基于几何约束的可重构装配型架修复性装调

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31812

材料工程与机械制造

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基于几何约束的可重构装配型架修复性装调

孟爽¹, 郑联语¹^,²^,³, 张向荣¹, 张智博¹, 王艺玮¹^,²^,³()

^1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191
^2.数字化设计与制造技术北京市重点实验室，北京 100191
^3.航空高端装备智能制造技术工业和信息化部重点实验室，北京 100191

收稿日期:2025-01-15 修回日期:2025-02-10 接受日期:2025-03-11 出版日期:2025-09-25 发布日期:2025-05-13
通讯作者: 王艺玮 E-mail:wangyiwei@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52375476);国家自然科学基金(51805262);中国先进制造技术发展专项(62502500601)

Corrective adjustment for reconfigurable assembly fixtures based on geometric constraints

Shuang MENG¹, Lianyu ZHENG¹^,²^,³, Xiangrong ZHANG¹, Zhibo ZHANG¹, Yiwei WANG¹^,²^,³()

^1.School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.Beijing Key Laboratory of Digital Design and Manufacturing Technology，Beijing 100191，China
^3.MIIT Key Laboratory of Intelligent Manufacturing Technology for Aeronautics Advanced Equipments，Beijing 100191，China

Received:2025-01-15 Revised:2025-02-10 Accepted:2025-03-11 Online:2025-09-25 Published:2025-05-13
Contact: Yiwei WANG E-mail:wangyiwei@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52375476);China Advanced Manufacturing Technology Development Special Funding Program(62502500601)

摘要/Abstract

摘要：

可重构装配型架长期使用过程中易出现定位精度下降引起的不稳定问题，影响产品装配质量，有必要对其定位精度实施有效监控。传统的人工定期检查方法存在无法及时获取型架使用状态数据、难以准确而全面评估型架定位精度以及缺少系统且有效的修复方法等问题。几何约束作为型架关键点位之间的特定几何形位限制，它是型架准确定位产品的内在依据和型架定位精度保障的核心基础。为解决上述问题，提出并构建了一套基于几何约束的可重构装配型架修复性装调方法，该方法包括基于几何约束的型架定位精度评估、型架点位调整量计算以及基于雅可比旋量的定位器可调性判断3部分。首先，分析了为保证型架定位精度合格所需要限制的关键点位之间的几何约束集，据此评估型架的定位精度；然后，针对定位精度超差的型架，计算其点位的调整量并确定了装调目标位置；最后，基于构建表征定位器装配偏差的雅可比旋量模型判断定位器的可调性，辅助工人完成了型架修复性装调。以某壁板可重构装配型架为例进行验证，结果表明，所提方法能够准确评估型架的定位精度，有效修复定位精度超差的型架，提高了型架修复效率，从而验证了方法的可行性与有效性。

关键词: 修复性装调, 定位精度评估, 几何约束, 可重构装配型架, 装配偏差分析, 雅可比旋量模型

Abstract:

Reconfigurable assembly fixtures are prone to experience instability caused by a decline in positioning accuracy after prolonged use， which subsequently affects the quality of product assembly. Therefore， it is necessary to conduct effective monitoring on the positioning accuracy of such fixtures. The traditional periodic manual inspection method suffers from several limitations， including the inability to acquire real-time data on fixture usage status， difficulty in accurately evaluating fixture positioning accuracy， and the lack of systematic and effective methods for corrective adjustment. Geometric constraints， which define the specific geometric relationships among the key points of the fixture， serve as the intrinsic basis for accurate product positioning， and are the core foundation for ensuring positioning accuracy. To solve the above problems， this study proposes and develops a reconfigurable assembly fixture corrective adjustment method based on geometric constraints. The method comprises three components： positioning accuracy evaluation of the fixture based on geometric constraints， calculation of point adjustment quantities， and feasibility assessment of locator adjustability using the Jacobian-Torsor model. First， the geometric constraint sets required to ensure compliant positioning accuracy of the fixture are analyzed， based on which the positioning accuracy of the fixture is evaluated. Then， for fixtures with out-of-tolerance positioning accuracy， the point adjustment quantities are calculated， and the target positions for point adjustment are determined. Finally， a Jacobian-Torsor model is constructed to characterize the assembly deviations of the locator and assess the adjustability of the locator， thereby assisting workers in completing the corrective adjustment of the fixture. A reconfigurable assembly fixture for aircraft panels is used as a case study for verification. The results demonstrate that the proposed method can accurately evaluate the positioning accuracy of the fixture， effectively repair fixtures with excessive positioning deviation， and improve the fixture repair efficiency， thereby verifying the feasibility and effectiveness of the method.

Key words: corrective adjustment, positioning accuracy evaluation, geometric constraint, reconfigurable assembly fixture, assembly deviation analysis, Jacobian-Torsor model

中图分类号:

V262

孟爽, 郑联语, 张向荣, 张智博, 王艺玮. 基于几何约束的可重构装配型架修复性装调[J]. 航空学报, 2025, 46(18): 431812.

