CN112504197B - 一种基于统一基准的多工位高效装配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于统一基准的多工位高效装配方法，属于高效高精度制造领域；采用激光跟踪仪测量组件加工坐标系基准点，以此作为装配基准点。装配前，测量零件加工面壁厚，与其设计指标比对，确定允许的加工量范围。除此之外，测量每个零件的外表面形状误差，通过两个零件配合面形状误差分析，计算零件的空间姿态，结合零件的壁厚允许加工量确定零件的空间姿态调整方案。最后，通过激光跟踪仪跟踪零件空间姿态，确保零件空间姿态与计算结果相一致。采用本方法进行装配可确保零件一次装配后整体加工即可满足设计要求，避免了初定位测量加工余量后，二次调整零件的空间姿态带来的重复操作效率低下问题。

Description

一种基于统一基准的多工位高效装配方法

技术领域

本发明涉及一种基于统一基准的多工位高效装配方法，属于高效高精度制造领域。

背景技术

随着航空航天领域的发展，高性能的复合材料越来越多地应用于各类航天器中。由于复合材料零件的成型精度和加工精度远不及金属材料，为了确保部组件的整体精度，在生产实际中采用零件外形轮廓预留余量，装配后整体加工确保部组件的整体精度。由于采用近净尺寸成型的零件壁厚不稳定，并且零件外表面存在形状误差，需要在装配阶段根据零件的外表面误差和壁厚调整零件空间位姿。因此，急需一种针对零件外表面误差和壁厚余量偏差的装配位姿调整方法，确保零件装配后按名义轮廓加工的每个零件壁厚均满足设计要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于统一基准的多工位高效装配方法，采用激光跟踪仪测量组件加工坐标系基准点，以此作为装配基准点。装配前，测量零件加工面壁厚，与其设计指标比对，确定允许的加工量范围。除此之外，测量每个零件的外表面形状误差，通过两个零件配合面形状误差分析，计算零件的空间姿态，结合零件的壁厚允许加工量确定零件的空间姿态调整方案。最后，通过激光跟踪仪跟踪零件空间姿态，确保零件空间姿态与计算结果相一致。

采用本方法进行装配可确保零件一次装配后整体加工即可满足设计要求，避免了初定位测量加工余量后，二次调整零件的空间姿态带来的重复操作效率低下问题。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于统一基准的多工位高效装配方法，用于部组件的装配，所述部组件包括多个零件，将组成部组件外包络的零件表面作为零件底面，装配包括如下步骤：

S1、测量并确定每个零件的底面壁厚；

S2、根据底面壁厚设计尺寸确定每个零件底面壁厚的允许加工量；

S3、以部组件加工坐标系作为装配坐标系；

S4、在装配坐标系下，对每个零件，利用三个特征点表示空间坐标设计值；其中，三个特征点分别为该零件在装配坐标系下三个坐标轴方向上距离原点最远的点；

S5、每个零件，根据底面壁厚的允许加工量、空间坐标设计值，确定三个特征点的允许空间调整范围；该允许空间调整范围使得对部组件外包络进行整体加工后部组件外包络满足预设的外形轮廓精度且每个零件的底面壁加工量不超过允许加工量；

S6、利用所述允许空间调整范围，对多个零件的空间姿态进行调整，完成部组件装配。

上述基于统一基准的多工位高效装配方法，优选的，利用激光跟踪仪对每个零件的空间姿态进行监控，获取每个零件的空间位置。

上述基于统一基准的多工位高效装配方法，优选的，所述零件由复合材料制成。

上述基于统一基准的多工位高效装配方法，优选的，所述部组件的外包络为长方体。

上述基于统一基准的多工位高效装配方法，优选的，通过最小二乘法计算两个相邻零件配合面的最小二乘拟合平面，用于确定相邻零件的空间姿态旋转量，以及零件特征点的空间坐标值。

上述基于统一基准的多工位高效装配方法，优选的，通过三坐标测量仪，对每个零件外表面进行测量。

上述基于统一基准的多工位高效装配方法，优选的，首先计算相邻零件配合面的误差面，然后计算被装配零件的空间姿态调整量，以及零件特征点的空间坐标值。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明考虑了零件成型壁厚余量不足对装配工艺的影响，可在装配阶段对零件成型误差进行弥补，避免因零件成型误差对部组件精度造成影响；

