曲面天線現(xiàn)場裝配工藝優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)場裝配尺寸精度控制是雙彎曲反射面天線設(shè)計性能能否實現(xiàn)的關(guān)鍵問題。天線反射面由大量的金屬薄壁件在臥式工裝上鉚接裝配而成。在鉚接后，天線反射面經(jīng)過臥立轉(zhuǎn)換保持立式工作狀態(tài)。鉚接裝配和臥立轉(zhuǎn)換后的誤差超差（即超出允許范圍），往往導(dǎo)致反復(fù)的天線裝配與坐標測量，甚至整個產(chǎn)品廢棄?？焖俚墓に図憫?yīng)和裝配成本控制，亟需一種快速、高精度的面向鉚接工藝的尺寸誤差算法，以提高數(shù)千鉚釘連接的大尺寸天線薄壁部件的裝配精度。本文針對國內(nèi)外現(xiàn)有方法不足以完成天線部

2、件裝配誤差超差故障的系統(tǒng)建模以及不足以建立零件定位誤差、零件重力、局部鉚接變形、臥立轉(zhuǎn)換對全局誤差定量關(guān)系的問題，綜合運動學公式、靜力學有限元法、動力學有限元法等數(shù)值、解析和邏輯代數(shù)方法，立足于曲面天線薄壁大件的現(xiàn)場裝配工藝，提出了天線裝配系統(tǒng)及故障分析建模的裝配鏈路和邏輯代數(shù)方法、三維彈性裝配尺寸誤差算法、“局部-整體”鉚接裝配尺寸誤差算法和天線裝配工藝優(yōu)化方法，揭示了誤差源對全局誤差的影響規(guī)律以及工藝優(yōu)化方法性能，開發(fā)了裝配尺寸精度

3、計算與工藝優(yōu)化軟件。
　　主要研究成果如下。
　　1.根據(jù)天線零件空間分布特點和動靜態(tài)故障分析的關(guān)鍵元素，分別提出了天線裝配體的分解策略和系統(tǒng)故障分析的代數(shù)方法。統(tǒng)一了剛性、彈性尺寸偏移的表達式。根據(jù)天線零件裝配順序和空間分布，提出了裝配序列和并行鏈路分解方法，實現(xiàn)了復(fù)雜裝配體的快速分解。規(guī)定事件可組成邏輯體，并采用三元素變量數(shù)組表示。第一個元素為變量的布爾狀態(tài)，第二個是當前布爾狀態(tài)的持續(xù)時間，第三個是觸發(fā)當前布爾狀態(tài)的概率

4、，采用布爾狀態(tài)表示該變量數(shù)組取值。據(jù)此通過序列、同時、析取、與運算符，可將兩變量邏輯體表示成一個時間或混合運算。這一運算的基本性質(zhì)，包括優(yōu)先運算、冪等、交換、結(jié)合、吸收和分配律?？焖俚亟⒉⒒喠颂炀€裝配等靜、動態(tài)系統(tǒng)故障的代數(shù)表達式和失效概率表達式。算例驗證了方法的簡捷程度。
　　2.采用運動學解析公式和靜力學有限元法，提出了基于裝配鏈路的三維彈性裝配尺寸誤差算法。首先規(guī)定零件間定位誤差引起的剛性位移量和過定位變形、重力引起的結(jié)

5、構(gòu)變形滿足線性疊加關(guān)系。然后采用有限元網(wǎng)格表示裝配體;對不同零件的網(wǎng)格節(jié)點分組編號，以區(qū)分不同的零件;在每一個零件網(wǎng)格接觸面附近，選擇三個不共線的節(jié)點，用于設(shè)置零件間的定位誤差。代入各接觸面上的定位誤差，采用“微小尺寸偏移近似為速度”的運動學解析公式，提出剛性位移計算方法，可用于修改裝配鏈路中的當前接觸面后面的零件網(wǎng)格節(jié)點坐標。采用靜力學有限元法，計算過定位變形和重力變形，可用于修改相應(yīng)的零件網(wǎng)格節(jié)點坐標。集成了剛性位移計算方法和有限元

6、法，率先提出了三維彈性裝配尺寸誤差算法。并行裝配體的仿真和試驗結(jié)果，驗證了方法的精度。
　　3.綜合動力學、靜力學有限元法和數(shù)值插值法，提出了“局部-整體”鉚接裝配尺寸誤差算法。首先根據(jù)曲面天線鉚接工藝參數(shù)，采用動力學有限元法和試驗驗證了鉚釘孔周變形表征鉚接工藝的合理性，提出了鉚接固有應(yīng)變庫的概念和使用方法。采用靜力學有限元模型來表示全局裝配體，并記錄裝配體靜力學有限元模型中各個鉚釘孔及其節(jié)點。基于上述固有應(yīng)變數(shù)據(jù)，采用數(shù)值插值法

7、和一組迭代的有限元計算，提出了“局部-整體”尺寸誤差算法，彌補了多鉚釘鉚接裝配誤差算法的空缺。集成了三維彈性裝配尺寸誤差算法和“局部-整體”鉚接裝配誤差算法，建立起“鉚接工藝參數(shù)、零件重力、零件間匹配間隙”這三類因素與全局尺寸誤差的定量關(guān)系，并完成了并行裝配體的試驗和仿真。研究結(jié)果驗證了方法的計算效率和精度。
　　4.集成遺傳、蟻群優(yōu)化算法和所提誤差算法，提出了天線裝配工藝優(yōu)化方法。首先分析了上千鉚釘連接的天線裝配體總體工藝和局部

8、鉚接工藝，基于鉚釘分組方法和“局部-整體”鉚接裝配誤差算法，以裝配體上輪廓的關(guān)鍵點的位移均方根為目標，采用遺傳算法和蟻群算法集成出同步優(yōu)化和分步優(yōu)化模式。1093個鉚釘連接裝配體的仿真分析，驗證了分步優(yōu)化的效率和可行性。結(jié)果表明:鉚釘鐓粗方向和裝配順序均是全局誤差的主要影響因素;所提方法可以有效地優(yōu)化數(shù)千鉚釘連接裝配體的具體工藝參數(shù);高效率的仿真計算應(yīng)優(yōu)先優(yōu)化鉚釘鐓粗方向。最終完成了48個鉚釘連接裝配體的工藝優(yōu)化仿真和試驗，結(jié)果驗證了方

9、法的優(yōu)化效果。
　　5.基于所提誤差算法和工藝優(yōu)化方法，以并行裝配體、天線部件等裝配體為對象，研究了定位誤差、結(jié)構(gòu)重力、鉚接工藝和臥立轉(zhuǎn)換約束對全局誤差和工藝優(yōu)化性能的作用規(guī)律。采用1093個鉚釘連接裝配體的工藝優(yōu)化結(jié)果和常規(guī)裝配工藝，完成了兩組試驗件的現(xiàn)場裝配誤差測量。兩組試驗件的誤差均方根在鉚接前后的改變量揭示出:優(yōu)化后的工藝參數(shù)可更多的抵消定位誤差所引起的均方根。同時從全文仿真試驗結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)了在定位誤差、工藝參數(shù)、重力的作