Shuang MENG, Lianyu ZHENG, Xiangrong ZHANG, Zhibo ZHANG, Yiwei WANG. Corrective adjustment for reconfigurable assembly fixtures based on geometric constraints[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(18): 431812.

图/表 30

图 1

图 2

图 3

表1

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表2

图 9

表3

关联零件的特征公差以及建系说明

AF/AT	公差类型	公差值	关联零件	坐标系
AF/AT	公差类型	公差值	关联零件	原点	方向
AT	--	--	卡板	OTP点	与工装坐标系一致
IAF	平面度 $t p l$	±0.05	卡板	卡板侧面几何中心	与工装坐标系一致
IAF	位置度 $t p o s$	±0.02	卡板	OTP对应孔的几何中心	与工装坐标系一致
PAF	孔轴配合 $t h p$	H7f7，［0， 0.021］，［-0.02，-0.041］	卡板、连接件、精制螺栓	卡板端部孔的几何中心	与连接件实际位姿关联
	尺寸公差 $t s t$	±0.1	卡板	同上
	垂直度 $t p p$	±0.015	连接件	连接件侧面的孔中心

表3

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

表4

表5

表6

表7

表8

OTP点位调整数据节选

OTP 序号	实测坐标/mm			目标位置坐标/mm			$Δ S a d j$ /mm
OTP 序号	x₁	y₁	z₁	x₂	y₂	z₂	Δx	Δy	Δz
1	435.157 0	4 842.202 8	249.973 6	434.854 8	4 841.763 0	250.045 7	0.302 2	0.439 8	-0.072 1
2	784.473 9	4 842.363 0	1 350.548 1	784.495 1	4 841.971 2	1 350.160 1	-0.021 2	0.391 8	0.388 0
--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
6	384.059 7	4 322.248 5	2 600.136 0	384.059 7	4 322.248 5	2 600.136 0	0.000 0	0.000 0	0.000 0
--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
15	383.929 4	1 769.157 0	2 600.660 6	383.929 4	1 769.157 0	2 600.660 6	0.000 0	0.000 0	0.000 0
--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
18	383.856 0	1 452.178 0	2 600.597 9	383.856 0	1 452.178 0	2 600.597 9	0.000 0	0.000 0	0.000 0
--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
23	784.370 5	2 987.085 8	1 350.634 5	784.370 5	2 987.085 8	1 350.634 5	0.000 0	0.000 0	0.000 0
24	383.800 9	2 987.213 6	2 601.055 9	383.991 6	2 987.248 5	2 600.410 3	-0.190 7	-0.034 9	0.645 6

表8

表9

图 16

图 17

图 18

表 10

OTP点偏差统计值结果

AT对象	测量项	最小值/mm			最大值/mm
AT对象	测量项	$Δ d m i n$ （3DCS）	$Δ' d m i n$ （JT）	$E r$ （%）	$Δ d m a x$ （3DCS）	$Δ' d m a x$ （JT）	$E r$ （%）
OTP1	Δx	-0.070 0	-0.066 8	4.51	0.069 0	0.066 8	3.22
	Δy	-0.187 1	-0.192 1	2.65	0.186 4	0.192 1	3.03
	Δz	-0.061 9	-0.065 3	5.38	0.061 6	0.065 3	5.88
OTP2	Δx	-0.069 7	-0.066 8	4.19	0.067 9	0.066 8	1.57
	Δy	-0.301 1	-0.307 3	2.05	0.300 3	0.307 3	2.35
	Δz	-0.067 7	-0.065 3	3.63	0.066 6	0.065 3	2.04
OTP3	Δx	-0.069 5	-0.066 8	3.86	0.068 1	0.066 8	1.93
	Δy	-0.199 0	-0.208 3	4.71	0.198 2	0.208 3	5.12
	Δz	-0.062 4	-0.065 3	4.59	0.062 1	0.065 3	5.03

表 10

表11

OTP点坐标偏差

AT对象	测量项	$Δ J T$ /mm		$Δ S a d j$ /mm	$Δ$ /mm	区间成员判断
AT对象	测量项	最小值	最大值	$Δ S a d j$ /mm	$Δ$ /mm	区间成员判断
OTP1	Δx	-0.058 1	0.058 1	-0.190 0	0.006 1	属于
	Δy	-0.139 8	0.141 2	0.107 8	-0.051 5	属于
	Δz	-0.056 1	0.056 5	0.502 7	-0.150 4	不属于
OTP2	Δx	-0.058 5	0.058 7	-0.112 2	0.115 0	不属于
	Δy	-0.188 1	0.188 9	0.207 6	-0.328 7	不属于
	Δz	-0.056 6	0.056 4	0.018 3	0.580 3	不属于
OTP3	Δx	-0.058 5	0.058 3	-0.167 9	0.774 7	不属于
	Δy	-0.143 0	0.142 4	0.386 2	-0.536 9	不属于
	Δz	-0.056 4	0.056 7	-0.421 7	0.820 3	不属于

