一种基于数字量的导管安装误差建模和补偿方法
技术领域
本发明涉及一种误差建模和补偿方法，具体涉及一种基于数字量的导管安装误差建模和补偿方法。
背景技术
目前国内外飞机中导管作为主要零件，大量应用在航空发动机到机身液压、环控、燃油系统等关键部位，其安装质量严重影响着飞机性能和安全。但目前国内外导管均存在不同程度渗漏的情况。
导管装配误差是引起导管质量问题的关键原因，装配误差过大会导致管接头应力集中，影响安装质量和气密效果。飞机诸多导管中，扩口导管对装配误差最为敏感，其渗漏现象也最为严重，但因其经济性好、使用寿命长等优点，广泛应用在飞机的各个系统中。如何减少扩口导管渗漏、提升扩口导管安装质量，已成为各大航空企业关注的重点问题。
以三代机为代表的依赖二维图纸设计的飞机中，因二维图纸无法完全反映出导管走势，导管初次生产依赖于实物取样，在结构装配完成后根据结构特点来调整导管角度和走向，形成样管，然后对样管逆向建模，利用数控弯管机进行产品管生产，其生产依据是样管；采用数模设计新一代飞机中，导管的三维数模可以完全反映出导管走势，所以直接利用数控弯管机制造出产品管，其生产依据是导管三维数模。但无论是依据样管制造还是依据数模制造，产品管与其制造依据之间依然存在一定的偏差。同时结构装配也存在一定偏差，导致导管实际装配时往往存在一定误差。
目前国内外对导管安装后应力分析以及导管成形技术有较多研究。程小勇、卫军朝等人以液压导管为例，对扩口导管渗漏和失效原因进行了分析，提出了优化导管设计状态的建议，但该建议无法消除导管装配阶段误差带来的不利影响。张宗郁等人基于数字化装配角度对导管焊接装配提出了一种主动补偿方法，但其应用领域为导管焊接成形阶段，其建立的误差模型需要用到专用夹具以统一导管之间坐标系，无法消除装配阶段导管自身坐标系与机体结构坐标系之间的不确定性。
在导管装配误差补偿方面，传统方法是现场对导管进行校形取样，目视达到满足装配要求的状态后，将经过校形的导管作为样管，通过外形测量将其参数输入自动弯管机进行导管生产，此方法校形过程耗时长，且严重依赖于工人操作技能，面对大面积取样时导管等材料的损耗量巨大，而且通过目视检查判断样管准确性有较大风险。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中导管装配误差补偿存在的材料取样耗损大、校形耗时长、样管精度低等问题，提出了一种基于数字量的导管安装误差建模和补偿方法，通过建立基于向量方法的安装误差模型，通过数据测量计算，来修正导管外形参数，补偿安装误差，有效减小导管装配误差，同时降低人工成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于数字量的导管安装误差建模和补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用数字化测量技术测量导管和机体结构的外形参数，建立机体结构与导管之间的数字模型；
S2、将导管分成单独的直线段，利用导管a和导管b上各直线段的端点坐标，通过各点位分别构建导管a和导管b的装配矢量模型an、bn'(n表示导管的直线段编号)；
S3、以导管a为基准，根据导管的装配矢量模型，对导管b按照装配识别得到的基本条件和装配关键特征进行结构误差补偿，然后对各直线段进行组合形成一个完整的基于装配关键特征的补偿模型。
进一步地，所述方法还包括步骤S4：通过计算求出导管b补偿后与周边结构的最小距离值d3，并与理论许用值[d3]进行对比，当满足d3≥[d3]时即导管补偿满足要求。
进一步地，装配关键特征补偿具体包括：
S300、消除导管a和导管b连接端的误差；该步骤涉及的装配关键特征包括角度约束θ1和距离约束d1；
S301、消除导管b上的固定卡箍与导管b之间的误差；该步骤涉及的装配关键特征包括角度约束θ2和距离约束d2；
S302、补偿后组合；通过步骤S300、S301进行补偿后，导管b的各直线段的矢量已经满足装配关键特征要求，通过保证矢量方向不变，调整矢量大小的方式使导管b各直线段相交来补偿导管完整性，最终使导管b成为完整导管。
进一步地，步骤S300具体包括：
通过平移、旋转的方式调整导管b的末端矢量bn'，使其与导管a末端矢量an同轴，且首尾相连，即满足：
式(1)中Bn”表示导管b补偿后末端端点坐标，An表示导管a末端端点坐标，k为常数，表示矢量bn”与矢量an平行。
