機體骨架裝配精準補償技術研究

黃寧 于思陽 劉哲 白繼鵬 叢宇佳

摘要：本文通過搭建飛機結構件裝配的尺寸鏈模型，分析了消除累積誤差的各種方式，并設計了一種適合于強骨架弱蒙皮的機身骨架裝配精準補償方法，通過試驗件驗證該方法的可行性，進一步總結了實施該技術的關鍵技術要點。

關鍵詞：飛機裝配;補償;測量

1 基于骨架的裝配技術

飛機機體主要由外蒙皮、結構件和系統件組成。針對結構來說，設計基準是結構件設計的關鍵依據，一般是空間位置上的點、線，面，不實際顯現于結構件上;裝配基準是結構件上確定相互位置的裝配特征，是實際存在于結構件上的孔和面;定位基準是確定結構件在工裝上位置的特征，同樣是存在于結構件上的孔和面。加工基準是結構件上用于機床確定零件位置的特征，特征可能是結構件的孔和面，也可能是零件外的工藝特征。結構件在選擇定位基準和裝配基準時應遵循以下四個原則：

1）定位基準盡可能與設計基準統一的原則

2）定位基準與零件加工基準統一的原則

3）裝配基準與定位基準重合的原則

4）基準不變的原則

結構件在裝配中又稱機體骨架，在以骨架為基準的裝配模式下，骨架的緣條是蒙皮的裝配基準，而筋條和腹板面是系統件的裝配基準，因此結構件在骨架工裝的定位精度直接決定了產品的裝配質量。

2 發展現狀

隨著新一代飛機設計指標的逐步提高，對飛機制造技術水平也提出了更高的要求。設計指標的提高主要體現機體結構一體化，鈑金零件減少，大型的數控零件增多，設計分離面上的裝配特征多且結合面面積大，由于誤差積累，機體骨架按照工藝或裝配特征定位存在如下問題：

1）結構件相互連接位置的緣條處存在階差，需要修整過渡處理，延長裝配周期。

2）采用工藝特征作為定位基準放大了裝配特征的零件制造誤差，造成裝配基準偏差過大。

3）蒙皮與骨架結合面存在協調誤差，間隙需要進行填充補償，增加裝配難度和時間。

4）采用設計和工藝補償的方式消除制造裝配誤差會造成飛機維護成本增加，無法實現協調互換。

新一代飛機對外形，尤其是蒙皮的對縫和階差要求苛刻。按照以骨架為基準的裝配方式，誤差從內向外積累，很難滿足新的飛機氣動外形質量要求。以機身的機體結構為例，強骨架，弱蒙皮的結構誤差積累因素主要包括骨架緣條外形誤差、蒙皮外形誤差和蒙皮厚度誤差。飛機強骨架、弱蒙皮的設計形式決定了必須是以骨架為基準的裝配方式。以骨架為基準的裝配方法，其誤差積累是“由內向外”的，最后積累的誤差會反映在壁板外形上[1]，易造成飛機外形超差，飛機氣動外形的超差問題成為近些年飛機設計制造技術人員面臨的重大難題。

3 精準補償技術研究

3.1 補償可行性分析

通過研究飛機外形的尺寸傳遞環節主要有6個，每個傳遞環節的誤差分別為骨架制造誤差、定位基準誤差、工裝定位誤差、蒙皮厚度誤差及蒙皮外形誤差，用符號Δ1、Δ2、Δ3、Δ4、Δ5和Δ6代表，協調尺寸鏈有6個獨立的組成環節，環節過多造成誤差積累大，逐個控制制造誤差會造成生產成本提高，制造周期增加，依照裝配精加工的補償理念，需要在誤差積累的過程中增加一個獨立的環節，消除前面環節的累積誤差，實現提高外形裝配精度的目的。

此補償環節可設置在蒙皮裝配后效果最好，但受到蒙皮材料的限制，只能采用增料的方式補償，補償手段為手工鋪疊玻璃布后手工打磨，但對蒙皮正向誤差無法處理。因此選擇將補償環節設置在骨架裝配后，補償面設計在蒙皮和骨架之間，且可補償骨架正向和負向偏差，這種方式通常稱為間隙補償。間隙補償工藝是利用各種形態的墊片填充間隙，使得接合面的上表面和下表面通過墊片實現間接接觸，從而保證連接強度[2]。補償材料的精加工方式可以選擇數控加工，補償材料通常要固定在機體上，如固定在蒙皮上再進行精加工，將補償材料固定在骨架上，骨架剛性好，無需特制工裝，骨架的補償層加工完全可按理論數模進行，因為蒙皮剛性弱，因此蒙皮的外形偏差（Δ6）在裝配后可忽略不記，最終飛機外形的誤差僅為Δa（機加誤差）+Δ5，結果小于ΣΔi（i=1～6）。

3.2 試驗驗證

對試驗件采用骨架填充補償材料后精加工的實際效果進行驗證。試驗件為盒段結構，強骨架、弱蒙皮，在蒙皮和骨架間設計了1mm的間隙，用于填充補償材料。本次試驗的補償材料為液態墊片，活性期內涂覆在骨架外表面，待固化后再利用測量輔助裝配技術對裝配質量進行在線測量。測量輔助裝配技術包括了計算機輔助光學測量技術、“Best Fit”優化算法及特定的軟件圖形用戶接口，是數字化裝配過程中不可缺少的重要環節[3]。最后進行補償面的數控精加工，驗證的關鍵步驟如下：

1）骨架裝配后測量：將骨架零件在裝配工裝上定位和連接，采用數字化測量設備對骨架的上表面進行掃描，獲取骨架外形偏差量。

2）液態墊片涂覆后的測量：液態墊片的使用分兩種，分別為縫內密封和數控加工，縫內密封后，拆開上壁板，對縫內密封材料的外形進行數字化測量。精加工方式是在涂覆完液態墊片后，在不擠壓的情況下固化，然后對涂覆部位進行數字化掃描，同時測量骨架數控加工的建系基準，分析涂覆范圍和厚度能夠滿足加工余量要求。

3）骨架補償層的精加工：首先確定試驗件骨架的加工原點，保證加工型面與周邊結構的相對位置準確，加工后再對加工表面進行數字化測量，與理論數模對比，獲得加工質量。

3.3 結果分析

將試驗數據進行對比，獲得三種制造方式骨架的制造精度的優劣。從質量分布圖中可以發現，機加后的骨架可以獲得較一致的外形質量，無補償的骨架裝配受尺寸鏈過長的影響，誤差積累較大，縫內密封受液態墊片流動性能的影響，質量最不穩定。通過結果分析，采用涂覆液態墊片后精加工的方式對機身骨架的裝配精度有明顯的提升作用。

4 結論

新一代飛機的設計要求在不斷提高，裝配設計的策劃應從設計制造全過程考慮，綜合運用數字化及自動化手段，多專業協調，不斷提高飛機裝配技術水平。本文通過搭建飛機結構件裝配的尺寸鏈模型，分析了消除累積誤差的最佳方式，設計了一種適合于強骨架弱蒙皮的機身骨架裝配精準補償方法，通過試驗件的驗證，確定該方法的可行性，進一步總結了實施該技術的關鍵技術要點，是飛機精準裝配技術上的一次全新探索。

參考文獻：

[1]黃春，機翼翼盒裝配間隙精密補償研，2013，10.

[2]蔡躍波，飛機復合材料結構裝配間隙補償研究進展，2019.8

[3]鄒冀華，飛機數字化輔助裝配測量技術及應用，2009，12.