基于关键特性的大型飞机数字化装配偏差建模及协调控制方法研究

The digital assembly technology has be turned out to be an important development direction of aircraft manufacturing, and China has made some progess in terms of aircraft digitized assembly applications technology and equipment development .But it is difficult to play digital assembly system utility effetively, because the researchment on the theries and technology of the assembly variation controlling is not enough. Therefore, this project researches on assembly variation modeling theory and coordination control method, and explores on coupling and multi-level transmission mechanism of multiple variation caused by factors in working places. Based on the key characteristics of aircraft, it builds a variation synthesis model about one working place and a variation transmission model about many working places. Furthermore, an optimal design method of assembly coordination scheme with a temperature compensation method of assembly objects is be reasearched, which are suitable for engineering practice. The quality control parameters are selected as constraints according to the key characteristics. It builds an evaluation model of the position and orientation of a single object and a coordination optimization model of the position and orientation of many objects. The research results will help reveal the generation and transmission mechanism of the assembly variation, achieve assembly variation control, and provide some guidelines for the improvement of the assembly accuracy in the manufacturing process of large aircraft.

数字化装配技术代表目前和未来飞机制造装配技术的发展方向，我国已在飞机数字化装配应用技术和装备研制等方面取得一定突破，但对于如何在数字化装配中有效控制装配偏差、保证装配对象间的协调准确度，尚缺乏相关理论和技术支持，难以真正有效发挥数字化装配系统的效用。本项目针对飞机数字化装配偏差建模理论及协调控制方法展开系统深入的研究，探索单站位装配多误差源耦合机理和多层次装配偏差演变及传递规律，建立基于关键特性的飞机数字化装配单站位偏差叠加模型和多站位偏差传递模型。研究各种结构形式装配对象的温度补偿方法，以对象位姿为变量，以关键特性质量控制指标为约束，建立单对象位姿评价模型和多对象位姿协调优化模型，提供一种适用于工程实际的装配偏差协调优化方法。研究成果将有助于揭示数字化装配偏差的产生机理和传递规律，实现装配偏差的有效协调控制，为我国大型飞机数字化装配准确度提高及装配容差优化设计提供理论指导和技术支撑。

大型飞机零部件数量繁多，且外形气动性能及准确度要求很高，如何保证大型飞机数字化装配的精度并对装配偏差进行有效的控制和补偿，是我国航空工业亟需解决的技术难题。本项目针对大型飞机数字化装配的偏差预测、协调控制及补偿工艺开展了系统深入的研究，根据逐级推进的装配工艺过程，通过确立零件-组件-部件多层级装配对象的位置和配合关键特性、装配基准及各约束的数学传递模型，构建基于关键特性的装配偏差控制评价体系；通过建立基于梁单元的飞机结构力学模型，引入定位、协调、连接和释放工艺中的制造误差、定位变形、连接变形和释放变形等误差，结合外载荷和边界约束条件，计算各阶段的结构变形，获得关键特性点偏差与关键控制点偏差间的关系，实现了对单站位装配变形和多站位间装配偏差传递的预测；通过对机载设备数字化安装及校准误差不确定度分析，建立了工装变形的预测和反馈补偿模型，保证了此类设备自身装配和相对整机位置的准确度；通过研究各种结构形式装配对象的温度补偿方法，以对象位姿六元组为变量，以关键特性质量控制指标为约束，建立引入温度补偿机制的单对象位姿评价模型和多对象位姿协调优化模型，实现了适用于工程应用的飞机部件数字化关键特性实际装配偏差的再分配。通过推导出由组件位姿微调所引起的间隙增量表达式，以装配对象位姿为变量，以装配间隙之和最小为目标，以预设间隙容差为约束，建立了组件装配中接合面多个区域间隙控制优化模型，提出基于飞机组件位姿协调的间隙控制方法，以SVD分解法和PHR优化算法对模型进行求解，所得最优化位姿用来指导组件协调定位，实现复合材料等机翼壁板装配间隙的主动分配；通过建立非均匀间隙装配的补偿有限元仿真模型，实现了在线间隙补偿工艺的参数优化设计。开发了基于机身大部件、机翼壁板组件、机载设备的数字化装配偏差预测、位姿协调优化控制及工艺补偿的软件系统，实现飞机装配偏差、外形关键特性协调准确度、补偿工艺方案的可视化表达。