CN111422374A - 一种适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，包括步骤：S1、使用激光跟踪仪对装配工装建立坐标系；S2、使用固持夹紧装置将装配组件与固持机构稳定连接；使用调姿夹紧装置将焊接组件与调姿机构稳定连接；S3、操作调姿机构，使焊接组件的空间位置符合设计要求；S4、使用激光跟踪仪测量并记录焊接组件和装配组件关键特征点的坐标值；S5、操作调姿机构，使焊接组件与装配组件分离；S6、使用激光扫描仪扫描焊接组件的配合区曲面和装配组件的配合区曲面以形成点云的区域；S7、在虚拟空间中进行配合区曲面的处理与匹配，生成实体数模；S8、制造补偿件，将补偿件与装配组件进行装配；S9、使焊接组件恢复到步骤S3中的位置与姿态。

Description

一种适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法
技术领域
本发明具体涉及一种适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，尤其是指一种适用于薄壁焊接结构和相关联的机体结构装配组件之间的装配关系协调及间隙补偿的方法。
背景技术
旋压成形技术经过长期的技术研究与工程应用，我国的航空制造业已积累了丰富的制造经验，可以制造大尺寸高精度薄壁零件，采用常规补偿方法足以实现与高精度装配组件的配合，由于飞机舱内部件与机体结构通常有大量不同尺寸的管路相连，筒体部件需要加工大量大尺寸法兰孔，并进行大量局部焊接作业，在开孔导致应力释放与焊接过程大量热输入的影响下，焊接组件的最终尺寸精度与理论数模的偏差极大；而在现代飞机数字化装配技术支撑下，飞机机体结构可实现较高的装配精度，成形与焊接的精度与之相比存在数量级的差距。
常规飞机机体结构预留的补偿措施远远不能满足需求，且旋压焊接组件的变形规律性不明显，难以对偏差进行预判，受产品功能限制，焊接组件上无法设置可靠的基准点，按理论数模装配的装配组件与其无法协调，基准传递过程无法连续。因此，传统的协调方法无法满足需求，人工现场配制工期长、易损伤零件、无法并行作业，导致时间成本与经济成本无法接受，而且存在较大的技术风险。
因此，本发明提供一种适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法来解决上述技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是成形与焊接组件的整体几何精度不足以达到设计指标或达到设计指标的时间成本与经济成本难以承受；而机体结构总体的装配精度要求较高，焊接组件的精度不足以与装配组件配合达到最终的目标精度，基准无法可靠传递，导致产品质量失控。。
(二)技术方案
本发明提供了一种适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，包括以下步骤：
S1、以产品的装配工装为基准，使用激光跟踪仪对装配工装建立坐标系,装配工装包括固持机构和调姿机构；
S2、将装配组件放置在固持机构上，使用固持夹紧装置将装配组件与固持机构稳定连接；将焊接组件(放置在调姿机构上，使用调姿夹紧装置将焊接组件与调姿机构稳定连接；
S3、操作调姿机构，使焊接组件的空间位置符合设计要求；
S4、在步骤S1建立的坐标系的基础上，使用激光跟踪仪测量并记录焊接组件和装配组件关键特征点的坐标值；
S5、操作调姿机构，使焊接组件与装配组件分离；
S6、使用激光扫描仪扫描焊接组件的配合区曲面和装配组件的配合区曲面以形成点云的区域；
S7、在虚拟空间中进行配合区曲面的处理与匹配，生成实体数模；
S8、以实体数模为依据，制造补偿件，将补偿件与装配组件进行装配；
S9、操作调姿机构，使焊接组件恢复到步骤S3中的位置与姿态；
