包容零件制造误差的飞机柔性装配方法

技术领域

本发明属于航空制造工程/飞机装配领域，涉及一种包容零件制造误差的飞机柔性装配方法，适用于飞机零件制造精度满足设计指标但不满足装配定位要求情况下的装配工艺设计，保证零件定位精度。

背景技术

随着飞机的性能逐渐提升，整体化结构在飞机设计中逐渐增多，因此设计了一些复杂的，尤其是含有气动外形特征的零件，起到衔接不同整体化结构件的作用，如图2(a)至图2(c)所示。基于这类零件的多重功能，这类零件的突出特点是外形曲率变化大且不连续、装配区域以下陷为主。该类零件的加工或成型方法复杂，精度不稳定，由此带来的装配问题如下：

1)零件的外形曲率特点，导致结构上无法设计装配工艺孔，造成工装无法进行定位。

2)零件外形制造精度满足气动外形要求，但不满足工装定位特征的精度要求，无法利用外形进行定位。

3)零件的下陷特征较多，且下陷深度上留了1～2mm的设计补偿量，用于添加补偿垫片消除制造累积误差，如图2(a)的轴侧视图中E所示。但实际的补偿间隙数值不易测量，垫片的加工精度也很难保证，导致配做垫片周期长且精度不高，紧固件连接后产生装配应力，影响飞机装配质量。

传统的装配方法无法解决上述问题。因此，需设计一种包容零件制造误差的柔性装配方法，适用这种零件的结构特点，达到设计意图并发挥该类零件的功能，提高飞机装配工艺设计水平。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种包容零件制造误差的飞机柔性装配方法，包括包容零件制造误差的柔性装配流程、利用点特征实现产品定位、柔性装配工装设计、装配间隙模型封装和固液混合方式消除装配间隙。

本发明采用的技术方案为：

一种包容零件制造误差的飞机柔性装配方法，综合数字化测量、定位方向定义、逆向及3D打印，包含10个步骤，参见图1，所述柔性装配方法包括如下步骤：

步骤1，设计零件定位方案：根据零件的形状设计定位方案，定位方案中包括零件的定位特征及夹持方式，即零件的定位点及其矢量方向，用于设计柔性装配工装时，确定定位器的位置、其柔性调整方向和调整量，如图3所示。

步骤2，设计柔性装配工装：根据零件定位方案设计柔性装配工装，柔性装配工装的柔性体现在定位器在定位点矢量方向上的调整功能，根据零件定位点的实际空间位置调整定位器，避免定位器按理论模型位置安装后，零件的定位点因制造偏差太大，而无法顺利在柔性装配工装上定位，如图4(a)和图4(b)所示。

步骤3，零件外形扫描：零件制造后，进行零件的外形扫描，形成零件点云，同时生成与该零件有装配关系的另一个零件点云，点云用于后续的虚拟装配和封装建模，如图10所示。

步骤4，对零件点云与柔性装配工装进行虚拟装配：以零件的理论模型为参考，将零件点云进行最佳拟合，拟合后的点云姿态就是实际零件的最佳安装位姿。将拟合后的点云与柔性装配工装的理论模型进行虚拟装配，测量所有定位器顶端的球心与零件点云的3D距离，3D距离为正时，定位器与零件存在间隙，3D距离为负时，定位器与零件存在干涉，如图9所示，进而计算柔性装配工装中定位器的调整量。

步骤5，零件之间的装配间隙分析：将零件的点云和与之相装配的零件点云进行虚拟装配，对装配连接区，即零件下陷区域的间隙进行测量，根据测量的结果，将大于0.5mm的区域和小于0.5mm的区域分别进行整合，如图11所示。

步骤6，装配间隙封装建模：根据步骤5的分析结果，选取间隙大于0.5mm区域的点云，将其封装成一个闭合曲面，该闭合曲面就是补偿垫片的形状轮廓，得到补偿垫片模型，如图12和13所示。

步骤7，3D打印补偿垫片：按步骤6生成的补偿垫片模型，采用3D打印技术对补偿垫片进行加工。采用3D打印的原因是补偿垫片是变厚度的，无法钣金成型，厚度最薄处达到0.5mm，也无法通过机加实现。

