飛機制造中的尺寸管理和容差仿真分析技術(shù)

1、飛機制造中的尺寸管理和容差仿真分析技術(shù)飛機制造中的大量的尺寸互換協(xié)調(diào)問題直接影響到飛機的裝配質(zhì)量、研制周期和生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)的互換能力和協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度在很大程度上由各種生產(chǎn)工藝裝備和手工修配來保障1。當(dāng)今市場對飛機產(chǎn)品需求的多樣性和急迫性要求生產(chǎn)廠家縮短研制周期并增加生產(chǎn)柔性，這對傳統(tǒng)方法提出了極大挑戰(zhàn)，在更為復(fù)雜的大飛機產(chǎn)品上尤為突出?，F(xiàn)代飛機制造越來越需要依靠貫穿產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和產(chǎn)品制造裝配過程的尺寸管理，通過前期的優(yōu)化設(shè)計來減少后期對制造協(xié)調(diào)以及昂貴工裝的需求。如今先進的三維容差仿真分析技術(shù)（Variation Simulation Analysis，簡稱VSA）結(jié)合高精度計算機數(shù)控（Co

2、mputer Numerical Control，簡稱CNC）加工和檢測手段以及生產(chǎn)過程中的智能統(tǒng)計過程控制（Statistical Process Control，簡稱SPC）技術(shù)促使數(shù)字化尺寸管理技術(shù)迅速發(fā)展并日益成熟。尺寸管理（Dimensional Management，DM）是一種結(jié)合三維尺寸鏈仿真優(yōu)化和數(shù)字化檢測控制兩項關(guān)鍵技術(shù)進行產(chǎn)品開發(fā)全過程質(zhì)量控制的一種工程方法和手段，通過偏差波動控制和“穩(wěn)健性設(shè)計”（Robust Design）來提升產(chǎn)品尺寸質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本。在傳統(tǒng)設(shè)計中，產(chǎn)品工程師在圖紙發(fā)放之前憑經(jīng)驗、猜測或簡單的公差疊算在圖紙上標(biāo)注好公差和容差要求，再交由后續(xù)工藝和制

3、造工程師進行協(xié)調(diào)?，F(xiàn)代的尺寸管理則是一個以設(shè)計預(yù)防為主、測量反饋為控制手段的同步工程，通過確保所有與產(chǎn)品相關(guān)的零部件、工藝、規(guī)劃、工裝以及人員之間密切協(xié)同，有效地管理和跟蹤質(zhì)量控制過程中的各項內(nèi)容和信息。在設(shè)計階段對裝配定位特征和基準(zhǔn)策略進行仿真優(yōu)化，在工藝階段致力于設(shè)計出能夠盡量吸收裝配偏差的裝配協(xié)調(diào)方法，力求通過裝配仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等數(shù)字化手段在研制過程中盡早完成大多數(shù)的設(shè)計驗證和優(yōu)化，并對制造全過程進行有效的質(zhì)量監(jiān)控和管理。尺寸管理旨在確保產(chǎn)品滿足功能、裝配、外觀設(shè)計要求。在飛機制造中，現(xiàn)代尺寸管理技術(shù)最早于1992年下半年被波音公司首次正式應(yīng)用。當(dāng)時波音公司打算在B737改型項目中機

4、身和吊架裝配工藝上嘗試“決定性裝配”工藝（Determinant Assembly，簡稱DA）來減少定位工裝。所謂DA工藝即是將零件設(shè)計成按預(yù)先定義的界面，通過關(guān)鍵幾何特征（如DA孔）進行制造和裝配，而不再需要定位工具或復(fù)雜的測量和調(diào)整工藝，從而簡化裝配現(xiàn)場（圖1），降低成本，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期2。DA的關(guān)鍵是在工程數(shù)字化設(shè)計階段用尺寸管理方法和VSA技術(shù)對零件和組件的容差設(shè)計方案（如DA孔和零時緊固件的尺寸公差、鉆鉚工藝能力等）進行仿真驗證并實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，然后在制造階段借助高精度數(shù)控機床來保障制造和裝配精度。所以說DM是DA的前提和驗證手段3。在這次嘗試中波音公司管理層意識到尺寸管理必須歸口產(chǎn)品