表11

表12

参考文献 37

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

定位器类型	定位方式	可能关联的几何约束	产品举例
工艺孔定位器	孔销配合定位	点点距离、直线度、平面度、对称度	平尾、机身框架
接头定位器	叉耳定位	点点距离、平面度	垂尾、机身对接
外形定位器	型面贴合定位	直线度、平行度、对称度、平面度	机身壁板、机翼壁板

计算方法		优势	不足	应用场景
点位绝对装调		计算简单	点位调整数量多，幅度大，要求定位器具有较高柔性	适用于新制造或使用时间较短的型架装调
点位相对装调	最小位移法	调整幅度小，对定位器的柔性要求较低，易于工程实现	点位调整数量多，调整耗时长	适用于结构复杂、刚性稍差、易发生柔性变形的型架装调
点位相对装调	最少数量法	关键点调整数量较少，减少调整工作量，误差引入减少	某些点位调整幅度可能较大，对定位器的柔性要求较高	适用于结构复杂、刚性较好、易发生整体刚性位移的型架装调

OTP 序号	理论数据/mm			实测数据/mm			Delta/mm			长度/mm
OTP 序号	x₁	y₁	z₁	x₂	y₂	z₂	Δx	Δy	Δz	D
1	434.000 0	4 842.300 0	250.000 0	433.984 2	4 842.246 0	249.945 3	-0.015 8	-0.054 0	-0.054 7	0.078 5
2	784.000 0	4 842.300 0	1 350.000 0	784.049 7	4 842.176 0	1 350.073	0.049 7	-0.124 5	0.073 1	0.152 7
--	--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
6	384.000 0	4 322.300 0	2 600.000 0	384.059 7	4 322.249 0	2 600.136 0	0.059 7	-0.051 5	0.136 0	0.157 2
7	434.000 0	3 272.300 0	250.000 0	433.912 3	3 272.300 0	249.928 0	-0.087 7	-0.000 3	-0.072 0	0.113 5
8	784.000 0	3 272.300 0	1 350.000 0	784.089 2	3 272.221 0	1 349.962 0	0.089 2	-0.079 2	-0.038 0	0.125 2
9	384.000 0	3 272.300 0	2 600.000 0	384.068 0	3 272.299 0	2 600.092 0	0.068 0	-0.000 9	0.092 1	0.114 5
10	434.000 0	2 512.300 0	250.000 0	433.979 3	2 512.341 0	249.937 5	-0.020 7	0.041 2	-0.062 5	0.077 7
11	784.000 0	2 512.300 0	1 350.000 0	783.969 3	2 512.183 0	1 349.907 0	-0.030 7	-0.117 5	-0.092 6	0.152 7
12	384.000 0	2 512.300 0	2 600.000 0	383.904 9	2 512.354 0	2 600.060 0	-0.095 1	0.054 4	0.060 3	0.125 0
--	--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
23	784.000 0	2 987.300 0	1 350.000 0	783.942 6	2 987.243 0	1 349.905 0	-0.057 4	-0.057 3	-0.095 1	0.125 0
24	384.000 0	2 987.300 0	2 600.000 0	384.062 8	2 987.260 0	2 600.080 0	0.062 8	-0.040 3	0.079 7	0.109 2

序号	几何约束项	单位	约束阈值	约束实际值的最大值	评估结果
1	卡板拟合平面间平行度	度	0.034 1	0.027 5	合格
2	OTP拟合直线的直线度	mm	0.164 5	0.106 9	合格
3	拟合直线间的平行度	度	0.003 3	0.002 5	合格

序号	几何约束项	单位	约束阈值	约束实际值的最大值	评估结果
1	卡板拟合平面间平行度	度	0.034 1	0.252 9	超差
2	OTP拟合直线的直线度	mm	0.164 5	0.608 6	超差
3	拟合直线间的平行度	度	0.003 3	0.023 9	超差

基于几何约束的可重构装配型架修复性装调

Corrective adjustment for reconfigurable assembly fixtures based on geometric constraints

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图/表 30

参考文献 37

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本文评价

序号	技能水平	传统方法	所提方法	效率提升
平均用时		5 400	3 600	33.33%
1	熟练	4 620	3 480	24.68%
2	非熟练	6 180	3 720	39.81%

[1]	裴文倩, 俞凯凯, 刘增旭, 宁琪月, 徐惊雷. 两级膨胀喷管设计方法及数值模拟[J]. 航空学报, 2025, 46(8): 631009-631009.
[2]	陈以勒, 俞凯凯, 徐惊雷. 几何尺寸约束的超燃冲压发动机推力喷管设计[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 124259-124259.
[3]	史磊, 杨光, 丁光华, 林文俊. 风扇转子叶片前缘精细维修方案及流动特性分析[J]. 航空学报, 2020, 41(9): 423446-423446.