飞机制造中的尺寸管理和容差仿真分析技术

飞机制造中的尺寸管理和容差仿真分析技术
飞机制造中的大量的尺寸互换协调问题直接影响到飞机的装配质量、研制周期和生产成本。

传统的互换能力和协调准确度在很大程度上由各种生产工艺装备和手工修配来保障[1]。

当今市场对飞机产品需求的多样性和急迫性要求生产厂家缩短研制周期并增加生产柔性，这对传统方法提出了极大挑战，在更为复杂的大飞机产品上尤为突出。

现代飞机制造越来越需要依靠贯穿产品设计、工艺设计和产品制造装配过程的尺寸管理，通过前期的优化设计来减少后期对制造协调以及昂贵工装的需求。

如今先进的三维容差仿真分析技术（Variation Simulation Analysis，简称VSA）结合高精度计算机数控（Computer Numerical Control，简称CNC）加工和检测手段以及生产过程中的智能统计过程控制（Statistical Process Control，简称SPC）技术促使数字化尺寸管理技术迅速发展并日益成熟。

尺寸管理（Dimensional Management，DM）是一种结合三维尺寸链仿真优化和数字化检测控制两项关键技术进行产品开发全过程质量控制的一种工程方法和手段，通过偏差波动控制和“稳健性设计”（Robust Design）来提升产品尺寸质量和降低生产成本。

在传统设计中，产品工程师在图纸发放之前凭经验、猜测或简单的公差叠算在图纸上标注好公差和容差要求，再交由后续工艺和制造工程师进行协调。

现代的尺寸管理则是一个以设计预防为主、测量反馈为控制手段的同步工程，通过确保所有与产品相关的零部件、工艺、规划、工装以及人员之间密切协同，有效地管理和跟踪质量控制过程中的各项内容和信息。

在设计阶段对装配定位特征和基准策略进行仿真优化，在工艺阶段致力于设计出能够尽量吸收装配偏差的装配协调方法，力求通过装配仿真和虚拟现实技术等数字化手段在研制过程中尽早完成大多数的设计验证和优化，并对制造全过程进行有效的质量监控和管理。

尺寸管理旨在确保产品满足功能、装配、外观设计要求。

在飞机制造中，现代尺寸管理技术最早于1992年下半年被波音公司首次正式应用。

当时波音公司打算在B737改型项目中机身和吊架装配工艺上尝试“决定性装配”工艺（Determinant Assembly，简称DA）来减少定位工装。

所谓DA工艺即是将零件设计成按预先定义的界面，通过关键几何特征（如DA孔）进行制造和装配，而不再需要定位工具或复杂的测量和调整工艺，从而简化装配现场（图1），降低成本，缩短生产准备周期[2]。

DA的关键是在工程数字化设计阶段用尺寸管理方法和VSA技术对零件和组件的容差设计方案（如DA孔和零时紧固件的尺寸公差、钻铆工艺能力等）进行仿真验证并实现标准化，然后在制造阶段借助高精度数控机床来保障制造和装配精度。

所以说DM是DA的前提和验证手段[3]。

在这次尝试中波音公司管理层意识到尺寸管理必须归口产品工程部门而非制造部门并作了相应的机构调整。

DM和DA技术随后又被陆续推广应用到波音B777、B737、B747等机型的军用和民用改型上，取得了不错的实施效果。

其中在1997年上半年，当时的B737 NG机型在进行试飞科目和适航认证时被欧洲联合航空局（JAA）以安全理由拒发型号合格证，理由是其B737-800机翼上方的应急门的设计无法保证所
有乘客在飞机事故中迅速逃离。

为了满足JAA对逃生时间的要求，并同时避免因工厂停工而将造成的巨大经济损失，波音公司必须迅速调整机身和该应急门的设计以实现新舱门在紧急情况下可以完全自动打开并保持和机身的连接，避免乘客需要费力打开再抛丢该插入式舱门[4]。

此舱门后来被称为“自展式翼上应急门”（Automatic Overwing Exit Door，简称AOED），如图2所示，属3类（Type III）舱门（成飞公司现参与制造供货）。

由于时间紧迫不允许后续的设变、报废和修配，新设计必须一次成功，用DM和DA技术来解决舱门装配工艺和门锁机构的容差问题变得至关重要。

整个工作持续了大半年，取得极大成功，该AOED门是第一个获得99.98%机身舱门互换性测试通过率的批产商用飞机增压舱门。

波音事后对该项DM工作进行了正式的财务分析，预测5年的成本节省将超过1.65亿美金，而事实上由于后来市场对该机型的需求大大超过预测，AOED的DM项目如今已带来了包括成本节省和产值增加在内超过10亿美金的经济效益，波音公司也因此决定今后所有新项目都要广泛使用DM和DA技术，包括后来的Y2（B787）项目，以及现在的B787-9和B737 MAX机型。

