基于骨架法形態分析的無余量裝配機翼質量控制技術

高玉峰

（航空工業沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧沈陽 110000）

國產裝配機在開發設計過程中，首次提出了“以骨架形態作為開發基準”的裝配方法，此項方法的提出彌補了我國數十年技術開發過程中原有裝配技術的缺陷。在原有的裝配技術中，我國一直沿用原蘇聯的“以裝配機外形與結構為基準”的開發技術，但新技術的引進，不僅解決了原有裝配技術在使用過程中存在的精度方面問題，同時也為我國現代化裝配制造行業的發展提供了一個新的發展空間[1]。相比常規的裝配方法，無余量裝配是一種集成了數字化技術的裝配技術，其中涉及不同構件的協調化處理、精準度計算、容差均衡配比等內容。目前，相關此方面的研究在我國仍屬于一個初步研究階段，與之相關的工程成果較為薄弱，無論是在技術使用層面，或是在質量管理層面，均存在不同程度上的問題。為了提高無余量裝配機在完成開發投入使用后的質量，技術單位對基于骨架法的裝配機翼形態結構特點進行了分析，經過綜合分析發現，此種機體結構中，零構件的質量占比較高，在使用中的抗疲勞性能較強，整體壁板與外部形成一種氣動結構，并且，機體的連接部位較少，可承載較高的飛行任務量。為了實現將此種裝配式安裝技術推廣到市場應用，本文將在原有技術的基礎上，結合骨架法對其形態進行分析，設計一種針對無余量裝配機翼質量的控制技術，以此種方式，為我國裝配制造行業的發展提供一個新的指示方向。

1 基于骨架法形態分析的無余量裝配機翼質量控制技術

1.1 構建無余量裝配機翼容差分析模型

為了落實對無余量裝配機翼在集成裝配過程中的質量控制，需要在開展相關研究前，進行裝配機翼的容差分析。本章在開展此方面的研究中，選擇以構建容差分析模型作為基準的方式，進行裝配機翼容差的綜合分析。在此過程中，引進B-rep 理念，將裝配機翼的邊界條件作為建模標準，根據裝配機翼的實體結構，對實體構造進行高層次虛化[2]。并在完成對結構的虛化處理后，建立虛化接口與前端的直接聯系，以此種方式，實現實體結構與裝配機翼虛化結構的對接，確保完成對其的裝配處理后，通過對連接效果的解讀，可實現對結構容差的分析。其中基于B-rep 理念的裝配機翼實體模型可以是一種名義上的實體，參照模板結構對應信息的交互處理，可以實現對模型參數的定義[3]。以此作為建模標準，可將容差分析模型劃分為四個主要節點，對應的節點分別為容差數據生成節點，實體結構基準參考框架節點、實體與虛體結構互聯節點、公差節點。四個節點在模型中對應的參數可以表示為：ED、DRF、EL、D/T，對接模型中各個節點信息，生成對應的裝配機翼容差分析模型。如圖1 所示。

圖1 無余量裝配機翼容差分析模型結構

按照上述圖1 所示的結構，完成對裝配機翼容差分析的建模，在此基礎上，基于CSG 結構樹的原有特征，進行機翼容差的分析。由于基于CSG 結構樹的容差信息表達內容中可能存在冗余信息，所有信息均在一個相同層面上，難以進行裝配機翼容差分析過程中更高層次數據的描述[4]。因此，可定義此時裝配機翼實體結構在終端表現為一個二維平面，通過面→邊關系的表達，進行實體元素間基本關系構成的描述。在進行容差描述時，根據裝配式結構的特點，在終端成像設備上進行機體與機翼關系的表達，并根據表達過程中的缺失信息，進行約束條件的設定，對應的約束條件包括裝配機翼各個構件單元銜接約束、尺寸約束、余量約束等。在掌握裝配過程中的約束條件后，結合實體結構的信息模型，計算不同裝配構件的尺寸鏈關系，按照此種方式，便可以得到一個針對無余量裝配機翼的標準容差分析結果。根據得到的結果，在基礎分析報告上進行容差結果的協調化處理，將容差數據與構建的實體裝配機翼模型進行對接，通過容差信息的反饋渠道，便可以掌握容差分析結果是否有效。