(2)本发明考虑了零件成型过程中的形状误差对装配精度的影响，可在装配阶段对零件成型误差进行弥补；

(3)本发明考虑了零件成型过程中的微小凸起或凹陷对装配精度的影响，可在装配阶段对零件成型误差进行弥补。

附图说明

图1为环框组件示意图；

图2为加工工位与装配工位统一基准；

图3为每个盒形件的特征点示意图；

图4为面B1和面A2的形状误差最小二乘拟合面；

图5为#2零件旋转量；

图6为面B1和面A2表面凸起凹陷相对拟合面示意图；

图7为误差面；

图8为考虑凸起凹陷的零件偏转量。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

针对零件壁厚余量不稳定和零件外表面形状误差的问题，首先对每个零件的壁厚进行测量，结合零件的名义壁厚值，明确每个零件的允许加工量，除此之外，测量每个零件的外表面形状误差，通过两个零件配合面形状误差分析，计算零件的空间姿态，结合零件的壁厚允许加工范围确定零件的空间姿态调整方案。最后，通过激光跟踪仪跟踪零件空间姿态，确保零件空间姿态与计算结果相一致。所述部组件装配步骤如下：

步骤一，测量零件壁厚：

根据装配工艺方案，确定零件的加工面，并测量零件的加工面壁厚，记录零件的壁厚T；

步骤二，计算零件的允许加工量：

根据零件的壁厚设计尺寸t±△t，确定零件的允许加工量范围为[T-t-△t,T-t+△t]；

步骤三，建立装配坐标系：

以零件加工坐标系和坐标原点为装配的坐标系和坐标原点建立装配坐标系。采用激光跟踪仪采点装配工装上用来建立加工坐标系的测量点坐标，建立与加工坐标系基准统一的装配坐标系；

步骤四，测量待装配零件三个特征点的名义空间坐标值：

在三维数字模型中(如Catia、Pro/E软件)，测量零件上最远端三个特征点的名义空间坐标值并记录为A(ax，ay，az)、B(bx，by，bz)、C(cx，cy，cz)；

步骤五，确定待装配零件三个特征点的允许空间调整范围：

结合零件的具体壁厚值，确定零件装配允许的空间调整范围，需确保零件位姿调整后，零件的每个面相对于其名义位置的偏差均位于零件允许加工量范围内。步骤四中的三个特征点的允许调整范围为A(ax+△_ax，ay+△_ay，az+△_az)、B(bx+△_bx，by+△_by，bz+△_bz)、C(cx+△_cx，cy+△_cy，cz+△_cz)。对于平行于YOZ的面，零件的位姿调整范围为T-t-△t≤△_ax≤T-t+△t，且T-t-△t≤△_bx≤T-t+△t，且T-t-△t≤△_cx≤T-t+△t；对于平行于XOZ的面，零件的位姿调整范围为T-t-△t≤△_ay≤T-t+△t，且T-t-△t≤△_by≤T-t+△t，且T-t-△t≤△_cy≤T-t+△t；对于平行于XOY的面，零件的位姿调整范围为T-t-△t≤△_az≤T-t+△t，且T-t-△t≤△_bz≤T-t+△t，且T-t-△t≤△_cz≤T-t+△t。

步骤六，测量零件外表面形状误差：

通过三坐标测量仪，以一定且相同的采样频率对每个零件外表面进行测量。

步骤七，计算考虑配合面形状误差的零件装配空间姿态：

通过最小二乘法计算两个相邻零件配合面的最小二乘拟合平面，该平面与理论平面形成一定的夹角，进而使得相邻零件形成一定的空间姿态旋转。计算相邻零件的空间姿态旋转量，以及零件特征点的空间坐标值。

步骤八，计算考虑配合面微小凸起凹陷误差的零件装配空间姿态：

由于复合材料成型后零件表面存在微小的凸起或凹陷，这些缺陷对零件的装配姿态具有一定的影响作用。首先计算相邻零件配合面的误差面，然后计算被装配零件的空间姿态调整量，以及零件特征点的空间坐标值。

步骤九，判断零件特征点是否落在步骤六的允许调整范围内：

根据步骤八中计算的零件特征点空间坐标值和其允许调整范围，判断零件当前的空间姿态是否满足设计要求，如果不满足，进一步计算零件的平移调整量；

步骤十，装配固定一个零件：

以一个零件作为装配基准，使其固定。

步骤十一，装配固定一个相邻零件：

根据步骤九中明确的被装配零件的空间位姿调整范围，对零件的空间姿态进行调整，借助激光跟踪仪等测量仪器设备对零件的空间姿态进行监控，确保零件的位姿调整符合步骤六中明确的范围，并完成部组件装配。

