基于Teamcenter VSA 的导引头安装精度分析

王聪伟，卞亚东，张 晶，宋 磊，许俊伟

（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引 言

导引头相对于惯组的安装精度是末制导设计中的重要精度指标，对于末制导精度具有重要影响，因此往往提出较高精度要求[1～3]。该安装精度取决于尺寸链中相关结构自身几何偏差和配合面精度。

某飞行器提出导引头相对于惯组在俯仰方向和偏航方向的精度不超过±20′，其部分结构布局如图1 所示。

图1 结构布局Fig.1 Structure Layout

导引头与仪器舱通过斜螺钉连接，仪器舱与弹体通过径向螺钉连接，惯组通过惯组梁安装于弹体侧壁。相比于常规导弹布局，该结构布局具有以下特点：

a）中间传递环节多，累积偏差大；

b）插接结构较多，引起的弹轴偏斜较大。

由于以上因素影响，经过尺寸链计算，导引头相对于惯组的安装精度较低，难以满足设计要求，需对尺寸精度设计进行优化。本文利用Teamcenter VSA 三维尺寸链分析，以概率方法计算上述安装精度，同时进行各组成环影响度分析，进而对精度设计进行优化[4,5]。

1 三维尺寸链分析模型建立

与本文尺寸链分析相关结构包括导引头、仪器舱、弹体、惯组梁和惯组。封闭环为导引头相对于惯组的安装精度；组成环包括导引头与仪器舱的配合间隙、仪器舱前后端框同轴度、仪器舱与弹体的配合间隙、弹体轴线相对于其前端框偏斜角度、惯组梁安装精度和惯组安装精度。具体设计精度如表1 所示。

在Teamcenter 中建立分析模型，如图2 所示。根据尺寸链计算需要，建立特征、公差及装配关系，如表2、表3 所示。以导引头天线前端面为基准，建立了惯组与基准面间的俯仰和偏航角度测量，如图3 所示。

表1 尺寸设计精度Tab.1 Dimension Precision

表2 尺寸链分析模型特征及公差建立Tab.2 Features and Tolerances of Dimension Chain Analysis Model

表3 装配关系建立Tab.3 Establishing Assembly Relationships

图2 三维尺寸链分析模型Fig.2 3D Dimension Chain Analysis Model

图3 建立角度测量Fig.3 Establishing Angle Measurement

2 计算结果分析

2.1 仿真模型设置

Teamcenter VSA 通过蒙特卡罗方法仿真模拟了零件加工和装配过程中的概率分布，即对所有尺寸和装配关系进行随机组合，用来预测封闭环的尺寸分布；通过HLM（High-Low-Median）仿真分析各尺寸和装配关系对目标尺寸的影响程度。具体仿真参数设置如表4 所示。尺寸链中各环节均按正态分布进行设置，考虑该产品为首次生产装配，合格率设置为99.73%（±3σ）[6,7]。

表4 Teamcenter VSA 仿真设置Tab.4 Simulation Setup of Teamcenter VSA

尺寸链仿真结果中主要包含以下重点内容[8]：

a）尺寸分布的中间值（μ）；

b）设计下偏差（Lower Spec Limit，LSL）和设计上偏差（Upper Spec Limit，USL）；

c）产品合格水平（Cp），Cp<1 说明合格率低于99.73%，但追求过高Cp会降低经济性。

2.2 相对安装精度分析

2.2.1 俯仰方向精度分析

俯仰方向安装精度仿真结果如图4 所示，重点仿真数据如表5 所示。由图4、表5 可知，该结果呈正态分布，左右极值均为31.6′（±3σ），不能满足±20′的设计要求，不合格率达到6%。

表5 俯仰方向仿真数据Tab.5 Simulation Data of Pitch

图4 俯仰方向安装精度仿真结果Fig.4 Simulation Result of Pitch

俯仰方向安装精度各环节影响度分析如表6 所示。

表6 俯仰方向安装精度影响度分析Tab.6 Effects of Installation Precision in the Pitch Direction

由表6 可知，前两个环节对俯仰方向安装精度的贡献共达到94.62%，属于主要影响因素，应在保证工艺性的基础上，严格控制其公差；后两个环节总占比仅5.38%，可以适当放松公差要求，降低生产成本和周期。

2.2.2 偏航方向精度分析

偏航方向精度仿真结果如图5 所示，重点仿真数据如表7 所示。由图5、表7 可知，该结果呈正态分布，左右极值均为31′（±3σ），不能满足±20′的设计要求，不合格率为5.52%。

图5 偏航方向安装精度仿真结果Fig.5 Simulation Result of Yaw

表7 偏航方向仿真数据Tab.7 Simulation Data of Yaw

偏航方向安装精度各环节影响度分析如表8 所示。

表8 偏航方向安装精度影响度分析Tab.8 Effects of Installation Precision in the Yaw Direction

由表8 可见，与俯仰方向安装精度分析类似，前两个环节对偏航方向安装精度的贡献共达到95.66%，属于主要影响因素，应在保证工艺性的基础上，严格控制其公差；后两个环节总占比仅4.33%，可以适当放松公差要求，降低生产成本和周期。

3 设计精度优化

由2.2 节仿真结果和影响因素分析可知，目前的设计精度尚不能满足安装精度要求，且尺寸链各环节影响程度差异较大。因此，在保证惯组安装精度的前提下，本节对原尺寸精度进行了优化，见表9。

表9 改进后设计精度Tab.9 Dimension Precision after Improvement

优化后导引头相对于惯组的安装精度仿真结果如图6、图7、表10～13 所示。

图6 俯仰方向安装精度仿真结果Fig.6 Simulation Result of Pitch

图7 偏航方向安装精度仿真结果Fig.7 Simulation Result of Yaw

表10 俯仰方向仿真数据Tab.10 Simulation Data of Pitch

表11 俯仰方向安装精度影响度分析Tab.11 Effects of Installation Precision in the Pitch Direction

表12 偏航方向仿真数据Tab.12 Simulation Data of Yaw

表13 偏航方向安装精度影响度分析Tab.13 Effects of Installation Precision in the Yaw Direction

分析结果表明：俯仰和偏航方向安装偏差均有所减小，尺寸链各环节影响程度更加均匀，尺寸精度分配更加合理。

4 结束语

本文利用Teamcenter VSA 三维尺寸链分析软件对某飞行器结构之间的相对安装精度进行了分析，并实现设计精度的优化分配，有效提高了相对安装精度和工艺性。该三维尺寸链分析方法能够实现概率分布下精度分析、各组成环节敏感度分析和精度优化设计，可在复杂结构和机构尺寸链分析中得到广泛应用。