步骤8，柔性装配工装调整：根据步骤4的分析结果及计算获得的各个定位器的调整方向和调整量，对定位器进行调整，用于实现零件在柔性装配工装上的精确定位，且该位置与步骤4虚拟装配后的姿态一致。

步骤9，利用柔性装配工装定位零件：将零件放置在柔性装配工装上，保证定位器与零件表面接触，然后利用压紧器将零件固定。

步骤10，采用固液混合方式消除装配间隙：将步骤7中3D打印后的补偿垫片安装在定位后零件的下陷区域，涂覆液体垫片，如图14和15所示，利用半固体的流动性填补细小的间隙，涂覆后用紧固件挤出多余的液体垫片，固化24小时，完成零件的协调装配。

进一步的，所述步骤1中，零件定位方案具体为：在零件理论模型的表面选取6个点作为定位点，6个点分为3组，第一组包括3个点，第二组包括另2个点，第三组包括剩余的1个点；每组中各点的矢量方向保持一致，各组间矢量方向互相垂直；第一组的3个点组成一个平面，用于控制零件的3个自由度，第二组的2个点组成一条线，用于控制零件的2个自由度，剩余的第三组的1个点控制1个自由度，这样零件的6个自由度全部被控制，且没有过约束。

传统的飞机零组件定位选用零件的面特征和孔特征，好处是特征精度可靠易实现，自由度限制的较多，面能够限制3个自由度，孔能限制4个自由度，且多个特征定位会产生过约束，即自由度限制上有重叠。传统的工装定位器也是按面特征和孔特征进行的设计，采用面、槽、孔、销的形式。然而，当零件的特征精度较低时，这类设计方式就无法实施，因为零件特征间的相对位置与工装定位器特征的相对位置不匹配，而且还存在过约束，零件就无法通过工装定位。因此本发明改变传统的定位方式，以零件的点特征代替孔特征和面特征，点特征的矢量方向进行统一协调，避免过约束造成的协调问题，如图3所示。

建立三维坐标系，零件理论模型上的6个定位点的坐标值即为设计柔性装配工装时，定位器的初始位置，各定位点的矢量方向即为定位器的可调整方向，由此设计柔性装配工装的理论模型。零件制造完成后，其制造误差将体现为这6个定位点的位置在其矢量方向上的位移，造成定位器与零件发生干涉或产生间隙。由于各定位点的位置变化仅仅是1个矢量方向上的位移，柔性装配工装很容易调整；如果定位的不是点，而是定位一个面，工装很难改变形状去调整。这就是本发明用点特征代替面、孔特征的优势。

进一步的，所述步骤2中，柔性装配工装包括定位板和固定连接在定位板上的6个定位器，定位器分为水平定位器2和垂直定位器1两类，水平定位器2的柔性调整方向与定位板方向平行，垂直定位器1的柔性调整方向与定位板方向垂直，各定位器的柔性调整方向与对应定位点的矢量方向平行，因此，两类定位器的数量及位置根据对应定位点的矢量方向及位置确定；定位器采用球状定位器，实现与零件的点接触，规避了零件的形状误差造成的定位器协调问题。

所述的垂直定位器1包括顶端呈球状的柱体，以及固定安装在定位板与柱体底端之间的多规格的垫片3，柱体长度根据对应定位点的高度确定，垫片3选用钢制材料，包括一系列不同厚度d的垫片3，其中厚度d的规格区间为4mm至6mm，厚度间隔0.05mm，初始厚度为5mm，根据具体的调整量需求更换垫片3，实现在垂直定位板方向上的调整，如图7所示。

所述的水平定位器2包括与定位板固定连接的定位柱和固定连接在定位柱顶端的多规格的定位单元4，定位柱的长度根据对应定位点的高度确定，定位单元4选用钢制材料，其结构为一块底板上布置了1个球头定位单元，且球头定位单元位于底板中心位置，底板上有两个固定间距的螺栓孔，两个螺纹孔的连线平行于底板的对称轴线，且两个螺栓孔对称设在球头定位单元两侧，两个螺栓孔连线与底板对称轴线间的距离为δ，多规格的定位单元4包括一系列不同距离δ的定位单元4，距离δ区间为0至1mm，距离间隔0.05mm，初始距离为0，根据具体的调整量需求选择合适的定位单元4安装，实现在平行于底板方向上的调整，同时，水平定位器2包括相互垂直的两种安装方向，用于实现在平行于底板的平面内相互垂直的方向上的调整，如图8所示。