5、工程部門而非制造部門并作了相應(yīng)的機構(gòu)調(diào)整。DM和DA技術(shù)隨后又被陸續(xù)推廣應(yīng)用到波音B777、B737、B747等機型的軍用和民用改型上，取得了不錯的實施效果。其中在1997年上半年，當(dāng)時的B737 NG機型在進行試飛科目和適航認證時被歐洲聯(lián)合航空局（JAA）以安全理由拒發(fā)型號合格證，理由是其B737-800機翼上方的應(yīng)急門的設(shè)計無法保證所有乘客在飛機事故中迅速逃離。為了滿足JAA對逃生時間的要求，并同時避免因工廠停工而將造成的巨大經(jīng)濟損失，波音公司必須迅速調(diào)整機身和該應(yīng)急門的設(shè)計以實現(xiàn)新艙門在緊急情況下可以完全自動打開并保持和機身的連接，避免乘客需要費力打開再拋丟該插入式艙門4。此艙門后來被稱

6、為“自展式翼上應(yīng)急門”（Automatic Overwing Exit Door，簡稱AOED），如圖2所示，屬3類（Type III）艙門（成飛公司現(xiàn)參與制造供貨）。由于時間緊迫不允許后續(xù)的設(shè)變、報廢和修配，新設(shè)計必須一次成功，用DM和DA技術(shù)來解決艙門裝配工藝和門鎖機構(gòu)的容差問題變得至關(guān)重要。整個工作持續(xù)了大半年，取得極大成功，該AOED門是第一個獲得99.98%機身艙門互換性測試通過率的批產(chǎn)商用飛機增壓艙門。波音事后對該項DM工作進行了正式的財務(wù)分析，預(yù)測5年的成本節(jié)省將超過1.65億美金，而事實上由于后來市場對該機型的需求大大超過預(yù)測，AOED的DM項目如今已帶來了包括成本節(jié)省和產(chǎn)值增

7、加在內(nèi)超過10億美金的經(jīng)濟效益，波音公司也因此決定今后所有新項目都要廣泛使用DM和DA技術(shù)，包括后來的Y2（B787）項目，以及現(xiàn)在的B787-9和B737 MAX機型。此外，歐洲空客的A340-600和A380機型以及現(xiàn)在的A350-1000機型在研制過程中也都陸續(xù)嘗試應(yīng)用了這些DM和DA技術(shù)5。容差分析也被稱為公差分析、偏差分析、尺寸鏈分析等，是設(shè)計階段尺寸管理的一個重要工具和手段。容差分析通過數(shù)理統(tǒng)計的計算方法來分析和評估裝配尺寸鏈中零部件的制造偏差和工藝偏差如何影響產(chǎn)品的“關(guān)鍵產(chǎn)品特性”（Key Product Characteristics，簡稱KPC，如艙門和機身之間的階差和縫隙）

8、，從而建立起KPC和影響KPC的各種產(chǎn)品特征（Product Feature，簡稱PF）的轉(zhuǎn)換函數(shù)：KPC = f (PF1, PF2, PFn, APV，也稱作尺寸鏈裝配函數(shù)。容差分析可幫助產(chǎn)品和工藝設(shè)計人員分析和評估零部件、工藝和工裝是否滿足設(shè)計目標(biāo)，從而通過優(yōu)化設(shè)計來確保最終的產(chǎn)品制造質(zhì)量。傳統(tǒng)的容差分析方法有若干種公差疊加計算，其缺點是手工計算繁雜、無法考慮三維因素、計算結(jié)果不準(zhǔn)確。先進的三維容差仿真分析（VSA）技術(shù)通過仿真產(chǎn)品的制造裝配過程來預(yù)測產(chǎn)品的尺寸質(zhì)量和偏差源貢獻因子，判斷某階段的設(shè)計是否能夠滿足尺寸設(shè)計要求，并給出可能的整改方案，很好地彌補了傳統(tǒng)方法的不足，有效地支持了設(shè)