S10、完成产品的装配工作。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明提供了一种适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，包括以下步骤：S1、以产品的装配工装为基准，使用激光跟踪仪对装配工装建立坐标系,为后续操作提供基础；S2、将装配组件放置在固持机构上，使用固持夹紧装置将装配组件与固持机构稳定连接；将焊接组件放置在调姿机构上，使用调姿夹紧装置将焊接组件与调姿机构稳定连接，防止装配组件和焊接组件的位置发生变化而最终导致补偿件的精确度发生改变；S3、操作调姿机构，使焊接组件的空间位置符合设计要求；S4、在步骤S1建立的坐标系的基础上，使用激光跟踪仪测量并记录焊接组件和装配组件关键特征点的坐标值，为后续在虚拟空间建立实体模型提供基础；S5、操作调姿机构，使焊接组件与装配组件分离，预留出足够的空间使激光扫描仪正常工作；S6、使用激光扫描仪扫描焊接组件的配合区曲面和装配组件的配合区曲面以形成点云的区域；S7、在虚拟空间中进行配合区曲面的处理与匹配，生成实体数模，为补偿件的制造提供依据；S8、以实体数模为依据，制造补偿件，将补偿件与装配组件进行装配，消除了带有多个大尺寸开孔的大型薄壁焊接组件无法避免的焊接变形给装配工序带来的影响，实现低精度无基准部件与高精度装配组件之间的基准传递路径的衔接，大大降低了对带有多个大尺寸开孔的大型薄壁焊接组件的技术要求，极大地降低制造成本、缩短制造周期，即使焊接组件出现较为严重的尺寸偏差，仍可以在一定程度上进行补偿与纠正，挽救高价值部件，降低飞机部件生产的管理与技术风险。
附图说明
图1为本发明适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法的流程图；
图2为图1中步骤S7的流程图；
图3为本发明适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法中装配工作立体结构图；
图4为本发明适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法中焊接组件与装配组件的立体结构图；
图5为本发明适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法中补偿件的装配位置图。
图6为本发明适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法一种具体实施例的工作流程图；
图中：1、固持机构；2、调姿机构；3、固持夹紧装置；4、靶标点；5、调姿夹紧装置；6、焊接组件；7、装配组件；8、补偿件；9、装配工作；10、开孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图3-5所示，在焊接组件6上存在大量大尺寸开孔10。如图1所示，本发明提供了一种适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，包括以下步骤：
S1、以产品的装配工装9为基准，使用激光跟踪仪对装配工装9建立坐标系,装配工装9包括固持机构1和调姿机构2；S2、将装配组件7放置在固持机构1上，使用固持夹紧装置3将装配组件7与固持机构1稳定连接；将焊接组件6放置在调姿机构2上，使用调姿夹紧装置5将焊接组件6与调姿机构2稳定连接；S3、操作调姿机构2，使焊接组件6的空间位置符合设计要求；S4、在步骤S1建立的坐标系的基础上，使用激光跟踪仪测量并记录焊接组件6和装配组件7关键特征点的坐标值；S5、操作调姿机构2，使焊接组件6与装配组件7分离；S6、使用激光扫描仪扫描焊接组件6的配合区曲面和装配组件7的配合区曲面以形成点云的区域；S7、在虚拟空间中进行配合区曲面的处理与匹配，生成实体数模；S8、以实体数模为依据，制造补偿件8，将补偿件8与装配组件进行装配；S9、操作调姿机构2，使焊接组件6恢复到步骤S3中的位置与姿态；S10、完成产品的装配工作。
在上述实施例中，装配工装9包含对装配组件7进行约束与定位的固持机构1及对焊接组件6进行姿态与位置调整的调姿机构2，固持机构1上应该带有激光跟踪仪可测量的靶标点4。本实施例基于数字化测量方法对产品实际的几何尺寸进行精确测量，与虚拟空间中的产品数据集关联，通过物理空间与虚拟空间之间的映射，在虚拟空间中重构产品模型，并以重构的产品模型作为制造依据，加工补偿件8，消除带有多个大尺寸开孔的大型薄壁焊接组件无法避免的焊接变形给装配工序带来的影响，实现低精度无基准部件与高精度装配组件之间的基准传递路径的衔接，大大降低对带有多个大尺寸开孔的大型薄壁焊接组件的技术要求，极大地降低制造成本、缩短制造周期，即使焊接组件出现较为严重的尺寸偏差，仍可以在一定程度上进行补偿与纠正，挽救高价值部件，降低飞机部件生产的管理与技术风险。