1.2 基于骨架法形態分析的機翼結構配準

在完成對裝配機翼的容差分析后，引進骨架法，對裝配機翼結構進行形態分析，并以此為標準，進行裝配機翼結構的配準。在此過程中的配準流程為：將裝配機體的大梁結構與翼肋結構按照假設標準進行定位，在其上層張貼一層蒙皮或隔板，使用鋼板帶、橡皮繩或卡板等結構，將定位的結構與機體骨架結構進行銜接，再使用蒙皮或隔板，對銜接結構進行鉚接[5]。此種以裝配機翼骨架外形作為標準的結構配準方法，在集成裝配過程中是存在一定誤差的，并且產生的誤差是“由內向外”的，屬于一種累積產生的誤差。即在鉚接的第一層產生的誤差可能為0.01mm，但此種誤差倘若沒有及時進行校正，會隨著裝配結構進行累積。在現有0.01mm 誤差的基礎上，繼續對裝配機翼骨架結構進行鉚接與綁定，累計的誤差便可以表示為0.01+0.01+…+0.01，最終產生的配準誤差將映射到裝配機翼外形上。

通常情況下，裝配機翼的配準誤差主要由下述四個方面導致，分別為制造裝配機翼構件過程中外形誤差、裝配誤差、厚度匹配誤差、鉚接過程中由于貼合不緊密產生的誤差。以骨架法作為外形質量分析的依據，進行裝配機翼外部形態累計誤差的計算。計算公式如下：

公式（1）中：ΔH 表示為機翼結構配準過程中外部形態累計誤差；ΔS 表示為由于制造裝配機翼構件產生的外形累計誤差；ΔA 表示為由于裝配行為造成的累計誤差；Δδ 表示為由于蒙皮或隔板厚度不均導致的累計誤差；ΔG 表示為蒙皮或隔板與裝配機翼結構貼合不嚴密導致的累積誤差；C 表示為形變誤差；i 表示為形變點（對應的取值為1～max）。

在完成上述相關計算后可知，裝配機翼結構配準誤差是由于多個因素共同誘發的，要在真正意義上實現對機翼外形的配準，應當合理地控制上述計算公式提出的多種誤差。根據計算結果，進行ΔS、ΔA、Δδ、ΔG、C 等參數結構的調整，以此種方式，提高配準的精度。但在此過程中應當注意的是，由于ΔG 導致的配準誤差是無法避免的[6]。因此，可在進行蒙皮或隔板與裝配機翼結構貼合處理時，按照骨架分析法，對蒙皮或隔板的外形進行綜合分析，根據對機型的定位，輔助使用撐桿結構，將蒙皮或隔板盡量緊密地貼合在機翼上。并在有必要的情況下，使用補償構件，將結構進行對接處理。相比常規的配準方法，此種配準方式產生的誤差是一種“由外向內”的誤差，而此種累計誤差是可以通過增設補償結構的方式進行消除與彌補的。

1.3 無余量裝配機翼余量裝配補償

在確保無余量裝配機翼的配準精度與誤差可以得到預設要求后，可在裝配結構的過程中，采用余量補償的方式，進一步提高裝配機翼的質量。在此過程中應明確，余量補償是裝配機翼中不可或缺的重要步驟，但增設此操作步驟會在一定程度上增加裝配工作的任務量，并在某種程度上延長裝配機翼的工作周期。因此，需要在補償工作中，采取有效的措施，進行給定準確度的適配，并結合補償過程中的經濟適應性，進行余量裝配補償[7]。同時，在補償時應注意所有執行的補償行為，不得影響到機翼的原有性能、不得出現增重、過度表面保護等問題。需要在無余量裝配機翼補償處理時，選擇零件與裝配構件處于交接狀態入手。例如，在裝配機翼的填角與翼盒的上部、下部連接壁板位置，預留13.0mm～18.0mm（精準到15.0mm 為最佳）的余量，余量與翼箱上部、下部連接壁板進行鉆孔連接處理。在裝配機翼的外翼前緣進行下壁板連接，為選擇的蒙皮與隔板預留13.0mm～18.0mm 的余量。

