鄒 群

（中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436）

1 引 言

ARJ21支線飛機是中國航空工業(yè)一項自主創(chuàng)新的大工程，委托主制造商——上海飛機制造廠（以下簡稱上飛廠）承接了解決“不設(shè)置機身/機翼預(yù)對接合臺”工裝型架的議題重任。

在沒有可靠的工裝前提下，用怎樣的測量技術(shù)保證ARJ21支線飛機的機身/機翼總裝協(xié)調(diào)呢？作者從2005年初起，進行了該數(shù)模測量技術(shù)課題的初始研究；隨著本課題的研發(fā)不斷縱深及取得的階段成果，現(xiàn)結(jié)合質(zhì)量工程專業(yè)理論知識，列出該項目試驗設(shè)計課題，通過系統(tǒng)地科學(xué)實驗對該創(chuàng)新技術(shù)在產(chǎn)品制造過程中的數(shù)模測量技術(shù)應(yīng)用作一個可靠性的論證。

2 無工裝定位數(shù)模測量技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)的產(chǎn)品零件組裝和總裝

傳統(tǒng)的產(chǎn)品零件組裝、總裝，都是由相應(yīng)的工裝型架定位、卡板夾具固定，來制孔、鉚接和檢測等。

2.2 無工裝定位數(shù)模測量技術(shù)

它是指放棄工裝型架或在產(chǎn)品上借用小的工裝（吊夾具）作為基準，運用激光跟蹤儀（簡稱SMART測量）直接在無工裝定位的情況下對產(chǎn)品進行檢測。

2.3 激光跟蹤儀測量基本原理

激光跟蹤測量儀是通過激光干涉測距和兩個高精度光柵編碼器（水平和垂直）實現(xiàn)對空間任意坐標點的三維測量，如圖1所示的LTD 500型激光跟蹤測量儀。

它有一套光束定位系統(tǒng)，通過接收反射光束——光靶的位移來控制伺服電機，使激光束跟蹤光靶（球頭）的移動，從而實現(xiàn)了自動跟蹤。

圖1 （水平和垂直）角度對空間任意坐標點的三維測量

3 數(shù)模測量技術(shù)試驗設(shè)計實施

根據(jù)質(zhì)量工程專業(yè)理論，一個新技術(shù)的研發(fā)初始階段或一個好的設(shè)計，可以通過少量試驗獲得較多的信息，以達到實用的目的?，F(xiàn)以波音生產(chǎn)線一工裝安裝平臺為例。

3.1 試驗的設(shè)計

試驗設(shè)計在原初步實驗的基礎(chǔ)上，有如下4個步驟：

（1）驗證測量基準點的誤差值。

（2）判斷影響測量基準點的元素。

（3）確定因子與水平：經(jīng)課題組人員考察，影響指標的因子主要是產(chǎn)品變形一個因子，且該因子在試驗中取兩個水平，即約束測量與自由測量兩個水平，見表1。

表1 因子水平表

（4）選用合適的正交表，進行表頭設(shè)計，列出試驗計劃：因考慮到試驗產(chǎn)品的特性，故該例中所考察的因子是二水平。

取6個TB孔測量點中最典型的a3測量基準點為方差分析數(shù)據(jù)，經(jīng)求和與均差值，填進該試驗數(shù)據(jù)表（見表2）。

表2 因子試驗數(shù)據(jù)表/英寸

3.2 試驗的記錄

有了試驗計劃后，就選擇時機按時進行試驗；在工裝型架固定（約束）和無工裝型架固定（自由）兩種不同的狀態(tài)下，采用激光跟蹤儀設(shè)備測量產(chǎn)品，將試驗結(jié)果記錄在對應(yīng)的試驗列號上，如設(shè)：約束測量第一次為a，第二次為2a；自由測量第一次為p，第二次為2p，第三次為3p。以便計算機能正確存儲記錄，為數(shù)據(jù)分析提供準確的原始值。試驗保證在同一人員、機器、環(huán)境條件下進行重復(fù)，以確保試驗的穩(wěn)定性。（注：激光跟蹤儀設(shè)備具體操作測量方法有說明書，不在此再作介紹）。

3.3 試驗的分析

3.3.1 計算論證

運用方差、標準差分析等數(shù)學(xué)模型進行計算論證。

方差計算公式：

式中：

ST——總離差平方和；

SA——因子平方和；

Se——誤差平方和；

r——總體；

m——樣本；

yij——試驗數(shù)據(jù)

在方差分析中，假定每一試驗是獨立進行的，其試驗條件下的試驗指標應(yīng)服從正態(tài)分布，則方差是相等的。兩水平的單因子對指標影響程度大小的分析，可對式（1）、式（2）、式（3）方差公式計算過程列成一張方差分析表，填入所有的計算結(jié)果，見表3方差分析計算表。

