用于飞机的一面多孔装配的三维偏差建模分析方法与流程
本发明涉及数字化三维装配偏差仿真分析方法的技术领域，主要面向解决飞机装配协调中的一面多孔交点协调问题，尤其涉及一种用于飞机的一面多孔装配的三维偏差建模分析方法。
背景技术：
民机产品的装配准确度，包括整机的外形准确度，以及部件间相对位置准确度等，是装配过程的重要工艺指标，它不仅直接代表了产品的装配质量水平，而且还会间接影响其他产品因素，如结构强度、空气动力性能、疲劳寿命，以及制造成本等。另一方面，不同于一般的机械装配过程，大型民机产品结构复杂、空间紧凑，零部件数量巨大，装配零件具有大尺寸、刚度小、易变形的特点，且零部件之间的装配约束关系和层次关系较多。因此，如何分析和控制装配过程的尺寸偏差，是当前我国民机自主研制中需要考虑的重要问题。
采用实物标工是传统民机装配过程中保证协调装配的重要手段，但其主要侧重保证零组件装配过程的相对准确性，从对飞机产品整体尺寸控制角度来说，这样的制造模式难以保证较好的制造符合性，从满足适航管理的角度存在不足。近年来，飞机制造业已逐渐引入数字化三维装配偏差分析的理念和方法，其主要解决的核心问题是：如何在已知产品装配过程的工艺方案，包括装配关系、定位方案、测点、相关公差输入等信息的条件下，得到装配后产品关键特性的偏差值、偏差分布等尺寸指标，从而评估产品尺寸质量和装配工艺(定位、公差等)、诊断偏差源、并提出优化的措施和规避风险的建议。这样的尺寸控制手段，将有助于企业减小生产风险、节省制造成本、提高生产效率，也是主制造商用以协调各级供应商、统筹控制民机产品制造过程的重要手段和技术依据。
当前已有多款商业软件可以辅助工程师进行三维偏差分析，如siemens公司的visvsa软件、dcs公司的3dcs软件，以及sigmetrix公司的cetol等。但尽管如此，软件工具只能封装最基本的数学和物理建模，在面向飞机装配的复杂结构案例时，仍然要求技术分析人员在熟知工艺方案的前提下，能够合理、准确地将“工艺信息语言”转换为“仿真软件语言”，同时还得根据实际需求对软件工具的计算结果进行二次计算和处理，这不仅需要分析人员具备相当的几何尺寸与公差(gd&t)基础，而且也需要研究如何进行各类特征建模，从而尽量真实地模拟实际工况。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利(专利号cn103164584-a)提出了一种基于关键特性的协调准确度计算方法。该发明专利以公差分析软件为工具，在定义关键特性的基础上，通过偏差仿真建模，计算飞机的协调准确度。但该发明主要侧重于介绍飞机装配过程多工位之间的偏差传递计算总体流程和方法，并未详细描述具体飞机各部段、各组件的偏差传递模型构建与分析方法。为了更便捷地进行飞机装配中各种复杂结构的偏差分析，有必要针对某些广泛出现的典型单元结构进行探索研究，建立典型单元结构的偏差建模和分析模板，以适应更普遍的偏差分析需求，进一步提高数字化偏差分析工作和协作效率。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术无法快速便捷地解决飞机装配协调中广泛出现的一面多孔交点协调这一结构问题的缺陷，提出一种用于飞机的一面多孔装配的三维偏差建模分析方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种用于飞机的一面多孔装配的三维偏差建模分析方法，其特点在于，其包括仿真装配设计与输入步骤、仿真测量设计与输入步骤和计算与工艺优化步骤，其中，参与装配的待装配零件和被装配体包括相互配合的多组孔销，
仿真装配设计与输入步骤包括：
步骤一、从待装配零件和被装配体的多组孔销中，确定其中的至少一组为定位孔销，针对所述定位孔销的配合，根据实施装配的工艺能力和产品几何技术规范，确定所述定位孔销的尺寸公差的初始方案，所述产品由待装配零件和被装配体装配形成；
步骤二、将待装配零件以及被装配体上的基准特征及尺寸公差的初始方案输入到偏差分析软件中；
仿真测量设计与输入步骤包括：