以某个环形组件装配为例，说明基于统一基准的多工位装配方法。该环框组件的结构形式如图1所示，为8个盒形件组成的封闭环形结构。为了确保环形组件的外形轮廓精度，需要对每个盒形件底部进行整体加工，如果盒形件底部壁厚余量不足，将造成加工后盒形件壁厚超差，因此，需要在装配过程中根据每个盒形件的壁厚情况和零件配合面的形状误差情况调整盒形件的空间位姿，确保加工后每个盒形件的壁厚满足设计要求，具体实施方式如下：

步骤一，测量零件壁厚：

根据环框组件的结构特点和装配要求，需要对盒形件底面进行整体加工确保环框组件的整体外形轮廓精度，同时确保盒形件底面的壁厚。因此，需要对盒形件底面进行壁厚测量，壁厚值为：1号零件5.2mm，2号零件5.23mm，3号零件5.25mm，4号零件5.3mm，5号零件5.33mm，6号零件5.4mm；

步骤二，计算零件的允许加工量：

根据零件的壁厚设计尺寸≥5mm，确定零件的允许加工范围分别为：零件1的加工范围[0mm,0.2mm]，零件2的加工范围[0mm,0.23mm],零件3的加工范围[0mm,0.25mm],零件4的加工范围[0mm,0.3mm]，零件5的加工范围[0mm，0.33mm]，零件6的加工范围[0mm,0.4mm]；

步骤三，建立装配坐标系：

以零件加工坐标系和坐标原点为装配的坐标系和坐标原点建立装配坐标系，坐标系如图2所示；

步骤四，测量待装配零件三个特征点的名义空间坐标值：

在三维数字模型中，测量零件上最远端两个特征点(示例为二维结构，因此选择两个特征点)的名义空间坐标值，点位如图3所示，并记录如下：

零件#1：A1(-10,0,0)，B1(10,0,0)

零件#2：A2(10,0,0),B2(30,0,0)

零件#3：A3(-30,0,0)，B3(-10,0,0)

零件#4：A4(40,0,0)，B4(40,30，0)

零件#5：A5(-40,0,0)，B5(-40,30,0)

零件#6：A6(-20,30,0)，B6(20,30,0)；

步骤五，确定待装配零件三个特征点的允许空间调整范围：

结合零件的具体壁厚值，确定零件装配允许的空间调整范围，确保零件位姿调整后，零件的每个面相对于其名义位置的偏差均位于零件允许加工量范围内。步骤四中的两个特征点的允许调整范围如下：

零件#1：A1(-10,0+△_ay1,0)，B1(10,0+△_by1,0)，其中-0.2≤△_ay1≤0，-0.2≤△_by1≤0

零件#2：A2(10,0+△_ay2,0),B2(30,0+△_by2,0)，其中-0.23≤△_ay2≤0，-0.23≤△_by2≤0

零件#3：A3(-30,0+△_ay3,0)，B3(-10,0+△_by3,0)，其中-0.25≤△_ay3≤0，-0.25≤△_by3≤0

零件#4：A4(40+△_ax4,0,0)，B4(40+△_bx4,30，0)，其中0≤△_ax4≤0.3，0≤△_bx4≤0.3

零件#5：A5(-40+△_ax5,0,0)，B5(-40+△_bx5,30,0)，其中-0.33≤△_ax5≤0，-0.33≤△_bx5≤0

零件#6：A6(-20,30+△_ay6,0)，B6(20,30+△_by6,0)，其中0≤△_ay6≤0.4，0≤△_by6≤0.4

步骤六，测量零件外表面形状误差：

通过三坐标测量仪，以1mm为采样频率对面A1、B1、A2、B3进行测量。因在本案例中，面A3、B2与#5盒形件和#4盒形件的棱边接触，接触面积小，对零件的空间姿态影响不大，面A6、B6对同理；面A4、A5为外露面，无接触面，因此上述面无需测量。由于#2零件与#3零件原理相同，以#2零件装配为例进行说明。由于本案例为二维装配，面B1和面A2误差情况如表1所示。

表1

步骤七，计算考虑配合面形状误差的零件装配空间状态：

通过最小二乘法计算两个相邻零件配合面的最小二乘拟合平面，面B1的最小二乘面方程为y＝10.697x-107.29，面A2的最小二乘面方程为y＝-11.472x+114.04，见图4。

通过三角形勾股定理计算面B1和面A2分别与其理论面的夹角：

θ_B1＝0.55°，θ_A2＝0.53°

因此，当固定#1零件，以其为基准装配#2零件时，#2零件需要以点A2为基准顺时针旋转θ_B1+θ_A2＝1.08°，如图5所示。旋转后，点B2的y坐标为-20×sin(1.08°)＝-0.38