进一步地，在步骤S6中，使用激光扫描仪扫描焊接组件6的配合区曲面形成的点云的区域包括焊接组件6的配合区及关键特征点；使用激光扫描仪扫描装配组件7的配合区曲面形成的点云的区域包括装配组件7的配合区和关键特征点以及装配工装9上用于建立坐标系的靶标点4，靶标点4位于固持机构1上。使用激光扫描仪扫描焊接组件6的配合区曲面和装配组件7的配合区曲面形成的点云的区域能够为后续在虚拟空间中建立实体模型提供基础。
进一步地，如图2所示，在步骤S7中，包括以下步骤：a、在虚拟空间中，将装配工装数模的设计坐标系与步骤S1中建立的装配工装坐标系统一；b、在步骤a的装配工装数模的设计坐标系下，在虚拟空间中建立步骤S4所记录的关键特征点的坐标值；c、将步骤S6形成的的点云的区域分别拟合成连续曲面；d、将步骤c中所生成的连续曲面上的关键特征点与步骤b中的关键特征点正确对应，并使相同特征点重合或位置偏差满足设计提出的技术要求，将虚拟空间中的连续曲面所包络的空间生成实体数模。在步骤a中，将装配工装数模的设计坐标系与步骤S1中建立的装配工装坐标系统一，即在虚拟空间中，将装配工装的位置与姿态调整到步骤S1中建立坐标系时的位置与姿态；步骤c中拟合形成的连续曲面首先为曲面数模，之后在步骤d中形成实体数模。
进一步地，在步骤S2中，在该方法实施的过程中，确保装配组件7不能发生相对于固持机构1的运动。装配组件7相对于固持机构1的位置关系发生变化会影响后续操作中装配组件7上关键特征点等的数值，最终影响到补偿件8的精确度。
进一步地，在步骤S2中，在该方法实施的过程中，当未对调姿机构2进行操作时，确保焊接组件6不能发生相对于调姿机构2的运动。焊接组件6相对于调姿机构2的位置关系发生变化会影响后续操作中焊接组件6上关键特征点等的数值，最终影响到补偿件8的精确度。
进一步地，在步骤S5中，焊接组件6与装配组件7分离的程度以足以满足激光扫描仪的操作空间需求为准。激光扫描仪在工作时需要足够的空间，空间太少会导致扫描仪不能正常工作，空间太多可能会影响扫描仪对焊接组件6和装配组件7的扫描精度。
进一步地，在步骤S8中，补偿件8与装配组件的装配位置关系以步骤d中的实体数模为依据。确保最终补偿件8能够精准的与装配组件配合。
进一步地，在步骤d中，根据设计或工艺选定的制造工艺方法，对实体模型进行细节修整，使其满足选定的制造工艺方法的要求。如根据数控加工或3D打印等技术，对实体数模进行细节修整，使得最终形成的补偿件8能够满足设计的要求。
进一步地，在步骤S9中，使用激光跟踪仪测量焊接组件6上的关键特征点，当关键特征点在步骤S1所建立的坐标系下的坐标值与步骤S4中记录的值相同或偏差符合设计要求，即认为焊接组件6的姿态已恢复到步骤S3中的位置与姿态。
具体地，本发明提供的另一实施例中，如图6所示，将托架(即本发明中的装配组件7)上架加紧，利用激光跟踪仪建立工装坐标系，首先测量托架，测量托架的位置包括托架支撑框轴线、托架支撑框边线以及吊挂接头孔位，所测量的托架不包含垫板；
将油箱上架，油箱上架的过程包括铺放垫板和胶垫、托板升高、油箱吊运入位、下降高度、调整航向适应泵舱、调整周向对齐泵舱施工通路以及下降高度使托板脱离；
测量油箱位姿，测量油箱位姿的过程包括选取基准点，在所建立的工装坐标系下测量法兰孔、耳片孔以及限位坐孔等的坐标，这些坐标的数值为后续油箱的复位提供依据，利用压敏胶带标记曲面测量区；
测量油箱底面，测量油箱底面的过程包括油箱下架、油箱上升到足够高但此时存在倾覆危险需要增加工装Z向行程，增加旋转工装将油箱旋转90度，利用上一步中所测量的坐标数值建立油箱坐标系，利用激光扫描仪扫描测量区以形成点云的区域；
模型重建，将建立的工装坐标系与油箱坐标系同一坐标系、重合基准点、补偿垫板模型最后加工补偿面。
垫板试装，垫板试装步骤包括以边线定位、制孔预连接、铺放胶垫、油箱入位、油箱基准点复位，油箱基准点复位要是失败则修配补偿面再重新将油箱入位，油箱基准点复位成功则进行垫板装配、胶垫粘接、油箱复位、箍带安装、测量限位座特制尺寸以及加工及安装限位座。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以产品的装配工装(9)为基准，使用激光跟踪仪对所述装配工装(9)建立坐标系,所述装配工装(9)包括固持机构(1)和调姿机构(2)；