表3 方差分析計算表/mm

3.3.2 試驗結(jié)果

由統(tǒng)計技術(shù)中的方差分析得：當(dāng)F＞F1-α（FA.fe）時認為因子A在顯著性水平α上是顯著的，其中F1-α（FA.fe）是自由度為fA·fe的F分布的1-α分位數(shù)。F分布的分位數(shù)表可查閱質(zhì)量工程類書。該計算結(jié)果得出的結(jié)論是：

在顯著性水平 α=0.10 上，F(xiàn)0.9（1.3）=5.54，F(xiàn)=0.1788＜5.54，所以在顯著性水平α=0.10上測量誤差是非常微小的。試驗驗證了約束與自由測量基準點的誤差值數(shù)據(jù)是不顯著的。

又從測量學(xué)理論可知，測量不確定度顯示了被測體之值的分散性，是通過對測量過程的分析和評定得出的一個區(qū)間。為此，我們對兩次坐標基準點取點的測量數(shù)值進行了比較，再通過標準差計算，得出其測量不確定度也是非常小的（計算略），所以測量結(jié)果在置信區(qū)間。

由以上數(shù)值闡明，測量基準點的準確性要求在技術(shù)上是沒有一點余地可回旋的，這關(guān)系到產(chǎn)品的測量質(zhì)量精度。

4 數(shù)模測量技術(shù)試驗設(shè)計論證

測量基準點論證后，課題組又對產(chǎn)品外型面測量點作了對比分析。受生產(chǎn)進度、工作環(huán)境的限制，課題組從測試角度方便出發(fā)，選取了16個測量點，也分別進行了二次約束、三次自由的實驗，以論證試驗設(shè)計的實用正確性。

4.1 CATIA理論數(shù)據(jù)分析

由于LTD 500型激光跟蹤測量儀設(shè)備本身的局限，儀器無法對測試數(shù)值比較，必須要轉(zhuǎn)入計算機輔助設(shè)計（CATIA）數(shù)模，與數(shù)模的理論值進行分析后，才能得出結(jié)果。

4.2 實測值與理論值的比較

在CATIA理論數(shù)模中對實測數(shù)值作了分析驗證，并制作相應(yīng)的三維數(shù)模圖片（見圖2、圖3）。

這里的約束是指在有工裝型架固定的條件下，對產(chǎn)品進行測量。自由是指在無工裝型架固定的條件下，對產(chǎn)品進行測量；特別是自由的第三次測量，完全脫離工裝。上述的兩張圖片中，不管是約束測量，還是自由測量，出現(xiàn)的偏差基本是有規(guī)律的。均發(fā)生在翼尖部位，存在3～5個超差點，個別有6個點。如約束第一次測量中的p9、p11、p13點（圖2所示）；約束第二次測量中的 p9、p11、p13點；自由第一次測量中的 p9、p11、p12、p13點；自由第二次測量中的 p9、p11、p12點；自由第三次測量（完全放棄工裝狀態(tài)下）中的 p6、p8、p9、p11、p12、p13點（圖3所示）。當(dāng)然在完全放棄工裝狀態(tài)下，偏差值較大，說明了在翼尖處結(jié)構(gòu)處，由于機體剛性結(jié)構(gòu)較弱，應(yīng)力變形釋放較大。

圖2 外翼模擬實驗測量點記錄（約束測量Ⅰ）

圖3 外翼模擬實驗測量點記錄（自由狀態(tài)下第三次測量）

從圖片中產(chǎn)品測量點偏差值的位置與測量基準點的統(tǒng)計分析可知，試驗設(shè)計是科學(xué)的；特別是在放棄工裝型架的條件上，測量基準點的誤差與測出的產(chǎn)品型面完全滿足工程設(shè)計的公差精度標準。所以說該測量技術(shù)是在無工裝定位自由狀態(tài)下對產(chǎn)品測量，是最能真實反映產(chǎn)品的質(zhì)量，因此是一種非?？尚诺臏y量方法。

4.3 與工裝定位的數(shù)據(jù)比較

為了再次對無工裝定位數(shù)模測量技術(shù)可靠性的驗證，隨機抽取了波音平尾批量生產(chǎn)中定期檢測數(shù)據(jù)資料，對原來工裝定位狀態(tài)下測量的數(shù)據(jù)記錄做了篩選，取了7個測量點，見表4，與試驗設(shè)計實驗的數(shù)據(jù)記錄作了對比，并在計算機里重新制作了一張圖片（圖略）。雖然所測點的位置不在同一個部位，但偏差大的數(shù)值基本在一個區(qū)域內(nèi)，且超差數(shù)值也大同小異，即數(shù)模所測得的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與工裝定位的產(chǎn)品數(shù)據(jù)是一致的。這更進一步論證了無工裝定位數(shù)模測量技術(shù)是成功的。

表4 波音平尾外型測量數(shù)據(jù)表/英寸

表4中列出的X、Y、Z是三維實測點，實測點到設(shè)計理論外型面的距離值稱為分析值（因為是球頭測量，得到的是球心坐標）。分析值在CATIA數(shù)模里通過分析菜單得到，但要減去球頭半徑值0.25″，才是真實的產(chǎn)品型面的實測數(shù)值。

