基于3DCS的飞机翼盒容差分配方案优化方法研究

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1、SPEClALTOPIC基于3DCS的飞机翼盒容差分配方案优化方法研究吕瑞强1’2，侯志霞1’2，王明阳1’2(1．中航工业北京航空制造工程研究所，北京100024；2．数字化制造技术航空科技重点实验室，北京100024)【摘要】容差分配方案的合理性在很大程度上影响着飞机产品的装配效率和质量，以飞机典型机翼翼盒为研究对象，分析翼盒盒段的装配工艺，借助三维公差分析软件3DCS建立三维容差分析模型，对翼盒的装配过程进行基于装配仿真模拟的容差分配方案的设计与优化，并利用CAT队C从二次开发工具，实现容差模型的结构化显示，同时建立了交互式三维容差

2、模型快速创建和更新机制。关键词：飞机装配；容差分配；3DCS；仿真分析；迭代优化DOI：10．1608叫．is∞167l-833x．2016．22．068吕瑞强高级工程师．工学博士．毕业于英国Exeter大学制造工程专业。目前就职于中航工业北京航空制造工程研究所数字化与柔性装配技术研究室，研究方向为飞机数字化装配容差分析与优化．生产线规划与仿真。生产系统运行管理、排产调度优化算法等。曾负责、参与中国工程院，总装备部预研、北京市智能制造专项、民机科研、航空基金等多项课题．另外参加了若干航空制造企业生产线相关的横向工程项目。发裹多篇论文。获软

3、件著作权1项。68航空翻造技术·2016年第22期飞机产品因在结构强度和空气动力性能上的特殊要求，其装配精度的要求极为严格。飞机装配作为飞机产品从设计、制造到测量的整个研制过程中最重要的环节之一，不但决定了飞机产品的质量，同时也在很大程度上影响了飞机的制造成本和研制周期【ll。飞机的装配过程具有零部件种类和数量繁多、结构外形复杂、装配层次和相互约束关系复杂等特点，过紧的容差要求会导致装配对象超差率与零件加工成本的上升，而过松的容差要求又会使得产品装配性和质量下降。因此，制定合理的容差分配方案已经成为飞机装配过程中不可缺少且至关重要的一环【

4、2l。容差分配方案设计与优化在飞机制造领域，装配容差分配方案的合理制定是减少成本、提高装配制造准确度并满足生产要求及产品性能、外观等要求的重要保证【3】。传统基于模拟量传递方式的二维容差设计与分配方法，主要是根据规范标准和技术人员的经验初步确定产品装配过程中各个环节的容差值，然后运用极值法或概率法进行核算，再做适当调整。这类方法存在着随意性、试凑性和一致性差等问题，常造成加工与装配的返工，无法保证产品的质量和研制周期H。随着数字化制造技术的不断发展，基于模型的定义(ModelBasedDefinition，MBD)逐渐成为飞机产品从设计到

5、制造唯一的数字量来源，然而由于技术基础薄弱以及国外技术封锁等原因，导致我国在大量推广数字化技术的同时无法在尺寸传递与容差分配方面取得显著进展。因此，实现飞机产品数字化制造过程的三维容差分配方案设计与优化已经成为目前亟需解决的问题【5】。英国剑桥大学的Hillyard最早在1978年提出利用计算机辅助表达零件尺寸与形位容差嘲。30多年来，国内外在计算机辅助公差设计(Computer—AidedT01erancing，CAT)领域的研究取得了丰富的成果，并技术开发了大量的CAT原型系统o”。众多制造企业基于vsA、CETOL、3DCs等主流的

6、CAT商用软件，对不同产品的装配过程进行了三维容差分析的研究与应用f81。国内包括浙江大学、西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、沈阳航空航天大学等众多高校对cAT和容差分析与优化方面也进行了相关理论研究，并开发了相应原型系统19l。飞机装配的容差分配方案设计与优化是一个迭代的过程，其流程如图l所示。首先，产品设计人员依据个人经验与HB、GB等标准文件，设计初始的容差分配方案。其次，依据装配基准、装配顺序等装配工艺方案，建立容差分析模型，并针对飞机产品的功能性目标、可装配性目标和外观性目标等关键控制尺寸，然后利用极值法、均方根

7、法及蒙特卡洛模拟法等进行装配过程的容差累积计算。如果装配误差累积导致关键尺寸不合格，对容差累积组成环的尺寸定义进行调整，重新进行容差建模与计算。同时，如果分析计算结果合格，但关键控制尺寸余量过大，为了降低生产成本，可以考虑将一些容差累积组成环内的某些容差要求适当放松，并重新进行容差分析计算【l01。当产品装配关键控制尺寸和成本因素都满足要求时，停止迭代，生成最终的容差分配方案。典型机一一盒装配工艺1翼盒结构组成本文的研究对象为典型飞机机翼翼盒，该翼盒主要由上壁板、下壁板和骨架3部分组成，如图2所示。其中，梁包括主承力梁、前梁和后梁3部分，

8、均由接头和梁组成；主承力接头和主承力梁为对接，由对接带板连接；前、后梁接头与梁之间为套合。根肋及2、3肋为机加肋，4、5、6肋为钣金肋，除端肋为机加整体肋外，其余各肋均由前后段组成。2翼盒装配