步骤三、从待装配零件和被装配体的多组孔销中，确定除所述定位孔销以外的其他组孔销作为测量目标，参考产品几何技术规范，设计所述其他组孔销所能允许通过的最大螺栓直径的计算方法，并确定所述计算方法中待输入的与所述测量目标相关的测量特征及尺寸公差的初始方案；
步骤四、将待装配零件以及被装配体上的测量特征及尺寸公差的初始方案输入到偏差分析软件中；
计算与工艺优化步骤包括：
步骤五、在所述偏差分析软件中对待装配零件和被装配体的装配进行仿真模拟，根据装配需求和实施装配的工艺能力，对装配涉及的参数进行优化。
较佳地，步骤一对于所述定位孔销的尺寸公差的初始方案的确定包括以下步骤：
判断待装配零件和被装配体采用主-副基准孔的方式定位还是采用多组孔作为共同基准的方式定位，若采用主-副基准孔的方式定位则执行以下步骤a，若采用多组孔作为共同基准的方式定位则执行以下步骤b；
步骤a、采用公式(1)、(2)定义可满足所述定位孔销的装配的条件，并结合实施装配的工艺能力和产品几何技术规范，确定所述定位孔销的尺寸公差的初始方案，
其中，hmin代表最大实体状态下的定位孔直径，smax代表最大实体状态下的定位销直径，
步骤b、采用公式(3)定义可满足所述定位孔销的装配的条件，并结合实施装配的工艺能力和产品几何技术规范，确定所述定位孔销的尺寸公差的初始方案，
其中，hmin代表最大实体状态下的定位孔直径，smax代表最大实体状态下的定位销直径，
较佳地，步骤a和步骤b中所确定的所述定位孔销的尺寸公差的初始方案，满足实施装配的加工设备或加工方式所能达到的相对位置度的累计精度。
较佳地，步骤三中对于所述其他组孔销中的每一组所能允许通过的最大螺栓直径的计算包括以下步骤：
对于浮动螺栓连接，可基于以下公式(4)、(5)、(6)计算得出所述最大螺栓直径，
dmax_shaft＝min{dmax_shaf1,dmax_shaf2}(6)
其中，i为序号，dmin_holei和dmax_shafti分别代表一组相配合的螺栓孔和螺栓在最大实体状态下的直径，而
对于固定螺栓连接，可基于以下公式(7)、(8)计算得出所述最大螺栓直径，
其中，i为序号，dmin_hole1和
较佳地，所述基准特征为设计、测量和/或装配的基准特征。
较佳地，所述偏差分析软件为siemens公司的visvsa软件。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的用于飞机的一面多孔装配的三维偏差建模分析方法，通过仿真装配设计与输入、仿真测量设计与输入、计算与工艺优化三个主要步骤，构建了一套数字化三维装配偏差仿真分析方法，主要面向解决飞机装配协调中广泛出现的一面多孔交点装配协调问题，并可进行相关工艺方案的优化设计。本发明有助于进一步提高数字化偏差分析工作和协作效率，对推动实现基于零件自定位的自动装配生产等方面均具有积极作用和意义。
附图说明
图1为根据本发明的较佳实施例的用于飞机的一面多孔装配的三维偏差建模分析方法的流程图。
图2为本发明的一应用实例中涉及的装配协调问题的示意图
图3为本发明的一应用实例中的装配关系的示意图
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
参考图1所示，根据本发明的较佳实施方式的用于飞机的一面多孔装配的三维偏差建模分析方法，包括仿真装配设计与输入步骤、仿真测量设计与输入步骤和计算与工艺优化步骤三个主要部分。其中，参与装配的待装配零件和被装配体包括相配合的多组孔销。根据本发明的一些优选实施方式，本发明的方法可以多次迭代进行优化。
仿真装配设计与输入步骤包括：
步骤一、从待装配零件和被装配体的多组孔销中，确定其中的至少一组为定位孔销，针对所述定位孔销的配合，根据实施装配的工艺能力和产品几何技术规范，确定所述定位孔销的尺寸公差的初始方案，所述产品由待装配零件和被装配体装配形成；
步骤二、将待装配零件以及被装配体上的基准特征及尺寸公差的初始方案输入到偏差分析软件中。
其中，步骤一对于所述定位孔销的尺寸公差的初始方案(即尺寸公差的初始输入)的确定包括以下步骤：
判断待装配零件和被装配体采用主-副基准孔的方式定位还是采用多组孔作为共同基准的方式定位，若采用主-副基准孔的方式定位则执行以下步骤a，若采用多组孔作为共同基准的方式定位则执行以下步骤b；
