飛機裝配容差優化設計方法研究

張睿 韓志斌 劉煜

摘 要：對于飛機的裝配是需要有合理的誤差，而對于飛機整體質量，合理的裝配容差是可以提高飛機的整體性能和研發成本，同時還能提高飛機的裝配效率，對于飛機裝配工藝中，怎樣去容差設計，選擇合理的裝配方法，可以通過容差建模的方法，通過裝配尺寸鏈，進行容差分析，從多個方面、多個角度進行分析，對于容差建模方法也是有很多種，像尺寸容差、行位容差和配合容差，通過對分機裝配誤差的設計和控制，將整體性能提升。

關鍵詞：容差設計；容差建模；容差分析

1 前言

在飛機裝配中，容差設計是非常重要的，它可以影響很多，飛機裝配容差設計需要先理解公差、容差、裝配容差的區別，公差是指設計中允許的形狀好尺寸的范圍，容差是指幾何形狀和尺寸變動的基準，裝配容差是轉配中限定的變量。

2 飛機裝備容差設計現狀及其中問題

容差設計是飛機設計與制造不可缺少的重要組成部分，是保證飛機設計功能實現的關鍵因素之一，而降低成本是獲取經濟效益的必要手段，提高產品質量是贏得用戶的根本。因此，有必要對容差設計進行全面深入研究，并在此基礎上研究如何在保證產品質量的情況下，降低產品制造成本，這就需要對產品容差進行優化設計，這方面的研究也正是目前國內外飛機制造系統領域的研究熱點之一。飛機制造技術難度大，工程艱巨，協作面廣，需要投入巨額資金的綜合性高技術產業，航空企業是國內最早應用CAD/CAM技術的大型企業，設計部門在引進大量軟件的基礎上采用CAD技術收到較好的效果，由于CAD/CAM在飛機設計制造中的應用，提高了飛機制造水平。應用計算機輔助技術實現飛機裝配容差分析與設計已經成為飛機制造業發展的重要手段，利用計算機輔助容差設計，進行各種數據精確計算和校核工作，極大地提高了設計技術人員地工作效率，從而加快了新產品地投產，為航空設計制造技術的發展提供理論基礎和關鍵技術。然而，由于容差設計涉及機械工程、幾何學、數學、計算機應用等學科的內容，具有復雜性大和研究內容跨學科的特點，導致計算機輔助容差設計（ComputerAidedTolerancing，CAT）的研究進展遠遠落后于計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）以及計算機輔助工藝規劃（CAPP）的進展。在CAD/CAM技術高速發展的今天，計算機輔助容差設計仍無法與CAD/CAM集成，這已成為制約CAD/CAM技術深入發展的瓶頸，是先進制造技術領域急需解決的關鍵技術之一。飛機的裝配容差影響著飛機裝配準確度，裝配準確度是飛機產品質量的重要指標。若飛機裝配容差設計不合理，一方面難以滿足裝配準確度的要求；另一方面將導致返工或修改，引起一次裝配成功率降低，進而浪費人力、時間等。更進一步的說，也影響到飛機的安全使用與使用壽命等。因此研究面向飛機裝配的裝配容差優化設計己成為提高產品裝配準確度和一次裝配成功率而需迫切解決的瓶頸問題。

3 優化設計方法

現代化機械工業要求機械零件具有互換性，特別是飛機制造業，更需要零件具有互換性，只有這樣才能實現生產的高效、專業化。互換性不僅能促進自動化生產的發展，而且有利于降低生產成本，提高生產質量。現代機械制造中，無論是大批量生產還是單件生產，都應該遵循互換性原則。而零部件在幾何參數方面的互換性體現在容差制上。容差由標準容差和基本偏差組成，基本偏差用來確定容差帶相對于零線位置的上偏差和下偏差，是國際上容差帶位置標準化的唯一指標，由基本偏差代號來確定。設計容差時往往需要查找手冊，效率不高，耗時費力。本文通過MATLAB和Access建立的數據庫把國家標準容差、形位容差和飛機工藝容差分配手冊中的叉耳配合協調誤差相關數據輸入計算機，實現容差與叉耳配合協調誤差的自動查找。該方法快捷簡單易用，只需動用鼠標即可實現查找。在飛機制造過程中，飛機裝配工作是一個非常重要的環節，處于非常關鍵的地位。由于飛機對裝配準確度要求非常高，滿足裝配高準確度可以通過制造準確度、裝配容差、工藝余量和裝配過程協調等方法共同實現。如果裝配容差設計不合理，一方面難以滿足裝配準確度的要求；另一方面將仍可能導致返工或修改，引起一次裝配成功率降低。因此，本文研究了面向飛機裝配的容差優化設計方法。在前人研究的基礎上，論述了容差設計關鍵技術，研究了容差優化設計流程，開發了飛機裝配容差優化設計系統。綜述了尺寸鏈的基本理論和容差設計的基本內容。介紹了飛機制造系統中誤差來源，并修正了裝配尺寸鏈，對系統誤差中由溫度產生的系統誤差進行了分析。研究了容差分析關鍵技術。極值法和概率法是傳統的容差分析方法，由于概率法本身的缺陷，所以，在飛機制造中，應用比較多的是概率法的簡化公式—經驗公式法。研究了隨機模擬方法—蒙特卡羅方法。運用隨機模擬方法進行容差分析，既可以適當放寬容差要求、降低加工難度、減小加工成本，又可以簡化統計過程，優化容差分布。研究了當分析結果與設計者的要求相差甚遠時，采用按組成環的貢獻率大小來調整組成環尺寸的方法。最后通過實例說明了容差分析流程。

4 結束語

介紹了系統設計容差的一般流程。實現了容差查詢的自動化，容差分析的簡單化，容差分配的最優化，提高了容差優化設計的效率。此裝配容差優化設計系統界面較好，操作簡單，便于掌握使用。

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