进一步的，所述步骤4中，定位器的调整量和方向计算方法为：如图9所示，零件点云与柔性装配工装虚拟装配后，以定位器球心坐标创建6个特征点，以特征点代替定位器位置，测量所有特征点与零件点云的3D距离，测量距离的矢量方向为该定位器的调整方向，具体的，定位器的调整量＝定位器球头半径r-测量距离s，s大于r时，调整方向为靠近零件方向，s小于r时，调整方向为远离零件方向。

进一步的，所述步骤6中，装配间隙封装建模是利用零件虚拟装配后的点云数据，构建填充装配间隙的补偿垫片模型，如图12和13所示，包括如下步骤：

步骤6.1，将步骤5中虚拟装配后所测得大于0.5mm的区域进行整合并保留该区域的点云，删除其余所有的点云，该点云分为两部分，一部分是零件的下陷区点云，另一部分是另一个零件上与下陷区进行装配的装配区点云，此时该区域点云为未封闭状态。

步骤6.2，分别利用下陷区点云和装配区点云生成stl三角化网格，然后分别生成Nurbs曲线，再根据Nurbs曲线构成多个Nurbs曲面，再将下陷区和装配区的多个Nurbs曲面分别连接成1个Nurbs曲面，得到2个Nurbs曲面，再分别转换成两个Nurbs模型，如图12所示。

步骤6.3，在两个Nurbs模型之间插入一个长方体形状的模型，让两个Nurbs曲面与其相交，保留长方体在两个曲面之间的部分，长方体保留的部分是封闭的，即为装配间隙的封装模型，如图13所示。

进一步的，所述步骤10中采用固液混合的装配间隙消除方法，补偿垫片安装后可消除零件的下陷区域制造误差，但不能完全消除，原因是3D打印的补偿垫片本身存在误差，安装在零件下陷区后不能100％消除装配间隙。同时，装配间隙小于0.5mm的区域没有进行填充，常规的硬垫在该厚度区间强度过低，受剪切力后会被破坏。如该间隙不做处理，螺栓连接后会强迫零件在该处变形，产生较大的装配应力，影响产品的疲劳寿命。所述固液混合的装配间隙消除方法是在补偿垫片安装的情况下，在下陷区涂覆一层厚度约1mm的液体垫片，液体垫片为半固态的胶状材料，材料由树脂和玻璃纤维混合配置而成。多余的液体垫片通过装配的挤压力从下陷装配区排除，类似于挤压密封的工艺过程，如图13和14所示。具体的步骤如下：

步骤10.1，利用树脂和玻璃丝配置液体垫片，树脂和玻璃丝重量比为20:1，在室温下混合均匀；

步骤10.2，将液体垫片涂覆在定位后的零件下陷区，厚度1mm；

步骤10.3，将另一个零件与定位后的零件进行装配，通过螺栓的挤压力排除多余的液体垫片，并进行清理；

步骤10.4，固化24小时后，即完成了全部的垫片安装工作。

本发明的有益效果：本发明提供了一种包容零件制造误差的柔性装配方法，解决了复杂零件无法在工装上准确定位和设计补偿垫片手工配做困难的问题，缩短了装配周期长且大幅提高了装配精度，保证了飞机的装配质量。

附图说明

图1为柔性装配方法工艺流程图。

图2(a)为复杂零件外形轴测图，图中，E为下陷区。

图2(b)为图2(a)的A向视图。

图2(c)为图2(b)的D向视图。

图3为零件定位点示意图，其中，(a)为图2(b)的C向视图，(b)为图2(a)的A向视图，(c)为图2(a)的B向视图，图中，h、i、j点为第一组的定位点，k、m点为第二组的定位点，n点为第三组的定位点。

