中的A0。封閉環是其它尺寸間接形成的最終環，組成環的誤差必然積累到封閉環上，因此封閉環的誤差是所有組成環誤差的總和。

（2）組成環：尺寸鏈中對封閉環有影響的都是組成環。通常用下標1，2，3…表示，如A1，A2，A3等。加工方法以及加工設備影響組成環誤差的大小，但不受其它環的影響。組成環根據對封閉環的影響不同又分兩種：①增環：某一組成環的變化引起封閉環同向變化，即當其它組成環不變時，該環增大封閉環也增大，該環減小封閉環也減小，則該環為增環，如圖1.1中A5。②減環：某一組成環的變化引起封閉環的反向變化，即其它組成環不變時，該環增大封閉環減小，該環減小封閉環增大，則該環為減環如圖2.1中A1～A9。

由此可得出尺寸鏈的兩個基本特征：①封閉性：全部相關尺寸依次連接構成封閉的尺寸組——尺寸鏈的形式;②精度相關性：任一組成環的變動都直接導致封閉環的變動——尺寸鏈的實質。

1.2尺寸鏈分類

（1）根據應用的場合分類：

①裝配尺寸鏈：全部組成環為不同零件的設計尺寸所形成的尺寸鏈;②零件尺寸鏈：全部組成環為同一零件的設計尺寸所形成的尺寸鏈;③工藝尺寸鏈：全部組成環為同一零件的工藝尺寸所形成的尺寸鏈。

（2）根據各環的空間位置尺寸鏈分類：

①直線尺寸鏈（一維尺寸鏈）：全部組成環都平行于封閉環的尺寸鏈;②平面尺寸鏈（二維尺寸鏈）：全部組成環位于一個或幾個平行的平面內的尺寸鏈;③空間尺寸鏈（三維尺寸鏈）：組成環位于幾個不平行的平面內，但某些組成環不平行于封閉環的尺寸鏈。

（3）根據尺寸鏈的不同計量單位分類：

①長度尺寸鏈：全部組成環為長度尺寸的尺寸鏈;②角度尺寸鏈：全部組成環為角度尺寸的尺寸鏈。在長度尺寸鏈中，組成環中有角度尺寸，但封閉環是長度尺寸;同樣在角度尺寸鏈中，組成環有時存在長度尺寸，但封閉環是角度尺寸。

2.容差設計

零件的累積誤差對產品性能的影響及經濟地分配容差的方法叫做即容差設計。容差設計分為：容差分析和容差分配。容差分析與容差分配的關系如圖2.2所示，設容差設計函數模型為y=f（x1，x2，xi，xn），其中n為設計變量的個數;12inx，x，x，x是相互獨立的尺寸設計變量（即組成環尺寸）。

2.1容差分析

容差分析又稱容差驗證，是指已知裝配零、部件的公差，在裝配過程中，因裝配件誤差累積，在一定的技術條件要求下，分析與求解裝配成功率或閉環尺寸公差的過程。計算結果如果達不到設計要求，需要調整各組成環的容差重新計算。在尺寸鏈理論的角度而言，容差分析是解決正計算問題，正計算是從誤差來源開始分析，即已知各組成環的尺寸和容差，確定最終裝配后封閉環的尺寸和容差，以達到審核圖紙上標注的各組成環基本尺寸和上、下偏差，加工后滿足總的功能要求，即驗證設計的正確性。如果最終性能達不到要求，則需重新修改各組成環的容差，最后通過反復試算，達到滿足性能要求。

2.2 容差分配

容差分配又稱容差綜合，是已知產品裝配容差值，按一定的準則分配到各零件容差的過程。在尺寸鏈理論的角度而言，容差分配是反計算問題，反計算是通過對誤差結果進行分析，即已知封閉環容差及各組成環的基本尺寸，在保證產品裝配技術前提下，權衡產品設計精度和制造成本，在一定的優化模型下得到經濟合理的各組成環尺寸的容差和極限偏差，以達到總的技術要求來確定各組成環的容差和上、下偏差。容差分配要解決兩個問題：一個是根據不同方法，確定各組成環的容差iT;二是求出容差iT后，確定各組成環iA的極限偏差。即容差設計要確定容差帶的大小的同時也要確定容差帶的位置。

3.飛機制造系統中的誤差來源

飛機制造系統的誤差主要有以下幾類：

（1）方法誤差

方法誤差是指和加工、裝配或檢測方法有關的誤差。由于零件制造用不同的加工方法，因此能達到的準確度也不一樣;裝配時用不一樣的定位方法，達到不一樣的定位準確度;型架安裝方法有拉線吊線法、安裝標準樣件法、型架裝配機法和光學工具法等，每類安裝方法根據不一樣的具體應用，所達到的準確度不一樣。這些由方法不一樣而產生的誤差，統稱為方法誤差。

（2）機床設備或工具、測量儀器的誤差

由于機床設備或工具、測量儀器的準確度及尺寸、形位的穩定性有所限制，其構造上和技術上的缺陷而產生的誤差。這兩種誤差相互關聯，要降低或避免其對產品質量的影響，就要正確選擇和掌握工藝方法、機床設備或工具、測量儀器。

（3）環境誤差

是指與加工、裝配或檢測時周圍客觀環境條件（如溫度、外力、振動等）有關的誤差。

（4）對象誤差

由于被加工、裝配或檢測工件的幾何形狀不正確，表面加工情況不良，內部存在應力等因素而引起的加工、裝配或檢測誤差，叫做對象誤差。控制對象誤差的方法，主要是在加工、裝配或檢測前，預先將工件準備妥善，或在以后的過程中予以校正或補償。

（5）人為誤差

是指由操作者的技術知識和經驗不足以及感覺器官能力有限等主觀原因而產生的誤差。如：加工或裝配時操作不規范所產生的誤差，用光學工具安裝型架時觀測者的視差等。在進行裝配誤差累積分析時，需要調查尺寸的形成和控制過程，以及在該過程中可能存在的以上各種誤差。

結論

本文分析了尺寸鏈的基本理論和容差設計的基本內容。通過對飛機制造系統中誤差來源的研究，修正了裝配尺寸鏈，對系統誤差中由溫度產生的系統誤差進行了分析。

參考文獻

[1]李柱，徐振高， 蔣向前.互換性與測量技術：幾何產品技術規范與認證GPS[M].北京：高等教育出版社，2004.12.

[2]王恒，寧汝新.三維裝配尺寸鏈的自動生成[J].機械工程學報，2005，41（6）：181～187.