基于VSA的壁板容差分配與預裝配驗證研究

摘"要：應用VSA對某機型機身壁板試驗件進行裝配容差和預裝配研究。基于工程要求和裝配協調方案進行容差分配，給出滿足控制目標的最優關鍵特征尺寸容差；基于實測數據建立預裝配模型預測裝配質量；測量壁板的裝配質量并與預裝配模型進行對比分析，發現了二者的一致性，說明基于實測數據的VSA預裝配模型可以用于預測裝配結果，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：VSA；容差分配；預裝配；驗證

中圖分類號：TP391.9""文獻標志碼：B""文章編號：1671-5276（2024）02-0179-03

Tolerance Analysis and Preassembly Verification of Fuselage Panel Based on VSA

LI Lin， ZHENG Cheng， XIAO Ruiheng， QIU Lei

（Shanghai Aircraft Manufacturing Co.， Ltd.， Shanghai 200436，China）

Abstract：VSA is used to study the tolerance and preassembly of a certain type of fuselage panel. According to engineering requirements and assembly coordination program， the tolerance of all the optimal key characteristics satisfying control objectives is given. The precision model based on measured data is established to perform the preassembly precision analysis. The assembly quality is measured and compared with the preassembly model， and the results prove to be consistent with one another， which shows that VSA model based on manufacture data can be used to predict the assembly result and has certain engineering application value.

Keywords：VSA；tolerance analysis；preassembly；verification

0"引言

在飛機研制過程中，需要根據設計給定的工程要求，對零組件及工裝的尺寸公差進行層層分解，確定零件層級的制造基準和公差，這個過程通常被稱為容差分配。

VSA軟件是西門子公司PLM軟件Teamcenter Visualization中的一個公差分析模塊，可用于對產品零組件進行裝配仿真，以尺寸鏈傳遞為基礎，從零件制造、零組件裝配及產品檢測方面對影響產品質量的關鍵特性進行分析研究［1］。VSA公差分析軟件的仿真計算核心采用蒙特卡羅法［2］。這是一種以概率統計理論為指導的數值方法，其原理是采用一個隨機數發生器來模擬各組成環公差的變化，求解出封閉環公差的一系列隨機變量，并對這些封閉環的公差隨機變量進行分析以得到相應的計算結果。

當前，VSA在飛機裝配領域主要用于仿真建模實現容差分配與工藝優化。葛磊［3］使用ViaVSA容差分析軟件，以副翼模型為基礎，結合尺寸鏈，對VSA建模不同方法進行對比，確定了最優建模方法。韋余鳳等［4］通過三維裝配容差仿真計算分析了主起落架艙門與主起輪艙整流罩間隙的超差問題，找到了對主起落架艙門與主起輪艙整流罩間隙影響貢獻度較大的關鍵影響因素并提出了相應的優化方案。

對于大型飛機機身部件，由于零件尺寸大、剛度低、人員技術水平存在差異及制造偏差等原因，實際制造數據不一定與容差分配結果一致，現場實際裝配過程中易出現裝配精度超差的質量問題。因此，自上而下工程的容差分配結果是否與制造能力相符，需要采用預裝配技術進行分析和驗證。

預裝配是指通過提取零件的實際數據，在實測數據的基礎上進行裝配仿真的方法，能夠解決傳統數字化裝配中無法預測實際裝配干涉情況、無法進行裝配質量預評估等問題［5］。張敏等［6］以某型飛機中機身壁板裝配為例，率先基于VSA將實測數據作為裝配精度預測模型的輸入偏差進行預裝配精度分析并根據分析結果及時調整定位方案，實現了中機身壁板的質量控制，但并沒有對裝配后的質量情況進行測量驗證。因此本文以某機型機身壁板試驗件裝配為例，提出基于VSA關鍵特征的容差分配與非點云數據的預裝配驗證技術。

本文以某機型機身壁板試驗件為例，首先基于控制目標精度要求和裝配協調方案，建立裝配容差仿真計算模型，給出滿足控制目標的最優關鍵特征尺寸容差分配方案，然后基于關鍵特征的非點云實測數據，在VSA中建立預裝配模型，最后測量裝配質量并與模型計算結果進行對比分析。實驗技術方案如圖1所示。

1"容差分配

1.1"工程/工藝要求

機身壁板試驗件組件由壁板、剪切角片、框等零件構成，其主要控制目標是壁板外形，外形的公差要求是±0.7mm。

1.2"容差分配

在VSA中建立容差分配模型，采用蒙特卡洛法，設置仿真次數5 000次，隨機均勻取31個點，測量下壁板外形，計算結果如圖2所示。

滿足控制目標的最優壁板零件尺寸公差為：外表面輪廓度0.5mm，內型面輪廓度0.7mm，定位孔位置度0.3mm。

2"預裝配分析

2.1"預裝配模型原理

裝配工藝包括裝配容差要求、零組件裝配順序、零組件定位方案等內容，其中裝配容差要求是裝配精度控制的目標，零組件裝配順序和定位方案決定了裝配偏差傳遞和累積的方向。根據裝配工藝，提取相關信息，構建矢量環，建立裝配精度預測模型。裝配容差與零組件、工裝偏差的關系函數為

u=f（v1，v2，…，vn） （1）

式中：u為裝配容差；vn為零組件或者工裝偏差；f為裝配容差與零組件、工裝偏差之間的關系函數。具體矩陣表達式為［7］

ΔU=-B-1AΔV（2）

式中：ΔU為裝配容差矢量矩陣；B是矢量環標量函數對裝配容差變化的偏導數矩陣；A為矢量環標量函數對零組件或者工裝偏差變化的偏導數矩陣；ΔV為零組件或者工裝偏差矢量矩陣。

