基于数字量协调技术的航天产品工艺容差应用研究

王学刚 李 扬 郝 丁 张 恒 刘海燕 易 帆 许 猛 李秀春 吕华英



基于数字量协调技术的航天产品工艺容差应用研究

王学刚 李 扬 郝 丁 张 恒 刘海燕 易 帆 许 猛 李秀春 吕华英

（首都航天机械公司，北京 100076）

针对航天产品协调特点，分析数字量协调技术在航天产品制造中的应用难点，采用极限法分析数字量协调与模拟量协调并存情况下多种协调方式的多项环节误差，提出了协调孔及测量销工艺容差分配方法，并开展了相关工艺试验，为数字量协调技术在航天产品中的应用提供参考。

数字量协调；模拟量协调；工艺容差

1 引言

航天产品结构件具有形状复杂、定位精度高、协调关系多且协调度要求高等特点，由于加工设备、制造工艺等方面的差异，目前航天产品结构件主要通过模拟量协调的方式保证产品协调关系满足总体协调要求。随着CAD和CAM技术的迅速发展，以及产品数字化定义的广泛应用，为在航天产品制造中大力推广数字量协调技术创造了条件。

数字量协调技术指以产品的几何形状尺寸的数字量信息直接进行传递并采用数字化设备制造工装和零/组/部件，从而保证产品的协调性。相较于传统的模拟量协调技术，数字量协调技术具有传递环节少、累计误差小和协调度高等特点[1]。

2 航天产品协调特点

航天产品结构件从规则外形向非规则外形方向发展，相较于汽车、飞机等常见产品，航天产品在外形、尺寸、协调精度等方面均存在显著差异[2]。典型航天产品如图1所示。

图1 典型航天产品示意图

航天产品部段对接一般采用以定位销定位为基准的多组孔对接结构形式，为保证部段的装配精度和协调性，必须保证各部段对接协调孔的制孔精度。在现有设备、工艺、管理等生产条件下，批产航天产品部段对接协调均采用标准工装协调的方法实现，即通过实体钻模的模拟量形式传递对接协调孔的位置尺寸，从而保证对接协调孔的位置一致性，如图2所示。

图2 钻模模拟量协调方式示意图

3 数字量协调技术应用难点分析

为适应航天产品数字化装配需求，同时随着数控制造技术的不断提高和广泛应用，采用数字量协调技术是航天制造业的发展趋势，由于加工能力、工艺方法和制造成本等因素的限制，数字量协调技术将长期仅限于某些特定产品的局部应用，从而存在数字量协调和模拟量协调两种协调方式并存的情况，鉴于两种协调方式存在不同的环节误差，如何保证数字量协调中工艺容差[3]满足协调要求成为亟需解决的难题。

4 数字量协调工艺容差分析

针对航天产品部段一般以定位销孔定位为基准的多组孔协调形式，通过探讨其对接协调孔可能存在的加工方式，采用极限法[4]分析协调误差中的多项环节误差，通过合理分配协调孔及测量销的工艺容差，为数字量协调技术在航天产品的实际应用提供参考。

4.1 孔轴定位误差分析

图3 定位孔轴配合示意图

设某部段端面两定位销孔直径分别为1（1，1）、2（2，2），定位销直径分别为1（1，1）、2（2，2），如图3所示。

（2）

4.2 多环节误差分析

工作钻模与标准钻模协调时，由孔轴配合产生的协调误差δ，则标准钻模与工作钻模定位销孔协调误差为：

式中，D1、 D2分别为标准钻模中两定位孔钻套的内径基本尺寸；d1、d12分别为标准钻模中两定位销轴径的基本尺寸；ES1、ES2分别为标准钻模中两定位孔钻套内径的上偏差；ei1、ei2分别为标准钻模中两定位销轴径的下偏差。

工作钻模中定位销与衬套之间的误差为：

式中，D1、D2分别为工作钻模中两定位孔钻套的内径基本尺寸；d1、d2分别为工作钻模中两定位销轴径的基本尺寸；ES1、ES2分别为工作钻模中两定位孔钻套内径的上偏差；ei1、ei2分别为工作钻模中两定位销轴径的下偏差。

上述两项误差为随机误差，因此协调总误差为：

数控制孔设备的系统误差δ为：

（7）

式中，δ——第个数控机床运动轴定位误差。

测量设备测量误差为δ。若需测量项目较少，则以所测量数据的最大误差作为参考；若需测量项目较多，则以测量设备的系统误差为参考。

4.3 多协调方式协调误差分析

设两对接部段相协调面分别为协调面A、协调面B，如图4所示。其中协调面A采取数字量协调方式，采用极限法分析协调面B不同协调方式下协调面A所产生的总误差（=1，2，3），协调方式见表1。