9、計面向制造和裝（Design for Manufacturing and Assembly，簡稱DFMA）理念在實際產(chǎn)品研制中的應(yīng)用。Tecnomatix VATM 6 （簡稱VA）是一款由西門子工業(yè)軟件公司開發(fā)的應(yīng)用較為廣泛的三維VSA軟件，在上述AOED等項目中表現(xiàn)出色，并在用戶的要求和協(xié)助下開發(fā)出了一系列針對飛機制造工藝特點的裝配和計算功能（如復(fù)合材料厚度公差），形成飛機制造工具包。具體講，VA軟件通過建立產(chǎn)品和安裝工藝的三維虛擬裝配接觸鏈模型來自動確立產(chǎn)品的尺寸鏈裝配函數(shù)，通過統(tǒng)計仿真計算來分析和優(yōu)化產(chǎn)品的容差方案和定位裝配工藝，確認對產(chǎn)品KPC質(zhì)量有重要影響的零部件幾何特征，即偏差源

10、貢獻因子，作為在制造階段必須重點監(jiān)控保障的關(guān)鍵控制特性（Key Control Characteristics，簡稱KCC，如DA孔的尺寸公差）。VA的輸入包括 ：（1）產(chǎn)品數(shù)據(jù)，如3D數(shù)模、定位基準(zhǔn)方案、公差標(biāo)注和材料特性等 ；（2）工藝數(shù)據(jù)，如BOM（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹/順序）、BOP（工藝方法/操作）、BOR（制造資源和工裝等）、KPC質(zhì)量要求和工藝能力知識等。VA的輸出則包括KPC的仿真結(jié)果和KCC貢獻因子報告（圖3）。VA模型可以在零部件和工裝制造之前就預(yù)測出在后續(xù)的制造和裝配階段是否會出現(xiàn)尺寸容差問題。工程設(shè)計人員可以通過VA模型的仿真結(jié)果和貢獻因子排列在數(shù)字化產(chǎn)品和工藝并行設(shè)計階段就對產(chǎn)

11、品的設(shè)計、公差、工藝和測量計劃進行優(yōu)化，幫助減少制造和裝配偏差對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。作為目前市場上唯一能夠真正用三維幾何特征來建模并嚴(yán)格根據(jù)幾何尺寸和形位工差標(biāo)準(zhǔn)（Geometric Dimensioning & Tolerancing，簡稱GD&T）來仿真計算三維公差帶的VSA軟件，VA由于其先進的算法和功能性以及良好的使用性，在飛機產(chǎn)品研制中已得到了廣泛深入的應(yīng)用，目前已存在的模型和應(yīng)用包括飛機主要裝配件對接仿真分析（機身斷面對接，機翼與機身對接，駕駛艙，引擎安裝對準(zhǔn)，總裝）、空氣動力學(xué)需求分析（門組件與周邊外蒙皮間的縫隙與階差）、操控中的運動學(xué)系統(tǒng)分析（可移動的飛行控制面，門

12、板鎖系統(tǒng)運轉(zhuǎn)間隙，起落架與輪胎功能及運轉(zhuǎn)間隙）、子總成制造與應(yīng)力需求分析（裝配順序優(yōu)化，局部互換性單元安裝，座椅運動軌道調(diào)節(jié)，機翼裝配）、設(shè)計與制造兩個環(huán)節(jié)的成本平衡研究（零部件之間的DA安裝和使用工裝夾具裝配的權(quán)衡、門控系統(tǒng)與調(diào)節(jié)，機械系統(tǒng)調(diào)節(jié)）等。此外，VA軟件還有兩個非常顯著的特點 ：（1）其模型是基于ISO國際標(biāo)準(zhǔn)的輕量化三維數(shù)模JT格式7，一方面兼容多CAD平臺，另一方面可以快速仿真諸如整機類大型裝配而無需高端硬件；（2）具備公差庫插入功能，一方面可以快速自動更新尺寸模型，另一方面便于企業(yè)積累形成核心的DM和DA知識知識庫（圖4）。結(jié)語由先進的VSA、CNC和SPC技術(shù)所構(gòu)成的現(xiàn)代數(shù)字化尺寸管理（DM）有可能革命性地提升產(chǎn)品工程和制造之間的緊密協(xié)同，并形成單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化尺寸協(xié)調(diào)閉環(huán)體系。這種閉環(huán)體系將大大減少飛機研制過程中的工程