步骤八，计算考虑配合面微小凸起凹陷误差的零件装配空间姿态：

在步骤七中，将零件表面误差通过最小二乘拟合进行简化，没有考虑零件表面的微小凸起和凹陷误差。为了计算上述误差，首先计算图4中面B1(图4a)和面A2(图4b)上的测点距离各自最小二乘面的水平距离，如表2所示，正数表示该点向外凸起。将表2中对应测点进行加合，正数的点表示可能因表面凸起而接触的点，数值越大表示距离越近，如图6所示。由表2可知，数值最大的点是点6，为0.012638，即当两个面逐渐靠近时，点6最先接触。数值第二大的点为点5，为0.010704，穿过这两个点创建一个直线方程，其余9个点均位于该直线方程的左侧，说明这两个点为两个误差面的接触点，如图7所示。

表2

表2中的数据表示配合面相对于步骤七计算的拟合面的误差，结合步骤七中计算的面B1的最小二乘方程为y＝10.697x-107.29，通过11个点的y坐标0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10，可以反算出对应的x值如表3所示，通过叠加误差面相对拟合面的误差值得到误差面的x坐标，如表3所示。以表3中的点5(10.4145555,4)和点6(10.5099737,5)构建直线方程为y＝10.480203x-105.14666，通过计算可以得到，表3中除了点5和点6在直线方程上外，其余9个点均位于直线方程左侧，因此，点5和点6是面B1和面A2的接触点。

表3

#2零件从步骤七的状态到步骤八的状态，需要向右侧平移0.012638(点6的误差值)，并顺时针旋转一定角度。由前面分析，接触点为点5和点6，二者在B1面上的空间坐标为点5(10.045,4)，点6(10.056,5)，过该两点的直线相比面B1拟合面顺时针旋转了δ角，如图8所示。由于面B1相对理论位置仅偏转了0.55°，因此，面B1可近似为垂直面，因此，tanδ＝(x_点6-x_点5)/(y_点6-y_点5)，δ＝0.63°。即#2零件需要顺时针旋转0.63°，点B2的y坐标为-20×sin(1.08°+0.63°)＝-0.59。

步骤九，判断零件特征点是否落在步骤六的允许调整空间范围内：

从步骤五可知，点B2的y坐标允许调整范围为-0.23≤△_by2≤0，实际点B2的y坐标为-0.59，超出了其允许调整范围，在装配过程中，需要向y+方向平移0.36，才能确保#2零件壁厚不超差。按照步骤七到步骤九的过程，判断#3零件的A3坐标。

步骤十，装配固定一个零件：

以#1零件作为装配基准，使其固定。

步骤十一，装配固定一个相邻零件：

根据步骤九中明确的#2零件调整要求，将#2零件向y+方向平移0.36，借助激光跟踪仪等测量仪器设备对零件的空间姿态进行监控，并完成部组件装配。同理，开展#3零件的姿态调整。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于统一基准的多工位高效装配方法，用于部组件的装配，其特征在于，所述部组件包括多个零件，将组成部组件外包络的零件表面作为零件底面，首先计算相邻零件配合面的误差面，然后计算被装配零件的空间姿态调整量，以及零件特征点的空间坐标值；

装配包括如下步骤：

S1、测量并确定每个零件的底面壁厚；

S2、根据底面壁厚设计尺寸确定每个零件底面壁厚的允许加工量；

S3、以部组件加工坐标系作为装配坐标系；

S4、在装配坐标系下，对每个零件，利用三个特征点表示空间坐标设计值；其中，三个特征点分别为该零件在装配坐标系下三个坐标轴方向上距离原点最远的点；

S5、每个零件，根据底面壁厚的允许加工量、空间坐标设计值，确定三个特征点的允许空间调整范围；该允许空间调整范围使得对部组件外包络进行整体加工后部组件外包络满足预设的外形轮廓精度且每个零件的底面壁加工量不超过允许加工量；

S6、利用所述允许空间调整范围，对多个零件的空间姿态进行调整，完成部组件装配。

2.根据权利要求1所述的一种基于统一基准的多工位高效装配方法，其特征在于，利用激光跟踪仪对每个零件的空间姿态进行监控，获取每个零件的空间位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于统一基准的多工位高效装配方法，其特征在于，所述零件由复合材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种基于统一基准的多工位高效装配方法，其特征在于，所述部组件的外包络为长方体。

5.根据权利要求1所述的一种基于统一基准的多工位高效装配方法，其特征在于，通过最小二乘法计算两个相邻零件配合面的最小二乘拟合平面，用于确定相邻零件的空间姿态旋转量，以及零件特征点的空间坐标值。

6.根据权利要求5所述的一种基于统一基准的多工位高效装配方法，其特征在于，通过三坐标测量仪，对每个零件外表面进行测量。

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