機翼壁板成型延展測量及數據處理分析

陽波，賴麗珍，陳金平，王俊蓉，韓強儒

(中航飛機股份有限公司 西安飛機分公司，陜西 西安 710089)

0 引言

隨著數字化制造技術水平的提升，新技術、新工藝已經在航空、航天領域廣泛應用。機翼壁板加工成形過程是一種復雜的延展變形，由于現有的工藝方法、加工環境等因素，會導致最終成型的壁板具有延展誤差，且該誤差隨機性大。為了補償該延展誤差，滿足機翼裝配容差要求，需要依據實際壁板成型后的延展變形數據進行分析，建立大尺寸、復雜結構機翼壁板零件成型延展變化趨勢。

1 機翼壁板測量方法

目前航空制造企業對零件的檢測方法主要是模擬量傳遞檢測，對于尺寸較小的零件主要是依據樣板進行檢測，對于尺寸較大的零件主要依據模線PCM明膠圖進行尺寸輪廓檢測[1]，這種傳統的模擬量傳遞檢測有很大的弊端：檢測精度不高、人為因素影響大、檢測效率低下。而一塊機翼壁板沿展向尺寸往往在4 m×10 m 以上，鑒于PCM原材料及繪制PCM明膠圖的設備要求，最大只能繪制1.2 m×5 m范圍的圖形，故一塊機翼壁板需要繪制多張明膠圖并進行拼接對合才能實現檢測。由于PCM材料的特殊性，制造成本為1 200元/m2，而且對儲存環境、溫度有較高要求，在工程中僅能使用一次，增加了飛機研制成本。

近年來新技術飛速發展，對于大尺寸、結構復雜的零件則采用激光測量技術[2]。依據檢驗工裝測量壁板延展量，如圖1所示，為了數據測量方便，分別在理論工藝壁板數模和工裝沿長度方向上鉆制2個測量基準孔，通過調整壁板放置姿態，盡量保證成型后壁板上基準孔和工裝基準孔沿長度方向重合。在壁板數控時，刻畫出長桁軸線、肋軸線，壁板在工裝平臺放置狀態下利用激光測量儀測量成型后壁板每個肋、長桁處輪廓和肋位位置。

圖1 機翼壁板延展測量平臺

考慮到壁板尺寸大、空間結構復雜、數據測量量大、精度難以保證的技術難點。受到設備測量距離的限制，必須將測量系統多次轉站定位[3],才能完成對大尺寸壁板零件的測量，如圖2所示。轉站過程可視為坐標轉換的過程[4]。因此，在不同轉站過程中需要建立不同的坐標系，將不同坐標系下的測量點進行變換到統一坐標系下進行處理分析，最終將測量數據轉換到基準點坐標系下，從而達到保證測量精度的目的。

圖2 機翼壁板轉站定位測量示意圖

對于壁板零件需要建立3個測量站點，以測量1站點為起始測量調試坐標，假設機翼壁板上測量點B在測量1站點的坐標為(x1，y1，z1)，在測量2站點的坐標為(x2，y2，z2)，測量1站點到測量2站點的平移參數為(X，Y，Z)，繞3個坐標軸對應的旋轉參數為(αx12，βy12，γz12)。坐標系的變換可以由上述6個參數確定。按照矩陣表示方法可以為：

式中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3是3個角度旋轉參數的函數，依據空間坐標歐拉公式變換可以得到：

式中：α、β、γ為測量1站點坐標系到測量2站點坐標系繞對應軸旋轉的角度值。

依次對所有測量點進行坐標轉換到基準坐標系下的坐標值，從而確定各個測量目標點之間的位置關系。因壁板尺寸大，測量數據多，部分輪廓和肋位的坐標值如表1所示。

表1 基準坐標系下部分測量點坐標值

2 測量數據處理分析

將上述表格坐標值輸入到壁板設計數模坐標系下，數據輸入方式可以采用VB編程、手工輸入、點云轉換輸入等方式。根據多架份機翼壁板進行測量求取平均值，比對計算理論與實際輪廓和肋位之間的差值，理論與實際輪廓的差值為壁板前后緣的每個肋位的變形數據，如表2所示。(注：展向理論長度是基于基準坐標系測量，偏移值為+，表示比理論值長，-表示比理論值短。)

表2 展、弦向理論偏移值

對測量數據分析，剔除明顯錯誤的數據，采用線性最小二乘法[5]對壁板各肋位的展、弦向延展值進行擬合，擬合得到數據走勢的二次曲線，對離散的點數據進行連續性顯示，如圖3所示。

圖3 機翼壁板延展數據分析示意圖

將壁板肋位沿長度方向的長度尺寸代入擬合的二次曲線方程中，得出每個肋、長桁的趨勢偏移值。

壁板延展方向可以歸結為沿展向、弦向2個方向的延展，如圖4所示，其定義為：

其中Ti,j為轉置矩陣，其表達式為：

式中：

Lu,i——在第i個肋位展向的延展量；

Lv,i——在第i個肋位弦向的延展量；

Lt,i,j——在第i個肋位沿壁板邊緣切線延展量；

Lf,i,j——在第i個肋位沿壁板邊緣法線延展量；

θi,j——在第i個肋位壁板邊緣與長桁軸線的夾角；

i=1,2,…,n，n表示壁板總的肋位數；

j=1,2，其中1表示后緣，2表示前緣。

圖4 延展變形數據轉化示意圖

3 模型修正

通過數據分析得到了壁板沿展向、弦向各肋位處延展偏移量，對每個肋位之間的模型進行修型處理，也就是匹配修型前參考曲線(點)和修型后重構離散點擬合對應目標曲線(點)[6]。達到對每肋位之間壁板模型曲面的修型，如圖5所示。最后疊加、縫合、優化整個壁板模型，得到壁板補償數模。壁板成形較復雜，不確定性較大，所以壁板修行是一個迭代的過程，通過多架次驗證，最終達到滿足裝配容差要求的壁板補償數模。

圖5 壁板延展變形補償原理示意圖

在CATIA模型中構建偏移控制點，以長桁軸線、肋軸線為控制線，為了放置補償過程曲面變形，有必要構建最小包絡實體的控制矩形，通過偏移一定距離得到零件上方的控制點、控制線，用漸變變形命令構建補償模型，如圖6所示。

圖6 壁板數模分段補償過程圖

4 結語

運用激光測量機對機翼壁板放置在工裝平臺狀態下進行測量，得出機翼壁板大尺寸零件在成型工藝中產生的塑性變形規律。通過逆向迭代對產品工藝數模進行修正，使最終成型機翼壁板零件符合裝配容差設計要求，實現模擬量傳遞檢測到數字化檢測的演變。

[1] 陽波,彭艷敏,楊亮，等. 基于AutoCAD二次開發實現直線逼近擬合圓弧的方法[J]. CAD/CAM與制造業信息化,2014(3):48-51.

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[3] 朱筱茵,安志勇,李麗娟，等. 大尺寸三維激光測量系統標定技術研究[J]. 長春理工大學學報(自然科學版),2010(2):8-10.

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[6] 陽波, 陳金平,楊亮,等. 逆向工程和二次開發技術在機翼壁板展開及建模中的應用[J]. CAD/CAM與制造業信息化,2014(9):49-53.