进一步地，步骤S301具体包括：
通过调整导管b与卡箍相配合的一根直线段矢量bi'，使其与卡箍轴线矢量
式(2)中bi'与bi”表示补偿前后导管b第i根矢量，Bi”和Bi”分别表示导管b第i根矢量补偿前后末端端点坐标，l为常数，表示矢量bi”与矢量
进一步地，步骤S302的具体操作流程为：
式(3)中,k1、k2表示导管b一根向量bi”与补偿后向量bi”'的大小比例关系，为过渡参数。
进一步地，距离值d3的计算方法如下：
式(4)中k表示导管第k根向量存在周边结构，h1、h2表示周边结构的两个端点，l为变量，0≤l≤1。
本技术方案的有益效果如下：
1、本发明通过对导管及机体结构建立基于向量方法的安装误差模型，通过数据测量和计算来修正导管的外形参数，无需现场对导管进行校形取样，既节约了人工采样成本，降低了工人的劳动强度，又减少了大面积取样时的材料损耗；
2、本发明通过数字化的建模和补偿方式，可有效提高导管的测量及装配精度，减少装配误差，此方法高效稳定，省时省力，避免了目视检查判断样管准确性带来的风险，降低了导管的制造成本。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1为导管与机体结构之间的装配误差模型；
图2为导管装配矢量模型；
图3为装配关键特征θ1与d1补偿示意图；
图4为装配关键特征θ2与d2补偿示意图；
图5为导管完整性补偿后示意图；
图6为判断特征d3合格性步骤示意图；
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
本实施例提供了一种基于数字量的导管安装误差建模和补偿方法，包括以下步骤：
步骤一、利用数字化测量技术测量导管和机体结构的外形参数，建立机体结构与导管之间的数字模型，如图1所示，导管b在和导管a装配时，其实际位置会与理论位置存在偏差；
步骤二、将导管分成单独的直线段，采用导管测量机测量导管a和导管b上各直线段端点处的坐标，通过各点位分别构建轴线向量an、bn'(n表示导管的直线段编号)；采用激光跟踪仪测量机体结构上管接头安装点O1、O2’的空间坐标，通过各点位分别构建管接头所在轴线向量S1、S2，如图2所示。
步骤三、以导管a为基准，根据导管的装配矢量模型，对导管b按照装配识别得到的基本条件和装配关键特征进行结构误差补偿，这里的基本条件是指导管a和导管b与管接头的连接处始终与机体结构保持垂直，然后对各直线段进行组合形成一个完整的基于装配关键特征的补偿模型。
其中，装配关键特征的补偿过程如下：
(1)消除导管a和导管b连接端的误差
该步骤涉及的装配关键特征包括角度约束θ1和距离约束d1。图3给出了特征θ1与d1的误差补偿示意图。其补偿过程为通过平移、旋转的方式调整导管b末端矢量bn'，使其与导管a末端矢量an同轴，且首尾相连，即：
式(1)中Bn”表示导管b补偿后末端端点坐标，An表示导管a末端端点坐标，k为常数，表示矢量bn”与矢量an平行。
(2)消除导管固定卡箍与导管之间的误差
该步骤涉及的装配关键特征包括角度约束θ2和距离约束d2。图4给出了补偿示意，通过调整导管b与卡箍相配合的一根直线段矢量bi'，使其与卡箍轴线矢量
式(2)中bi'与bi”表示补偿前后导管b第i根矢量，Bi”和Bi”分别表示导管b第i根矢量补偿前后末端端点坐标，l为常数，表示矢量bi”与矢量
(3)补偿后组合
通过(1)和(2)进行补偿后导管各段矢量已满足装配关键特征要求，通过保证矢量方向不变，调整矢量大小的方式使导管b各直线段相交来补偿导管完整性，最终使导管b成为完整导管，图5给出了补偿后示意图，具体操作流程为：
式(3)中k1、k2表示导管b一根向量bi”与补偿后向量bi”'的大小比例关系，为过渡参数。
步骤四、本发明通过计算求出导管b补偿后与周边结构的最小距离值，并与理论许用值[d3]进行对比，来判断导管b的补偿是否符合要求。该步骤涉及的装配关键特征为距离约束d3，当满足d3≥[d3]时即导管补偿满足要求。图6为评估导管b与周边结构距离d3的示意图，距离值计算方法如下：
式(4)中k表示导管第k根向量存在周边结构，h1、h2表示周边结构的两个端点，l为变量，0≤l≤1。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