從上述的計算數(shù)據(jù)說明，試驗結(jié)果是令人滿意的，也證明了試驗設(shè)計的方案是正確的。

5 數(shù)模測量技術(shù)試驗設(shè)計成果

5.1 實驗成果

2005年8月，項目課題組在原測量方案認定的基礎(chǔ)上，借用了波音平尾產(chǎn)品工裝，根據(jù)新設(shè)置的測量基準點對平尾產(chǎn)品外型進行了模擬測量（約束/自由狀態(tài)）。得到了可喜的成果：

（1）試驗驗證了無工裝定位測量技術(shù)是一種快捷簡便、經(jīng)濟實用、確實可行的方法，其測量坐標基準點的偏差一般不超過0.07 mm（0.0028″）；最大不超過0.081mm（0.0032″），檢測誤差是完全能滿足工程圖紙設(shè)計標準的要求。

（2）計算機數(shù)模分析結(jié)論：在無工裝定位的條件下，約束與自由狀態(tài)下所測量的外型數(shù)據(jù)進行了對比（對比分析數(shù)據(jù)見圖2），被測點的數(shù)值基本是一致的。而且又與有工裝定位的條件下外型測量數(shù)據(jù)作了比對，被測點的數(shù)值基本也是一致的。

（3）通過對產(chǎn)品實測值與理論值數(shù)據(jù)對比分析，兩者測量的平尾翼根區(qū)域數(shù)值均在公差范圍內(nèi)。僅發(fā)現(xiàn)在近翼尖部位有3～5個點存在超差，最大超差值為2.4mm（0.094″）（超差值的換算按中航商用公司112GD-001文件中的規(guī)定所得）。據(jù)ARJ 21-700項目現(xiàn)有資料查閱，ARJ 21-700飛機的單側(cè)機翼（外翼）的翼尖水平測量容差為12mm。按比例測算，用無工裝定位數(shù)模測量技術(shù)檢測，外翼翼尖部位外型的最大偏差不會超過6～8mm。

（4）超差的原因：主要是平尾結(jié)構(gòu)的翼尖部位剛性較弱、鉚接變形及內(nèi)部應(yīng)變等引起。

5.2 專利產(chǎn)權(quán)

經(jīng)過一系列的有序?qū)嶒?，科學(xué)論證和詳細規(guī)劃，并進行精確的成本測算與效益分析，認為數(shù)模測量基準的確定、正確合理選取，是該課題最最重要的攻關(guān)難題。解決了這個問題，其他一切就迎刃而解。課組在此基點上，為保護知識產(chǎn)權(quán)，將申請“無工裝定位數(shù)模測量技術(shù)”專利權(quán)。具體專利內(nèi)容是：選取適當(dāng)?shù)臄?shù)模測量基準，借用制造工裝基準或所測產(chǎn)品的設(shè)定基準，就能有效地保證無工裝定位該新技術(shù)的實施，這是該試驗設(shè)計的科研成果。

5.3 成果運用

現(xiàn)課題組正在按ARJ 21項目進度節(jié)點作技術(shù)準備，已于2007年3月，模擬機身與機翼預(yù)對接的姿態(tài)，對外翼一號肋外型面及主起交點位置進行測量，將試驗設(shè)計成果作了一次正式亮相和確認，從而在不設(shè)置機身/機翼預(yù)對接合臺工裝型架狀態(tài)下，一次成功地保證機身機翼裝配協(xié)調(diào)。2007年5月初，某飛機制造公司機翼裝配廠應(yīng)用上飛廠提供的該項測控技術(shù)方案，對01架外翼產(chǎn)品進行了專項測量，其基準點的轉(zhuǎn)換精度達到了工裝設(shè)計的要求；2007年11月、12月，又分別對103架和02架外翼產(chǎn)品進行了測控；現(xiàn)場實測數(shù)值經(jīng)過了計算機數(shù)據(jù)分析，課題組于今年1月完成了數(shù)據(jù)分析結(jié)果報告，這項專利在生產(chǎn)一線得到了實質(zhì)性的認證?，F(xiàn)正等待有關(guān)專家到現(xiàn)場做測控技術(shù)評定與知識產(chǎn)權(quán)評估。

ARJ 21-700飛機是中國獨立自主設(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)項目，是一個系統(tǒng)工程，該項目在研制中有許多技術(shù)需要創(chuàng)新、開發(fā)。無工裝定位數(shù)模測量技術(shù)的前景大有探索發(fā)展與運用，比如對ARJ 21-700全機的外型測量（替代水準儀的測量方式），運用數(shù)臺激光跟蹤儀同時對零組件、部件的定位安裝，或用于關(guān)重零件產(chǎn)品的外型測量等。

6 結(jié)束語

無工裝定位數(shù)模測量技術(shù)在國內(nèi)剛剛起步，國際上也初見端倪。它的研發(fā)對傳統(tǒng)的工裝技術(shù)是一次挑戰(zhàn)，是一次革命，其普及運用不僅對航空航天工業(yè)更是對工裝制造業(yè)有一定意義。

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