步骤a、采用公式(1)、(2)定义可满足所述定位孔销的装配的条件，并结合实施装配的工艺能力和产品几何技术规范，确定所述定位孔销的尺寸公差的初始方案，
其中，hmin代表最大实体状态下的定位孔直径，smax代表最大实体状态下的定位销直径，
步骤b、采用公式(3)定义可满足所述定位孔销的装配的条件，并结合实施装配的工艺能力和产品几何技术规范，确定所述定位孔销的尺寸公差的初始方案，
其中，hmin代表最大实体状态下的定位孔直径，smax代表最大实体状态下的定位销直径，
步骤a和b中所确定的所述定位孔销的尺寸公差的初始方案，满足实施装配的加工设备或加工方式所能达到的相对位置度的累计精度。
仿真测量设计与输入步骤包括：
步骤三、从待装配零件和被装配体的多组孔销中，确定除所述定位孔销以外的其他组孔销作为测量目标，参考产品几何技术规范，设计所述其他组孔销所能允许通过的最大螺栓直径的计算方法，并确定所述计算方法中待输入的与所述测量目标相关的测量特征及尺寸公差的初始方案；
步骤四、将待装配零件以及被装配体上的测量特征及尺寸公差的初始方案输入到偏差分析软件中。
计算与工艺优化步骤包括：
步骤五、在所述偏差分析软件中对待装配零件和被装配体的装配进行仿真模拟，根据装配需求和实施装配的工艺能力，对装配涉及的参数进行优化。
其中，步骤五中对包括基准特征及公差、测量特征及公差等在内的参数进行优化。
其中，步骤三中对于所述其他组孔销中的每一组所能允许通过的最大螺栓直径的计算包括以下步骤：
对于浮动螺栓连接，可基于以下公式(4)、(5)、(6)计算得出所述最大螺栓直径，
dmax_shaft＝min{dmax_shaf1,dmax_shaf2}(6)
其中，i为序号，dmin_holei和dmax_shafti分别代表一组相配合的螺栓孔和螺栓在最大实体状态下的直径，而
对于固定螺栓连接，可基于以下公式(7)、(8)计算得出所述最大螺栓直径，
其中，i为序号，dmin_hole1和
应当理解的是，以上公式(1)-(8)中多次出现“≥”，是考虑到不等式更能反映出其实质的物理和数学意义。但在实际运用上述方法、步骤进行相关计算时，可将“≥”符号取其等号，直接计算出相应结果即可，该结果对应于相应的极值条件。
以下就本发明的偏差建模分析方法描述一应用实例。
如图2所示，为本发明实施例外翼全机顶起点装配协调问题，可以看到，这是一个曲面多孔的典型配合结构，其中，图2中左半部分示出的是外翼结构的局部，右半部分示出的是顶垫的结构。参考图2所示，外翼结构上四个衬套内孔在零件加工时需留余量，待装配时按钻模铰制终孔，安装销子的两个衬套内孔铰至
这一应用实例属于飞机装配中较为典型的一面多孔配合结构，根据初始工艺设计方案，有两部分工作需要考虑，第一步，由于两个定位孔为主基准约束，因此首先需要通过计算确定在当前所选用的孔销配合方案下，两孔之间在保证可装配前提下所容许的相对位置度，以及现有工艺能力是否能满足此需求。第二步，在确定两定位孔配合方案后，判定顶垫和外翼之间相配合的两组螺钉孔的位置度偏差，从而确定所需选用的螺钉直径，以及判定能否符合当前工艺需求。
现按照前述的三个主要步骤结合本应用实例进行详细说明。
(1)仿真装配设计与输入步骤
a)该实例参与装配的成员可视为顶垫、外翼结构两零件。根据装配流程，顶垫结构的设计/测量/装配基准为两定位销，外翼结构的设计/测量/装配基准为对应的两定位衬套孔，基准特征及相关初始形位公差标注如图2所示。
b)对于一面多孔配合结构中的单组或多组定位孔销的配合，需要根据工艺能力与产品几何技术规范，通过必要分析计算，给出合适的相关尺寸公差、形位公差的初始方案方案。
对于两组定位销、孔配合，属于多组孔-销作为共同基准的情况，首先考虑最恶劣的情况，即最大实体状态，对于顶垫结构的定位销，最大实体状态为轴最大的状态，即smax＝14.484mm，对于外翼结构的定位孔，最大实体状态为孔最小的状态，即hmin＝14.5mm。满足多组定位孔-销能够装配的计算式为：
其中，
根据当前工艺能力，顶垫加工方式为数控机床+坐标镗床，相对位置精度可以保证在±0.01mm，外翼结构上的孔将通过钻模板钻制，其相对位置度累计精度为(±0.01)(钻模板制造误差)+(±0.01)(钻制过程误差)＝(±0.02)mm，因此最大允许的相对位置误差为±0.03mm，即这两组孔、销配合的最大允许的总相对位置度误差为