图4(a)为柔性装配工装结构示意图。

图4(b)为柔性装配工装装配示意图。

图5为定位器调整方向示意图。

图6为定位器球心示意图，其中，(a)为水平定位器，(b)为垂直定位器，图中，F代表定位器球心。

图7为多规格的垫片示意图。

图8为多规格的定位单元示意图。

图9为3D距离测量示意图，其中，(a)为水平定位器测量示意图，(b)为垂直定位器测量示意图。

图10为点云虚拟装配示意图，图中，H代表零件下陷区点云，I代表另一个零件装配区点云，J代表装配间隙。

图11为补偿垫片安装区域的确定示意图，图中，K代表间隙大于0.5mm的区域的点云。

图12为Nurbs曲面构建过程示意图。

图13为补偿垫片模型封装过程示意图，图中，L代表零件下陷曲面，M代表另一个零件的装配曲面，N代表长方体，O代表补偿垫片与另一个零件的装配型面，P代表补偿垫片与零件下陷区的装配型面。

图14为补偿垫片安装示意图，图中，Q代表补偿垫片。

图15为涂覆液体垫片示意图，图中，R代表液体垫片。

图中：1垂直定位器；2水平定位器；3垫片；4定位单元。

具体实施方式

下面将本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，所述实施例的示例在附图中示出。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员经改进或调整的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

一种包容零件制造误差的飞机柔性装配方法，流程参见图1，所述柔性装配方法包括如下步骤：

1)根据的零件的外形和装配需求设计零件定位方案；在零件理论模型的表面选取6个点作为定位点，6个点分为3组，第一组包括3个点(如图3a中h、i、j点)，第二组包括另2个点(如图3b中k、m点)，第三组包括剩余的1个点(如图3c中n点)；每组中各点的矢量方向保持一致，各组间矢量方向互相垂直；第一组的3个点组成一个平面，用于控制零件的3个自由度，第二组的2个点组成一条线，用于控制零件的2个自由度，剩余的第三组的1个点控制1个自由度，这样零件的6个自由度全部被控制，且没有过约束。

2)根据零件定位方案设计柔性装配工装；建立三维坐标系，零件理论模型上的6个定位点的坐标值即为设计柔性装配工装时，定位器的初始位置，各定位点的矢量方向即为定位器的可调整方向，由此设计柔性装配工装的理论模型。

柔性装配工装包括定位板和固定连接在定位板上的6个定位器，其中，定位器包括3个水平定位器2和3个垂直定位器1，如图4(a)，定位安装后如图4(b)所示。

所述的垂直定位器1包括顶端呈球状的柱体，以及固定安装在定位板与柱体底端之间的多规格的垫片3，柱体长度根据对应定位点的高度确定，垫片3选用钢制材料，规格为20*8.5*d(mm)，d为垫片3厚度，包括一系列不同厚度d的垫片3，其中厚度d的规格区间为4mm至6mm，厚度间隔0.05mm，初始厚度为5mm，根据具体的调整量需求更换垫片3，如图7所示，实现在垂直定位板方向上的调整，如图5所示。

所述的水平定位器2包括与定位板固定连接的定位柱和固定连接在定位柱顶端的多规格的定位单元4，定位柱的长度根据对应定位点的高度确定，定位单元4选用钢制材料，其结构为一块底板上布置了1个球头定位单元，且球头定位单元位于底板中心位置，底板上有两个固定间距为325mm的螺栓孔，孔径4mm厚9mm，两个螺纹孔的连线平行于底板的对称轴线，且两个螺栓孔对称设在球头定位单元两侧，两个螺栓孔连线与底板对称轴线间的距离为δ，多规格的定位单元4包括一系列不同距离δ的定位单元4，距离δ区间为0至1mm，距离间隔0.05mm，初始距离为0，如图8所示，根据具体的调整量需求选择合适的定位单元4安装，实现在平行于底板方向上的调整，如图5所示，同时，水平定位器2包括相互垂直的两种安装方向，用于实现在平行于底板的平面内相互垂直的方向上的调整。