S2、将装配组件(7)放置在所述固持机构(1)上，使用固持夹紧装置(3)将所述装配组件(7)与所述固持机构(1)稳定连接；将焊接组件(6)放置在所述调姿机构(2)上，使用调姿夹紧装置(5)将所述焊接组件(6)与所述调姿机构(2)稳定连接；
S3、操作所述调姿机构(2)，使所述焊接组件(6)的空间位置符合设计要求；
S4、在步骤S1建立的坐标系的基础上，使用激光跟踪仪测量并记录所述焊接组件(6)和所述装配组件(7)关键特征点的坐标值；
S5、操作所述调姿机构(2)，使所述焊接组件(6)与所述装配组件(7)分离；
S6、使用激光扫描仪扫描所述焊接组件(6)的配合区曲面和所述装配组件(7)的配合区曲面以形成点云的区域；
S7、在虚拟空间中进行配合区曲面的处理与匹配，生成实体数模；
S8、以实体数模为依据，制造补偿件(8)，将所述补偿件(8)与装配组件进行装配；
S9、操作所述调姿机构(2)，使所述焊接组件(6)恢复到步骤S3中所述的位置与姿态；
S10、完成产品的装配工作。
2.如权利要求1所述的适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，在步骤S6中，使用激光扫描仪扫描所述焊接组件(6)的配合区曲面形成的点云的区域包括所述焊接组件(6)的配合区及关键特征点；使用激光扫描仪扫描所述装配组件(7)的配合区曲面形成的点云的区域包括所述装配组件(7)的配合区和关键特征点以及所述装配工装(9)上用于建立坐标系的靶标点(4)，所述靶标点(4)位于固持机构(1)上。
3.如权利要求2所述的适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，在所述步骤S7中，包括以下步骤：
a、在虚拟空间中，将装配工装数模的设计坐标系与步骤S1中建立的装配工装坐标系统一；
b、在步骤a所述的装配工装数模的设计坐标系下，在虚拟空间中建立步骤S4所记录的关键特征点的坐标值；
c、将步骤S6形成的所述的点云的区域分别拟合成连续曲面；
d、将步骤c中所生成的连续曲面上的关键特征点与步骤b中所述的关键特征点正确对应，并使相同特征点重合或位置偏差满足设计提出的技术要求，将虚拟空间中的连续曲面所包络的空间生成实体数模。
4.如权利要求1所述的适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，在步骤S2中，在该方法实施的过程中，确保所述装配组件(7)不能发生相对于所述固持机构(1)的运动。
5.如权利要求1所述的适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，在步骤S2中，在该方法实施的过程中，当未对所述调姿机构(2)进行操作时，确保所述焊接组件(6)不能发生相对于所述调姿机构(2)的运动。
6.如权利要求1所述的适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，在步骤S5中，所述焊接组件(6)与所述装配组件(7)分离的程度以足以满足激光扫描仪的操作空间需求为准。
7.如权利要求3所述的适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，在步骤S8中，所述补偿件(8)与装配组件的装配位置关系以步骤d中的实体数模为依据。
8.如权利要求3所述的适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，在步骤d中，根据设计或工艺选定的制造工艺方法，对所述实体模型进行细节修整，使其满足选定的制造工艺方法的要求。
9.如权利要求1所述的适用于焊接部件与机体结构的协调与补偿方法，其特征在于，在步骤S9中，使用激光跟踪仪测量所述焊接组件(6)上的关键特征点，当关键特征点在步骤S1所建立的坐标系下的坐标值与步骤S4中记录的值相同或偏差符合设计要求，即认为焊接组件(6)的姿态已恢复到步骤S3中所述的位置与姿态。
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