利用預處理后的關鍵控制特性點的實測數據，作為裝配精度預測模型中關鍵控制特性點的偏差，形成基于實測數據的裝配工序精度模型，此時，裝配容差與零組件、工裝偏差的關系函數為

u′=f（v1′，v2′，…，vn′）（3）

式中：u′為實測數據替換后得到的裝配容差；vn′為零組件或者工裝偏差實測數據。

2.2"預裝配模型建立

在實際生產測量過程中，壁板外表面采用貼膜檢，輪廓度測量結果為0.3mm，壁板厚度采用磁力測厚儀測量，厚度公差在±5%以內，內型面沒有直接測量。在預裝配模型中，采用內型面與外表面關聯加上厚度公差的方式，獲取內型面的輪廓度，如圖3所示。

壁板定位孔位置度測量采用激光跟蹤儀，測量時，壁板外表面與工裝固定，以工裝上的TB點建立全機坐標系，測量定位孔的坐標值，其中1號孔的位置度為0.473mm，2號孔的位置度0.300mm，如圖4所示。

將關鍵特征的實際測量基準和測量結果導入VSA軟件，仍然采用蒙特卡洛法，仿真次數5 000次，計算壁板外形。

3"測量驗證

壁板組件裝配完成后，將組件支撐牢固，保持裝配完成時的姿態不變，松開測量部位的約束，使用激光跟蹤儀在全機坐標系內測量壁板的外形，實際測量點的位置與模型中測量點位置對應。壁板外形實測值與預裝配模型計算結果對比如圖5所示。

從圖5中可以得出如下結論：

1）預裝配模型計算出來的波動區間在-0.234 mm～0.449mm之間，實際測量結果在-0.469mm～0.321mm之間，均在控制目標±0.7mm范圍內，說明控制目標與實際生產能力相符；

2）在31個測點中，實際測點有5個超出了實際模型計算出來的波動區間，分別是P7、P10、P17、P25、P27，對實際模型運行極值法仿真，這些點均在極值法計算結果范圍內，實測數據與極值法的波動存在一定的相關性。

另外，從圖5可以看出，在預裝配模型中，預裝配L的絕對值小于預裝配H的絕對值，說明計算結果為正偏差的概率大。對壁板實際測量的31個點進行統計分析，如表1所示。

如表1所示，71.00%的測量點為正向偏差，這是因為壁板組件以骨架外形為基準定位，裝配誤差“由內向外”累計所致，與計算結果一致，且83.87%的實際測量結果在預裝配的計算范圍內。另外，與預裝配模型極值法計算結果比較，所有的測量結果均在極值法的計算范圍內，說明：1）本次裝配過程沒有出現極限情況；2）在已知零件實測數據和裝配工藝的情況下，裝配結果可以預測。

4"結語

通過對機身壁板組件試驗件進行VSA仿真建模，給出了滿足控制目標要求的最優關鍵特征尺寸容差分配方案，然后基于關鍵特征實測數據建立預裝配模型，并在裝配完成后進行了測量驗證和分析，得出如下結論：

1）在新型號/新工藝驗證階段，基于實測數據的仿真驗證是必要的，一方面可以實現數據的閉環，另一方面也能用于驗證工程要求與制造能力的符合性，提升裝配效率和裝配準確度，避免批產過程中出現大量的超差；

2）基于實測數據的預裝配模型計算結果與測量數據一致，說明基于實測數據的VSA預裝配模型可以用于預測裝配結果，未來在虛擬裝配領域有一定的應用前景。

參考文獻：

［1］ 阮和根，陳沈融，朱紅萍，等. 基于VSA的冷鐓機關鍵零部件公差設計［J］. 機械設計與研究，2009，25（6）：69-71.

［2］ 林祖偉. 民機機身對接尺寸公差研究［J］. 機械制造，2019，57（9）：55-57，64.

［3］ 葛磊. 基于VSA的容差建模分析［J］. 科技視界，2018（25）：21-22，11.

［4］ 韋余鳳，鄭丞. 基于VSA的主起落架艙門與主起輪艙整流罩容差分析［J］. 中國科技信息，2019（19）：27-29.

［5］ 羅振偉，梅中義. 基于測量數據的飛機數字化預裝配技術［J］. 航空制造技術，2013，53（20）：99-102，108.

［6］ 張敏，田錫天，耿俊浩，等. 基于預裝配精度分析的飛機關鍵裝配工序質量控制技術［J］. 航空制造技術，2019，62（5）：51-56.

［7］ 唐健鈞，田錫天，耿俊浩，等. 基于多維矢量環的裝配偏差源敏感度分析［J］. 機械工程學報，2015，51（17）：156-161.

收稿日期：20220218