c)将以上步骤确定的所有仿真装配特征及公差信息进行整理并输入到软件系统中，本实施例采用siemens公司的visvsa偏差分析软件进行偏差传递的计算，从而完成仿真装配设计与输入步骤。
(2)仿真测量设计与输入步骤
a)根据总体分析思路，在确定两定位孔配合方案后，将通过软件工具计算，判定顶垫和外翼之间相配合的两组螺钉孔的相对位置度偏差，从而确定所需选用的螺钉直径，以及判定能否符合当前工艺需求。
对于本案例来说，顶垫与外翼结构螺栓装配为浮动螺栓，如图3所示，顶垫上的间隙孔和外翼结构上的间隙孔相对交错位置达到最大，此时为最恶劣的情况。图3中左侧所绘的虚线圆表示螺栓孔的理想位置，实线圆则表示交错位置达到最大的螺栓孔的极限位置，图3中右侧则是示意性地绘出相应截面的相对位置的示意图。
对于浮动螺栓连接，由于螺钉依次穿过两个零件，最后在尾端通过螺母连接，因此对螺钉和两个零件的配合都得计算。具体来说，在两零件按照装配基准进行装配时，有下式成立：
其中，dmin_hole1和dmin_hole2分别代表顶垫和外翼结构最小螺栓孔的直径，dmax_shaft1和dmin_hole2分别代表通过顶垫和外翼结构的最大螺柱的直径，
其中，bi1、bi2分别代表零件i的螺栓孔在上、下表面处中心轴线的位置度误差波动，且满足：bi1＝6σi1、bi2＝6σi2，σi1、σi2为标准差，可通过vsa计算得到。
最终，所允许通过的最大螺钉直径为：
dmax_shaft＝min{dmax_shaf1,dmax_shaf2}
综上所述，在软件中应输入顶垫、外翼结构的螺栓孔在上、下表面处中心点坐标，并执行测量操作，考量这些位置的位置度误差波动。
b)将以上通过仿真测量设计所确定的控制目标、测点及相关公差信息输入到vsa中，从而完成仿真测量设计与输入步骤。
(3)计算与工艺优化步骤
a)由于作为装配基准的定位销、孔存在尺寸公差、形位公差，两组螺栓孔也存在尺寸公差、形位公差，在这些公差的累积影响下，两组螺栓孔的各自轴线将在三维空间中发生平移和旋转，本实施例采用vsa来仿真计算这一刚体空间的位移过程，可以得到：
在第一处螺钉连接：
顶垫间隙孔在上表面处的中心轴线位置度偏差波动为b11＝±0.0281mm，顶垫间隙孔在配合面处的中心轴线位置度偏差波动b12＝±0.0202mm，外翼结构间隙孔在匹配面处的中心轴线位置度偏差b21＝±0.0237mm，外翼结构间隙孔在下表面处的中心轴线位置度偏差b22＝±0.0283mm。
在第二处螺钉连接：
顶垫间隙孔在上表面处的中心轴线位置度偏差波动为b11＝±0.0285mm，顶垫间隙孔在配合面处的中心轴线位置度偏差波动b12＝±0.0201mm，外翼结构间隙孔在匹配面处的中心轴线位置度偏差b21＝±0.0246mm，外翼结构间隙孔在下表面处的中心轴线位置度偏差b22＝±0.0283mm。
b)进一步计算可选用的最大螺钉的外径：
第一处螺栓连接：
根据
dmax_shaft1≤11.1125-0.0562＝11.0563mm
dmax_shaft2≤11.1125-0.0566＝11.0559mm
dmax_shaft＝min{dmax_shaf1,dmax_shaf2}＝dmax_shaft2＝11.0559mm
第二处螺钉连接：
根据
dmax_shaft1≤11.1125-0.057＝11.0555mm
dmax_shaft2≤11.1125-0.0566＝11.0559mm
dmax_shaft＝min{dmax_shaf1,dmax_shaf2}＝dmax_shaf1＝11.0555mm
根据以上计算，最终两处螺栓连接可选用统一的螺钉直径，为11.0555mm。
c)根据初始工艺设计方案，两个螺纹孔标准为“0.4375-20unjf-3bin(11.1125mm)”，两处螺栓连接的配合公差为
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
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