3)柔性工装制造和安装，并将6个定位器球心(如图6中F)初始值进行记录，用于后续的调整量计算，如图6所示。

4)对待安装零件进行制造。

5)架设数字化扫描设备，对待安装零件的外形进行扫描，保证扫描精度在±0.1mm范围内，形成待定位零件的点云。

6)采用上述方法，测量与待安装零件有装配关系的另一个装配零件，也要生成零件的点云。

7)零件点云与装配工装进行虚拟装配，以零件的理论模型为参考，将零件点云进行最佳拟合，如图9所示。将拟合后的点云与柔性装配工装的理论模型进行虚拟装配，并导入步骤3)所记录的数值，创建6个特征点，以该点代替定位器位置，测量所有定位器与零件点云的3D距离，测量距离的矢量方向为该定位器的可调整方向，假设测量的距离为s，定位器球半径为4mm，定位器的调整量为4-s，s大于4时，调整方向为靠近零件方向，s小于4时，调整方向为远离零件方向。

8)对零件之间的装配间隙分析，将待安装零件的点云和与装配零件点云进行虚拟装配，如图10所示。对装配连接区的间隙(图10中J所示)进行测量，其中，装配连接区包括待安装零件下陷区(图10中H区域)，装配零件装配区(图10中I区域)，根据测量的结果，将大于0.5mm的区域和小于0.5mm的区域分别进行整合，如图11所示。

9)根据步骤8的分析结果对下陷区域的装配间隙封装建模，如图12和13所示。选取间隙大于0.5mm区域的点云(如图11中K所示)，将其封装成一个闭合曲面，该闭合曲面就是补偿垫片的形状轮廓。点云目前分为两部分，一部分是待定位零件的下陷点云，另一部分是另一个零件上与下陷进行装配的那部分点云。目前的点云还是未封闭状态。现在分别利用这两部分点云生成stl三角化网格，然后分别生成Nurbs曲线，再根据Nurbs曲线构成多个Nurbs曲面，再将多个Nurbs曲面分别连接成1个Nurbs曲面。这样就将两部分点云变成了2个Nurbs曲面(如图13中L为待安装零件下陷曲面，M为装配零件的装配曲面)，再将Nurbs曲面分别转换成两个Nurbs模型，模型格式为igs，如图12所示。此时拥有两个曲面的igs文件仍然不是封装状态，现在将igs文件导入CATIA软件，在两个曲面之间插入一个长方体形状的模型(如图13中N)，让两个曲面与其相交，用两个曲面去切这个长方体，保留长方体两个曲面之间的部分，这时长方体剩余的部分是封闭的，该部分就是装配间隙的封装模型(如图13中，O为补偿垫片与装配零件的装配型面，P代表补偿垫片与待安装零件下陷区的装配型面)，将该模型的格式转换成stl，就可在3D打印设备上进行加工成型。

10)3D打印补偿垫片：按步骤9生成的装配间隙的封装模型，采用3D打印技术对补偿垫片进行加工。

9)根据步骤7)对柔性装配工装的定位器进行调整，先将垂直定位器1上5mm的垫片3拆卸下来，需要减少距离时换上5+4-s的垫片3，需要增大距离时换上5-(4+s)的垫片3；再将水平定位器2上底板螺栓孔连线距底板对称轴线距离为0的定位单元4拆掉，需要增大距离时换上4-s规格的定位单元4，需要减少距离时换上-(4-s)规格的定位单元4。

12)将待安装零件放置在柔性装配工装上，保证各个定位器与待安装零件表面接触，然后利用压紧器将待安装零件固定。

13)将打印后的补偿垫片安装在待安装零件的下陷区域，如图14中Q所示。并在整个下陷区域涂覆约1mm厚的液体垫片，如图15中R所示。利用紧固件将零件与另一零件进行装配，同时通过螺栓的挤压力挤压出多余的液体垫片，并进行清理。其中，液体垫片利用树脂和玻璃丝配置，树脂和玻璃丝重量比为20:1，并混合均匀。

14)清理掉多余的液体垫片，24小时后，液体垫片完全固化，完成所有紧固件的安装。

本实施例说明只是示例性的，而不是全部的实施例，本领域普通技术人员经改进或调整的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。