飞机装配容差设计技术分析

2019-04-04葛修路

科学与财富 2019年4期

关键词：误差

葛修路

摘要：容差设计理论的基础方法和技术来源于尺寸链理论。本文通过研究尺寸链的基本理论，分析飞机制造中的主要误差来源，使尺寸链得到修正。通过研究飞机制造系统中的尺寸误差（随机误差）分布特征，分析随机误差的理论基础。

关键词：飞机装配容差;尺寸链;误差

1.尺寸链

尺寸链理论不论在机械设计、制造、还是性能和质量分析中应用范围非常广，飞机制造系统中，尺寸链分析计算非常重要。尺寸链原理广泛运用于飞机装配过程中，是连接装配质量要求和零件制造误差的纽带。不仅是零件制造误差研究分析装配体的质量的保障，也能根据装配体的装配质量要求，修正各个零件相关尺寸的制造容差。

1.1 尺寸链的定义

尺寸链是指机器装配或零件加工过程中，互相联系的尺寸所形成的封闭尺寸组。飞机装配过程中，零件本身存在制造误差和夹具、型架产生变形误差，装配中形成装配误差累积，这些误差在装配过程中形成封闭环上，形成了封闭环组，如图1.1所示。

尺寸链中每个尺寸称为尺寸链的环，按其性质不同可分为封闭环和组成环，定义和性质如下：

（1）封闭环：装配过程中最后形成的环

通常用下标为0的字母表示，如图1.1中的A0。封闭环是其它尺寸间接形成的最终环，组成环的误差必然积累到封闭环上，因此封闭环的误差是所有组成环误差的总和。

（2）组成环：尺寸链中对封闭环有影响的都是组成环。通常用下标1，2，3…表示，如A1，A2，A3等。加工方法以及加工设备影响组成环误差的大小，但不受其它环的影响。组成环根据对封闭环的影响不同又分两种：①增环：某一组成环的变化引起封闭环同向变化，即当其它组成环不变时，该环增大封闭环也增大，该环减小封闭环也减小，则该环为增环，如图1.1中A5。②减环：某一组成环的变化引起封闭环的反向变化，即其它组成环不变时，该环增大封闭环减小，该环减小封闭环增大，则该环为减环如图2.1中A1～A9。

由此可得出尺寸链的两个基本特征：①封闭性：全部相关尺寸依次连接构成封闭的尺寸组——尺寸链的形式;②精度相关性：任一组成环的变动都直接导致封闭环的变动——尺寸链的实质。

1.2尺寸链分类

（1）根据应用的场合分类：

①装配尺寸链：全部组成环为不同零件的设计尺寸所形成的尺寸链;②零件尺寸链：全部组成环为同一零件的设计尺寸所形成的尺寸链;③工艺尺寸链：全部组成环为同一零件的工艺尺寸所形成的尺寸链。

（2）根据各环的空间位置尺寸链分类：

①直线尺寸链（一维尺寸链）：全部组成环都平行于封闭环的尺寸链;②平面尺寸链（二维尺寸链）：全部组成环位于一个或几个平行的平面内的尺寸链;③空间尺寸链（三维尺寸链）：组成环位于几个不平行的平面内，但某些组成环不平行于封闭环的尺寸链。

（3）根据尺寸链的不同计量单位分类：

①长度尺寸链：全部组成环为长度尺寸的尺寸链;②角度尺寸鏈：全部组成环为角度尺寸的尺寸链。在长度尺寸链中，组成环中有角度尺寸，但封闭环是长度尺寸;同样在角度尺寸链中，组成环有时存在长度尺寸，但封闭环是角度尺寸。

2.容差设计

零件的累积误差对产品性能的影响及经济地分配容差的方法叫做即容差设计。容差设计分为：容差分析和容差分配。容差分析与容差分配的关系如图2.2所示，设容差设计函数模型为y=f（x1，x2，xi，xn），其中n为设计变量的个数;12inx，x，x，x是相互独立的尺寸设计变量（即组成环尺寸）。

2.1容差分析

容差分析又称容差验证，是指已知装配零、部件的公差，在装配过程中，因装配件误差累积，在一定的技术条件要求下，分析与求解装配成功率或闭环尺寸公差的过程。计算结果如果达不到设计要求，需要调整各组成环的容差重新计算。在尺寸链理论的角度而言，容差分析是解决正计算问题，正计算是从误差来源开始分析，即已知各组成环的尺寸和容差，确定最终装配后封闭环的尺寸和容差，以达到审核图纸上标注的各组成环基本尺寸和上、下偏差，加工后满足总的功能要求，即验证设计的正确性。如果最终性能达不到要求，则需重新修改各组成环的容差，最后通过反复试算，达到满足性能要求。

2.2 容差分配

容差分配又称容差综合，是已知产品装配容差值，按一定的准则分配到各零件容差的过程。在尺寸链理论的角度而言，容差分配是反计算问题，反计算是通过对误差结果进行分析，即已知封闭环容差及各组成环的基本尺寸，在保证产品装配技术前提下，权衡产品设计精度和制造成本，在一定的优化模型下得到经济合理的各组成环尺寸的容差和极限偏差，以达到总的技术要求来确定各组成环的容差和上、下偏差。容差分配要解决两个问题：一个是根据不同方法，确定各组成环的容差iT;二是求出容差iT后，确定各组成环iA的极限偏差。即容差设计要确定容差带的大小的同时也要确定容差带的位置。

3.飞机制造系统中的误差来源

飞机制造系统的误差主要有以下几类：

（1）方法误差

方法误差是指和加工、装配或检测方法有关的误差。由于零件制造用不同的加工方法，因此能达到的准确度也不一样;装配时用不一样的定位方法，达到不一样的定位准确度;型架安装方法有拉线吊线法、安装标准样件法、型架装配机法和光学工具法等，每类安装方法根据不一样的具体应用，所达到的准确度不一样。这些由方法不一样而产生的误差，统称为方法误差。

（2）机床设备或工具、测量仪器的误差

由于机床设备或工具、测量仪器的准确度及尺寸、形位的稳定性有所限制，其构造上和技术上的缺陷而产生的误差。这两种误差相互关联，要降低或避免其对产品质量的影响，就要正确选择和掌握工艺方法、机床设备或工具、测量仪器。

（3）环境误差

是指与加工、装配或检测时周围客观环境条件（如温度、外力、振动等）有关的误差。

（4）对象误差

由于被加工、装配或检测工件的几何形状不正确，表面加工情况不良，内部存在应力等因素而引起的加工、装配或检测误差，叫做对象误差。控制对象误差的方法，主要是在加工、装配或检测前，预先将工件准备妥善，或在以后的过程中予以校正或补偿。

（5）人为误差

是指由操作者的技术知识和经验不足以及感觉器官能力有限等主观原因而产生的误差。如：加工或装配时操作不规范所产生的误差，用光学工具安装型架时观测者的视差等。在进行装配误差累积分析时，需要调查尺寸的形成和控制过程，以及在该过程中可能存在的以上各种误差。

结论

本文分析了尺寸链的基本理论和容差设计的基本内容。通过对飞机制造系统中误差来源的研究，修正了装配尺寸链，对系统误差中由温度产生的系统误差进行了分析。

参考文献

[1]李柱，徐振高，蒋向前.互换性与测量技术：几何产品技术规范与认证GPS[M].北京：高等教育出版社，2004.12.