在完成對補償余量的預留后，在裝配機翼III 與II 懸掛支架位置，進行支臂的銜接，連接孔周圍需要預留1.0mm～3.0mm的余量。在此基礎上，協調基準外形，對預留的余量進行工藝補償，完成相關結構的參數補償與處理后，進行機翼實體結構的三維虛化建模，進行構件的反比，只有構件的實體結構與預設建模骨架誤差控制在±0.05mm 范圍內時，才能認為預設的結構符合無余量裝配機翼的質量需求。綜合上述分析，完成基于骨架法形態分析的無余量裝配機翼質量控制技術的設計與研究。

2 實例應用分析

結合上述論述內容，在引入骨架法形態分析的基礎上，針對無余量裝配機翼的質量問題，從理論角度提出了一種全新的控制技術。

為了進一步驗證該控制技術在實際應用中的可行性以及應用效果，本文選擇以某機翼生產廠加工生產的無余量裝配機翼作為研究對象，在對該機翼結構進行加工和生產的過程中，引入本文上述質量控制技術。

已知本文選擇的機翼結構骨架外形需要通過A05 肋外形、A06 肋外形、A07 肋外形、A08 肋外形和A10 肋外形完成協調，在前端包含一個H7-1650-56 型號接齒板結構，還包括中外翼襟翼艙、外翼副翼艙、襟翼、副翼等結構。由于該機翼結構相對復雜，因此采用以往質量控制技術很難滿足其質量控制精度要求，需要一種全新的控制技術應用。將本文控制技術應用到該機翼生產加工當中，能夠針對不同部件、段件、板件、組合件等結構對其質量進行全面控制，并實現對各結構上偏差、下偏差、余量等數據的展示，實現對機翼的質量控制。

為了進一步驗證該控制技術在應用過程中的質量控制精度，選擇將上述五個不同編號的肋外形結構作為研究對象，通過人工增加數據誤差的方式，將其中A05 肋外形、A06 肋外形、A07 肋外形設置為存在結構誤差的機翼構件，利用本文質量控制技術對其進行測量控制，并以此判斷本文質量控制技術是否能夠找出存在結構誤差的機翼構件。完成對機翼結構參數的測量后，利用下述公式（2）計算得出各個結構的誤差大小：

公式（2）中，σ 表示為機翼各個結構的誤差大小；P 表示為通過本文提出的質量控制技術測量得出的機翼結構數據；P'表示為無余量裝配機翼設計圖紙中各結構的尺寸數據。按照公式（2）計算得出各個機翼構件結構的誤差，并將上述操作流程得出的結果記錄，繪制成如表1 所示。

表1 本文質量控制技術應用效果分析

從表1 中得出的應用結果可以看出，通過本文提出的質量控制技術確定了存在結構誤差的機翼構件為A05 肋外形、A06肋外形、A07 肋外形構件，并且分別針對其上偏差和下偏差給出了明確的數值。通過上述結果得出，本文質量控制技術在應用過程中準確找出了本文上述設定的三個存在結構誤差的機翼構件，針對各個機翼構件結構誤差的測量精度能夠達到0.001mm，即構件結構誤差的測量精度能夠精確到小數點后三位，因此，可以認為此項研究具有十分重要的意義。

在本文控制技術實際應用中，通過上述操作確保最終生產出的機翼各個構件的精度均滿足設計時的各項精度要求，達到提高機翼整體加工生產質量的應用效果，為機翼生產企業提升整體生產加工質量提供更加可靠的技術條件。

3 結論

本文結合骨架法的應用，對裝配機翼形態進行分析，以此為依據，設計一種針對無余量裝配機翼質量的控制技術。并在完成設計后，采用實例應用的方式證明了，設計的成果在實際應用中，能夠在完成生產前對其進行裝配補償，確保最終生產出的機翼各個構件的精度均滿足設計時的各項精度要求，從而達到提高機翼整體加工生產質量的應用效果。但相關裝配機翼的研究是一項較為漫長的過程，僅通過此次實驗便證明設計的技術具有一定效果，是不可行的。因此，還需要在后期的相關研究中，加大對質量控制技術檢驗的投入力度，只有通過多次實例檢驗后，證明本文設計的技術在質量控制方面的成功率超過99.0%，才能在后期將此項技術真正投入市場使用。