1—部段1 2—协调面A 3—协调面B 4—部段2

表1 协调方式表接头

协调方式协调面A协调数据源协调面B试对协调度方式 方式一数字量数字钻模数字量数字测量 方式二数字量工作钻模模拟量工作钻模 方式三数字量工作钻模模拟量数字测量

方式一：协调面A、协调面B均以所采集标准数字数据为输入数字量协调。

式中，为采集产品协调信息产生的最大误差。

方式二：协调面A以所采集标准钻模数据为输入数字量协调，协调面B采用模拟量协调。

a. 若协调面A采用工作钻模试对协调准确度[5]

式中，为采集标准钻模协调信息所产生的最大误差；3为工作钻模中测量销与钻套之间的误差。

b. 若协调面A采用数字测量协调准确度

方式三：协调面A以所采集工作钻模数据为输入数字量协调，协调面B采用模拟量协调。

a. 若协调面A采用工作钻模试对协调准确度

b. 若协调面A采用数字测量协调准确度

（12）

4.4 工艺容差相关结论

a. 为保证采用工作钻模所制孔满足产品协调要求，则需保证：

b. 方式二中采用工作钻模试对协调准确度，则测量销直径d与产品定位孔孔径1关系为：

（14）

c. 方式三中采用工作钻模试对协调准确度，则测量销直径d与产品定位孔孔径1关系为：

e. 现有设计文件针对定位孔间距尺寸一般标注为“尺寸（工具）”，导致该状态下采用数字量协调则引入测量误差、协调误差，因此后续设计文件可通过确定协调尺寸公差作为产品数字量协调输入，从而有效减少误差环节。

5 试验研究

根据现有实际生产方式，本试验以某型号产品端面上对接协调孔2-mm和定位销mm为研究对象，以协调方式三中采用工作钻模试对协调方式建立工艺试验技术路线，如图5所示。

图5 端面制孔工艺试验技术路线图

5.1 试验分析

采用三坐标测量机采集工作钻模上对接协调孔孔位信息，并分别计算两孔的测量误差，如表2所示。

表2 工作钻模对接协调孔孔位信息表

编号定位孔/mm极半径/mm极角/（°）测量误差/mm 理论数据采集数据理论数据采集数据 1Φ228227.9922.522.49760.0032 2227.98127.5127.50220.0022

由于测量项目较少，以所采集数据的最大误差作为测量误差δ，由表1数据得δ=0.0032mm。

采用五轴数控机床FERMAT WFT-13-CNC加工对接协调孔2-mm，见图6。该数控机床各运动轴定位精度均为0.015mm/m，代入式（7），得：

以所采集工作钻模对接协调孔孔位数据为输入，编制数控加工程序并仿真，将加工程序输入数控设备加工试验件，样件如图7所示。

图7 样件示意图

图8 试对局部示意图

5.2 理论分析

mm

0.3535mm

若采用146定位插销作为测量销，则δ3=0.0636mm。

根据产品具体尺寸，确定δ=0.0335mm。

将上述各环节误差代入式（11），则对接协调孔2-mm所产生的累积误差为=0.1902mm。

根据所计算的累积误差，将产品对接协调孔mm实际铰制至14.18mm，按式（15）计算测量销的直径d，计算整理得d=mm。

综上，可知：

a. 累积误差δ=0.0899mm＜0.1mm，其满足式（13），则说明从工作钻模上所采集的协调数据有效；

b. 实际制孔14.18mm与测量销mm满足式（15），则说明协调孔和测量销的工艺容差合理，即采用测量销mm试对协调孔满足协调要求。

6 结束语

随着航天产品批量及研制型号的不断增加，数字量协调技术将会得到广泛应用。针对现阶段航天产品数字量协调和模拟量协调两种协调方式并存的情况，通过分析多项环节误差，确定合理的工艺容差，为数字量协调技术在航天产品的实际生产应用提供有效参考。

1 何胜强. 大型飞机数字化装配技术与装备[M]. 北京：航空工业出版社，2013

2 魏乐愚，杨宏青，荣田. 自动对接装配技术在航天产品对接装配中的应用研究[J].制造技术研究，2011(10)：42～44

3 程宝藻. 飞机制造系统准确度与容差分配[M]. 北京：航空工业出版社，1987

4 甘永立. 几何量公差与检测[M]. 上海：上海科学技术出版社，2008

5 聂江西. 民机中机身自动化装配的容差分析方法与应用研究[D]. 上海交通大学，2014

Application Research on Aerospace Product Process Tolerance Based on Digital Coordination Technology

Wang Xuegang Li Yang Hao Ding Zhang Heng Liu Haiyan Yi Fan Xu Meng Li Xiuchun Lv Huaying

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

According to the coordination characteristics of aerospace products, analyze the application difficulties of digital coordination technology in aerospace products manufacturing, apply limit method to analyze a variety of errors within multiple coordination modes of digital coordination and analog coordination, propose a method to distribute process tolerance of coordination holes and measure pins, and carry out a relevant technology test, provide information for digital coordination technology application in aerospace products.

digital coordination；analog coordination；process tolerance

2017-06-01

王学刚（1986），工程师，机械制造及其自动化专业；研究方向：航天产品先进制造工艺。