飞机装配中的数字化仿真测量方法

王素晓，王　筱，田　帅，史伟会

（1.上海飞机设计研究院，上海201210；2.上海飞机制造有限公司，上海200436）

飞机装配中的数字化仿真测量方法

王素晓1，王筱2，田帅2，史伟会2

（1.上海飞机设计研究院，上海201210；2.上海飞机制造有限公司，上海200436）

阐述了面向飞机装配过程的数字化仿真测量相对于常规测量方法具备的特点及优势，以西门子VSA软件为平台，介绍了同轴度、装配面轴线、匹配/装配程度的常规与仿真测量的测量原理及方法，在飞机装配中具有一定的推广价值。

仿真测量；飞机装配；同轴度；装配面轴线；匹配/装配程度

利用数字化测量技术和方法进行装配过程控制是飞机数字化制造的重要环节，是实现飞机制造全数字量传递的重要保证之一［1］。目前，随着飞机研制不断向数字化进程迈进，数字化测量技术在零部件的数控加工、精准成形和飞机快速自动化装配等方面的需求越来越迫切［2］。国外先进的飞机制造公司已经开始大规模将数字化测量引入飞机装配中，而国内数字化测量技术仍然处于零星的研究和应用状态［3］。本文以西门子的VSA仿真软件为平台，通过分析飞机装配中同轴度、装配面轴线、匹配/装配程度的常规与仿真测量原理与方法，探讨了数字化仿真测量在国内的应用发展动向，为飞机装配质量提高和装配精度提升提供技术支持。

1　同轴度测量

飞机装配中升降舵、副翼、平尾等多处结构的交点孔都有同轴度控制要求。传统的用V型支架、钢球加杠杆百分表或偏摆仪、圆度仪等同轴度测量，难以实现飞机装配中的架上测量［4］。目前多采用激光跟踪仪（或三坐标测量仪）测交点位置，然后再分析计算交点同轴度。

1.1常规测量方法

对于基准圆柱与被测圆柱的同轴度的分析与计算，在飞机装配中通常采用求距法和包络法。

求距法是将被测要素（各交点孔孔心）投影到一个垂直于基准轴的平面上，计算出被测元素和基准元素轴线间的最大距离，同轴度为最大距离的两倍。

包络法是用激光跟踪仪（或三坐标测量仪）测量一系列被测元素的圆心位置，用圆柱面将所有被测元素圆心包围，形成圆柱体，圆柱的最小直径即为同轴度。

1.2基于VSA仿真测量

商用容差分析软件VSA基于零件的三维模型，提取特征、定义公差，运用蒙特卡洛方法模拟零组件装配偏差。根据同轴度的定义与实际测量，基于VSA平台，在数字化仿真中模拟同轴度的测量方法，主要介绍两种仿真测量方法。

（1）测量以理论轴线为基准

将零部件交点孔的理论轴线作为基准，测量装配操作完成后各交点孔孔心相对于基准的位置偏差，最大的位置偏差的两倍即为所求的同轴度。

在仿真软件中建立虚拟不动的Fixture，取交点孔的理论轴线为基准轴线并放在Fixture中，仿真装配完成后，用测量操作“点到线”测交点孔孔心与基准轴线的位置偏差，用测量操作“Max”计算最大的位置偏差，最大位置偏差的两倍作为输出结果即交点孔同轴度。同时，仿真输出结果中，各交点孔孔心位置偏差的Cpk（工艺能力指数）值也可作为辅助参考数值。

（2）测量以拟合轴线为基准

拟合零部件交点孔的实际装配轴线作为基准，测量各交点孔孔心相对于基准的位置偏差，最大的位置偏差的两倍为所求的同轴度。

在仿真软件中拟合零部件交点孔孔心轴线作为基准轴线（该基准随装配误差产生位置波动），用测量操作“点到线”测交点孔孔心与基准轴线的位置偏差，用测量操作“Max”计算最大的位置偏差，最大位置偏差的两倍即交点孔同轴度。

以上两种仿真测量方法，第一种方法模拟实际工程常采用的测量，测量方法简单，得出的是相对于绝对位置的同轴度；第二种方法是从同轴度定义出发的相对位置偏差的同轴度测量，测量方法更接近理论却计算繁琐。

2　装配面轴线测量

飞机装配中存在大量如长桁、框、滑轨、梁等重要装配面的轴线位置度及相互偏差控制要求，对于飞机上的这些大尺寸工件，使用激光跟踪仪检测有着无可比拟的专业技术优势［5］。

2.1常规测量方法

装配面的轴线位置度测量，是在测量目标的轴线面上选取测量点，与理论位置比对。如图1（a）所示，常规测量中常用激光跟踪仪测量目标的轴线面，得到测量点的X、Y、Z向坐标值，计算测量点到理论轴线面的投影距离。

装配面轴线相互偏差的测量，是在完成测量目标轴线位置度的测量基础上进行的。即先求出测量目标轴线面上测量点到各自的理论位置的偏差（设偏差为△A、△B），然后再取偏差值代数差的绝对值（即|△A-△B|），该绝对值即为测量目标轴线相互偏差，如图1（b）所示。

图1　轴线位置度及相互偏差测量示意图

2.2基于VSA仿真测量

软件的仿真应尽量与实际测量相符合，并选取与实际测量相对应的测量点。

2.2.1轴线位置度

装配面轴线位置度的仿真测量，是测量装配之后轴线面上的点相对于理论轴线面的位置偏差。由于测量目标的理论轴线面既有平面，又有曲面，分两种情况介绍仿真测量方法。

（1）轴线面为平面

在VSA软件中建立一个虚拟不动的Fixture，取测量目标的轴线面（框、龙骨梁、滑轨、客舱地板纵梁、吊挂滑轨、等直段的机身长桁等）为理论轴线面并放在Fixture中，装配仿真完成后，用测量操作“点到平面”测轴线面上的点相对于理论轴线面的位置偏差。其中，“点”选择装配后的测量目标轴线面上的点，“面”选择放在Fixture中的面。

