机翼壁板成型延展测量及数据处理分析

阳波，赖丽珍，陈金平，王俊蓉，韩强儒

(中航飞机股份有限公司 西安飞机分公司，陕西 西安 710089)

0 引言

随着数字化制造技术水平的提升，新技术、新工艺已经在航空、航天领域广泛应用。机翼壁板加工成形过程是一种复杂的延展变形，由于现有的工艺方法、加工环境等因素，会导致最终成型的壁板具有延展误差，且该误差随机性大。为了补偿该延展误差，满足机翼装配容差要求，需要依据实际壁板成型后的延展变形数据进行分析，建立大尺寸、复杂结构机翼壁板零件成型延展变化趋势。

1 机翼壁板测量方法

目前航空制造企业对零件的检测方法主要是模拟量传递检测，对于尺寸较小的零件主要是依据样板进行检测，对于尺寸较大的零件主要依据模线PCM明胶图进行尺寸轮廓检测[1]，这种传统的模拟量传递检测有很大的弊端：检测精度不高、人为因素影响大、检测效率低下。而一块机翼壁板沿展向尺寸往往在4 m×10 m 以上，鉴于PCM原材料及绘制PCM明胶图的设备要求，最大只能绘制1.2 m×5 m范围的图形，故一块机翼壁板需要绘制多张明胶图并进行拼接对合才能实现检测。由于PCM材料的特殊性，制造成本为1 200元/m2，而且对储存环境、温度有较高要求，在工程中仅能使用一次，增加了飞机研制成本。

近年来新技术飞速发展，对于大尺寸、结构复杂的零件则采用激光测量技术[2]。依据检验工装测量壁板延展量，如图1所示，为了数据测量方便，分别在理论工艺壁板数模和工装沿长度方向上钻制2个测量基准孔，通过调整壁板放置姿态，尽量保证成型后壁板上基准孔和工装基准孔沿长度方向重合。在壁板数控时，刻画出长桁轴线、肋轴线，壁板在工装平台放置状态下利用激光测量仪测量成型后壁板每个肋、长桁处轮廓和肋位位置。

图1 机翼壁板延展测量平台

考虑到壁板尺寸大、空间结构复杂、数据测量量大、精度难以保证的技术难点。受到设备测量距离的限制，必须将测量系统多次转站定位[3],才能完成对大尺寸壁板零件的测量，如图2所示。转站过程可视为坐标转换的过程[4]。因此，在不同转站过程中需要建立不同的坐标系，将不同坐标系下的测量点进行变换到统一坐标系下进行处理分析，最终将测量数据转换到基准点坐标系下，从而达到保证测量精度的目的。

图2 机翼壁板转站定位测量示意图

对于壁板零件需要建立3个测量站点，以测量1站点为起始测量调试坐标，假设机翼壁板上测量点B在测量1站点的坐标为(x1，y1，z1)，在测量2站点的坐标为(x2，y2，z2)，测量1站点到测量2站点的平移参数为(X，Y，Z)，绕3个坐标轴对应的旋转参数为(αx12，βy12，γz12)。坐标系的变换可以由上述6个参数确定。按照矩阵表示方法可以为：

式中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3是3个角度旋转参数的函数，依据空间坐标欧拉公式变换可以得到：

式中：α、β、γ为测量1站点坐标系到测量2站点坐标系绕对应轴旋转的角度值。

依次对所有测量点进行坐标转换到基准坐标系下的坐标值，从而确定各个测量目标点之间的位置关系。因壁板尺寸大，测量数据多，部分轮廓和肋位的坐标值如表1所示。

表1 基准坐标系下部分测量点坐标值

2 测量数据处理分析

将上述表格坐标值输入到壁板设计数模坐标系下，数据输入方式可以采用VB编程、手工输入、点云转换输入等方式。根据多架份机翼壁板进行测量求取平均值，比对计算理论与实际轮廓和肋位之间的差值，理论与实际轮廓的差值为壁板前后缘的每个肋位的变形数据，如表2所示。(注：展向理论长度是基于基准坐标系测量，偏移值为+，表示比理论值长，-表示比理论值短。)

表2 展、弦向理论偏移值

对测量数据分析，剔除明显错误的数据，采用线性最小二乘法[5]对壁板各肋位的展、弦向延展值进行拟合，拟合得到数据走势的二次曲线，对离散的点数据进行连续性显示，如图3所示。

图3 机翼壁板延展数据分析示意图

将壁板肋位沿长度方向的长度尺寸代入拟合的二次曲线方程中，得出每个肋、长桁的趋势偏移值。

壁板延展方向可以归结为沿展向、弦向2个方向的延展，如图4所示，其定义为：

其中Ti,j为转置矩阵，其表达式为：

式中：

Lu,i——在第i个肋位展向的延展量；

Lv,i——在第i个肋位弦向的延展量；

Lt,i,j——在第i个肋位沿壁板边缘切线延展量；

Lf,i,j——在第i个肋位沿壁板边缘法线延展量；

θi,j——在第i个肋位壁板边缘与长桁轴线的夹角；

i=1,2,…,n，n表示壁板总的肋位数；

j=1,2，其中1表示后缘，2表示前缘。

图4 延展变形数据转化示意图

3 模型修正

通过数据分析得到了壁板沿展向、弦向各肋位处延展偏移量，对每个肋位之间的模型进行修型处理，也就是匹配修型前参考曲线(点)和修型后重构离散点拟合对应目标曲线(点)[6]。达到对每肋位之间壁板模型曲面的修型，如图5所示。最后叠加、缝合、优化整个壁板模型，得到壁板补偿数模。壁板成形较复杂，不确定性较大，所以壁板修行是一个迭代的过程，通过多架次验证，最终达到满足装配容差要求的壁板补偿数模。

图5 壁板延展变形补偿原理示意图

在CATIA模型中构建偏移控制点，以长桁轴线、肋轴线为控制线，为了放置补偿过程曲面变形，有必要构建最小包络实体的控制矩形，通过偏移一定距离得到零件上方的控制点、控制线，用渐变变形命令构建补偿模型，如图6所示。

图6 壁板数模分段补偿过程图

4 结语

运用激光测量机对机翼壁板放置在工装平台状态下进行测量，得出机翼壁板大尺寸零件在成型工艺中产生的塑性变形规律。通过逆向迭代对产品工艺数模进行修正，使最终成型机翼壁板零件符合装配容差设计要求，实现模拟量传递检测到数字化检测的演变。

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