基于关键特征点坐标链的复杂结构公差设计和装配协调分析

For aircraft, automobile and other complex structure assembly design and quality control,this project,using concept of the key characteristics, put forward to an idea which regards basic geometric units "points" of the complex structure as the key characteristics and control object,on this basis,a new design theory and method of complex structure assembly coordination analysis and tolerance design is proposed based on key characteristic points coordinate chain. This project aims to establishment of decomposition and transfer mechanism of key characteristic points in the manufacturing process; establishment and solution to coordinate chain equation based on key characteristic points; digital measurement and evaluation of key characteristic points; coordination analysis and tolerance design of matching assembly,joint assembly and their comprehension. The error coordinate chain equation of key characteristic points,instead of error dimension chain equation,can effectively solve the problem that three-dimensional model of the complex structure cannot establish explicit error chain equation for tolerance design,at the same time as the control objects (characteristic points) down to the smallest geometric size, thereby a more fine control of the complex structure assembly quality stability is realized.This project improve greatly the traditional tolerance design for complex structure based on the error dimension chain equation,so it provides a new perspective and mechanism for assembly coordination analysis and tolerance design, and has wide application prospect.

面向飞机、汽车等复杂结构的装配设计和质量控制，本项目借助关键特性的概念，提出以复杂结构最基本的几何单元"点"为关键特性并作为控制对象的理念，在此基础上提出一套全新的基于关键特性点坐标链的复杂结构装配协调分析和公差设计理论与方法。本项目拟建立关键特性点在制造过程中的分解和传递机制；建立并解算以关键特性点为基础的坐标链方程；开展关键特性点的数字化测量与评估；攻克配合性匹配装配、接合性装配以及两者综合的协调分析和公差设计。以关键特性点误差坐标链方程代替误差尺寸链方程，可以有效解决复杂结构三维模型因不能建立显式的误差尺寸链方程而难以进行公差设计的难题，同时由于将控制对象关键特征点降到了最小的几何粒度，从而可以实现复杂结构装配质量稳定性更精细的控制。本项目发展了以误差尺寸链方程为基础的传统公差设计方法，为复杂结构的装配协调分析和公差设计提供一种新的视角和机制，具有广阔的应用前景。

装配协调与公差分配理论和技术是保证飞机、汽车等复杂产品装配准确度，提升其产品质量的关键，为应对当前复杂产品设计-加工-装配-测量一体化趋势，克服传统的基于尺寸量的装配协调与公差分配技术不足，本项目提出并研究了一套全新的基于关键特性点坐标链的复杂结构数字化装配协调分析和公差设计理论与方法。项目主要开展了基于关键特性点的装配公差建模方法、关键特性点的数字化测量与评估、基于关键特性点的装配匹配模型三方面研究，搭建了复杂结构装配协调与公差分配软件环境以及装配、测量综合实验环境，对上述理论进行了实验验证，通过国产ARJ21-700大型飞机机身筒段装配公差分配、翼身对接装配等多个型号实际应用进一步验证了所提技术合理性。在复杂结构装配公差建模方面，首次提出利用齐次坐标变换（HCT）及蒙特卡洛方法（MCM）分配关键特性点的坐标公差，通过某型飞机机身段装配公差分配应用，表明了该方法比传统尺寸量分析方法更能适应数字化测量手段的需要，公差的可控制性和可检测性更高。在关键特性点数字化测量方面，针对复杂结构装配现场普遍存在的公共基准点超差问题，提出基于拟准检定法的公共基准点超差检测方法，对公共基准点坐标进行修正，研究表明修正后基准点粗差可降低70%以上。另外本项目提出一种视觉引导的辅助测量技术（VGAM），减少复杂结构关键特性点测量中的人工操作，应用表明该技术可将激光跟踪仪等测量效率提高30%以上。在装配匹配模型方面，针对复杂结构位姿准确度要求、配合准确度要求，分别建立位姿关键特性点最小二乘拟合模型以及配合关键特性点约束迭代最近点（CN-ICP）偏置匹配模型，计算复杂结构装配协调空间最佳装配位姿参数并赋予装配执行机构。该方法应用于ARJ21-700翼身对接装配中，将机翼、机身最大配合间隙（MFC）从最初的大于2mm缩小为约0.46mm，实现了复杂结构的装配配合优化。本项目所研究的理论、方法与技术对飞机、汽车等复杂产品装配公差分配、过程测量、装配优化等相关理论研究、应用均具有重要的借鉴意义。