（2）轴线面为曲面

若测量目标的轴线面为曲面，则采用不同的仿真测量方法：在VSA软件中，建立一个虚拟不动的Fixture，将测量目标轴线面上的点（point1）放在Fixture中并标记为point2，装配仿真完成后，用测量操作“缝隙/齐平”测point1与point2的距离，方向矢量选“静态”、特征1选“point2”，表示该点投影到理论位置的距离，即沿法线方向的位置偏差，如图2（a）所示。

2.2.2轴线相互偏差

根据轴线相互偏差的实际测量方法，轴线相互偏差的仿真测量，要在轴线位置度仿真测量完成的基础上进行。

在VSA软件中，首先用2.2.1节介绍的方法仿真得到轴线位置度测量结果Measurement1、Measurement2，然后添加“定制测量”，测量类型选择“Legacy-Diff”，得到轴线相互偏差的仿真测量结果，如图2（b）所示。

图2　轴线位置度与轴线相互偏差的仿真测量方法

3　匹配/装配程度测量

在飞机装配中，存在以下装配孔的匹配/装配程度控制要求：

飞机装配目标1和目标2分别按各自的装配孔进行定位装配，如图3（a）所示。由于两个装配目标是多个装配孔同时装配，需要测量每个装配目标的各装配孔的装配程度，判断是否能保证两个目标的所有装配孔都能装配。

飞机某部段对接，要保证各自16个对接孔能够同时装配，如图3（b）所示。因此需要通过测量，判断所有对接孔是否都能满足装配关系。

图3　装配孔的匹配/装配程度控制模型

吊挂与机翼接头组件装配，由于机翼接头组件的交点孔都是双耳交点孔，在装配中又有非常高的装配精度要求，因此需要测量每个交点孔与机翼接头组件交点孔的匹配程度，以判断装配精度。

3.1测量原理

装配孔的匹配/装配程度可以用叠加法测量，其原理如图4（a）所示，两个位置不同的半径分别为R1、R2的圆叠加后重叠区域能满足的最大圆直径2r.

吊挂与机翼接头组件交点孔匹配程度，测量的是吊挂交点与双耳交点孔的匹配程度，实际装配时产生装配关系的是三个交点孔，如图4（b）所示。

图4　测量原理

3.2基于VSA仿真测量

仿真模拟中，添加一个定制测量。选择测量操作“Measurement”，“Legacy”，“Virtual Diameter”并在“Feature”中选中所要测量的若干装配孔特征。“Feature”共有20个可供选择测量对象，能满足交点孔的装配需求数。

4　结束语

数字化测量在飞机装配中的作用越来越重要，数字化仿真测量能克服以下常规测量无法回避的问题［6］：

（1）飞机装配过程中，通常需要建立一个具有多台不同测量设备的大尺寸空间组合集成测试系统，各仪器设备之间坐标系的统一和转换通过“转站”测量实现，多次的转站和坐标转换都不可避免地引入转站误差。

（2）测量环境条件（温度、湿度、振动等）对于测量设备的正常工作和高质量测量结果的获取有不可忽视的影响。

（3）飞机被测部件尺寸大、结构复杂、特征类型多且关键特性多处于隐藏部位，无法采用某单一测量设备在某单一坐标系下完成所有部位的测量。

除此之外，仿真测量还可以测量虚拟/理论面、线等功能，而这些理论线、面在常规测量难以找到。同时，仿真测量可以测量各类形状任意、空间复杂的控制目标。数字化仿真测量的引入将会大幅度提升现代飞机装配的质量和效率，从而增强我国航空制造业的核心竞争能力。

［1］邹爱丽，王亮，李东升，等.数字化测量技术及系统在飞机装配中的应用［J］.航空制造技术，2011，21（18）:72-75.

［2］郭洪杰.浅谈数字化测量技术在飞机装配中的应用［J］.航空制造技术，2011，21（9）:26-29.

［3］李泷杲，黄翔，方伟，等.飞机装配中的数字化测量系统［J］.航空制造技术，2010，23（4）:46-48.

［4］张福军，张庭军.基于三坐标测量机的同轴度测量［J］.机械制造与研究，2009，38（5）：64-65.

［5］张引引，刘庆润，贾敏，等.钣金件数字化测量方案［J］.航空制造技术，2011，17（22）:96-98.

［6］冯子明.飞机数字化装配技术［M］.北京：航空工业出版社，2015:195-201.

Method of DigitalSimulation Measurement for Aircraft Assembly

WANG Su-xiao1，WANG Xiao2，TIAN Shuai2，SHIWei-hui2
（1.Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China；2.Shanghai Aircraft Manufacturing Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China）

The characteristics and advantages of digitalmeasurement simulation for aircraft assembly based on VSA is proposed.Compared with measurement analysis of coaxially，axial-errors，and matching or assembling degree，the principle and method of normalmeasurement and simulation measurement is introduced.The analysis results show that the simulation measurement has an excellent results and advantages，and it can be expanded for aircraft assembly.

simulation measurement；aircraft assembly；coaxially；axial-errors；matching or assembling degree

V262.44

A

1672-545X（2016）05-0089-04

2016-02-03

王素晓（1983-），女，河南郑州市人，硕士研究生，工程师，研究方向：容差分析、装配仿真、结构偏离的生产问题处置。