此外，欧洲空客的A340-600和A380机型以及现在的A350-1000机型在研制过程中也都陆续尝试应用了这些DM和DA技术[5]。

容差分析也被称为公差分析、偏差分析、尺寸链分析等，是设计阶段尺寸管理的一个重要工具和手段。

容差分析通过数理统计的计算方法来分析和评估装配尺寸链中零部件的制造偏差和工艺偏差如何影响产品的“关键产品特性”（Key Product Characteristics，简称KPC，如舱门和机身之间的阶差和缝隙），从而建立起KPC和影响KPC的各种产品特征（Product Feature，简称PF）的转换函数：KPC = f (PF1, PF2, …PFn, APV)，也称作尺寸链装配函数。

容差分析可帮助产品和工艺设计人员分析和评估零部件、工艺和工装是否满足设计目标，从而通过优化设计来确保最终的产品制造质量。

传统的容差分析方法有若干种公差叠加计算，其缺点是手工计算繁杂、无法考虑三维因素、计算结果不准确。

先进的三维容差仿真分析（VSA）技术通过仿真产品的制造装配过程来预测产品的尺寸质量和偏差源贡献因子，判断某阶段的设计是否能够满足尺寸设计要求，并给出可能的整改方案，很好地弥补了传统方法的不足，有效地支持了设计面向制造和装（Design for Manufacturing and Assembly，简称DFMA）理念在实际产品研制中的应用。

Tecnomatix VATM [6] （简称VA）是一款由西门子工业软件公司开发的应用较为广泛的三维VSA软件，在上述AOED等项目中表现出色，并在用户的要求和协助下开发出了一系列针对飞机制造工艺特点的装配
和计算功能（如复合材料厚度公差），形成飞机制造工具包。

具体讲，VA软件通过建立产品和安装工艺的三维虚拟装配接触链模型来自动确立产品的尺寸链装配函数，通过统计仿真计算来分析和优化产品的容差方案和定位装配工艺，确认对产品KPC质量有重要影响的零部件几何特征，即偏差源贡献因子，作为在制造阶段必须重点监控保障的关键控制特性（Key Control Characteristics，简称KCC，如DA孔的尺寸公差）。

VA的输入包括：（1）产品数据，如3D数模、定位基准方案、公差标注和材料特性等；（2）工艺数据，如BOM（产品结构树/顺序）、BOP（工艺方法/操作）、BOR（制造资源和工装等）、KPC 质量要求和工艺能力知识等。

VA的输出则包括KPC的仿真结果和KCC贡献因子报告（图3）。

VA模型可以在零部件和工装制造之前就预测出在后续的制造和装配阶段是否会出现尺寸容差问题。

工程设计人员可以通过VA模型的仿真结果和贡献因子排列在数字化产品和工艺并行设计阶段就对产品的设计、公差、工艺和测量计划进行优化，帮助减少制造和装配偏差对产品质量的影响。

作为目前市场上唯一能够真正用三维几何特征来建模并严格根据几何尺寸和形位工差标准（Geometric Dimensioning & Tolerancing，简称GD&T）来仿真计算三维公差带的VSA软件，VA由于其先进的算法和功能性以及良好的使用性，在飞机产品研制中已得到了广泛深入的应用，目前已存在的模型和应用包括飞机主要装配件对接仿真分析（机身断面对接，机翼与机身对接，驾驶舱，引擎安装对准，总装）、空气动力学需求分析（门组件与周边外蒙皮间的缝隙与阶差）、操控中的运动学系统分析（可移动的飞行控制面，门板锁系统运转间隙，起落架与轮胎功能及运转间隙）、子总成制造与应力需求分析（装配顺序优化，局部互换性单元安装，座椅运动轨道调节，机翼装配）、设计与制造两个环节的成本平衡研究（零部件之间的DA安装和使用工装夹具装配的权衡、门控系统与调节，机械系统调节）等。

此外，VA软件还有两个非常显著的特点：（1）其模型是基于ISO国际标准的轻量化三维数模JT格式[7]，一方面兼容多CAD平台，另一方面可以快速仿真诸如整机类大型装配而无需高端硬件；（2）具备公差库插入功能，一方面可以快速自动更新尺寸模型，另一方面便于企业积累形成核心的DM和DA知识知识库（图4）。

结语
由先进的VSA、CNC和SPC技术所构成的现代数字化尺寸管理（DM）有可能革命性地提升产品工程和制造之间的紧密协同，并形成单一数据源的数字化尺寸协调闭环体系。

这种闭环体系将大大减少飞机研制过程中的工程设变、报废、和修配工作，从而提升制造厂商的产品质量和经济效益，同时也会显著减少飞机制造中常见的研制周期的波动和不可预见性。

决定性装配（DA）工艺已被实践证明能够极大地减少飞机制造过程中的工艺装备，进而降低成本并缩短生产准备周期。

VSA是设计阶段尺寸管理的一个重要工具和手段，能够在工程数字化设计阶段对零件和组件的容差设计方案进行仿真验证并实现标准化，是实施DA 工艺的技术前提和验证手段。