大型航天器結(jié)構(gòu)離線組合加工誤差分析及控制

張 霞 高立國 劉漢良 樂 毅

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大型航天器結(jié)構(gòu)離線組合加工誤差分析及控制

張 霞 高立國 劉漢良 樂 毅

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

為解決大型航天器結(jié)構(gòu)無法在線組合加工的瓶頸問題，提出了大型航天器結(jié)構(gòu)精測→拆卸零件并加工→復(fù)裝的離線組合加工方法，分析了離線組合加工過程的誤差產(chǎn)生來源，并提出多項誤差控制措施。最終，尺寸范圍為2600mm×5600mm的某大型艙體結(jié)構(gòu)上200余個艙外支架經(jīng)過離線組合加工，其線性尺寸公差精度達(dá)到±0.1mm，角度尺寸公差達(dá)到±3′，滿足設(shè)計精度要求。

大型航天器結(jié)構(gòu)；離線組合加工；誤差控制

1 引言

大型航天器結(jié)構(gòu)為了滿足空間姿態(tài)的有效控制和載荷的正常運轉(zhuǎn)，對很多設(shè)備零件都提出了與整器坐標(biāo)系相關(guān)的線性尺寸及形位尺寸公差。由于整器在焊接裝配過程中不可避免地產(chǎn)生積累誤差[1～3]，設(shè)備安裝零件在裝配后很難一次性達(dá)到精度要求，需要在整器焊接裝配完成后，再將整個航天器放置到大型機床上進行在線組合加工。然而，隨著航天器結(jié)構(gòu)尺寸的不斷增大，在線組合加工會存在以下問題：需要配備行程足夠且價格昂貴的超大型加工中心以及多個大型工裝；大型航天器結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)運至機床工作臺上進行組合加工的過程風(fēng)險因素較多；在線組合加工占用生產(chǎn)研制主線，對產(chǎn)品生產(chǎn)周期起到關(guān)鍵性影響。

因此，除了整艙焊接完畢后不可拆卸部位必須在線組合加工外，對于可拆卸的零件可采用離線組合加工方法[4]，即首先進行精測確定加工余量后，將此類零件拆卸后單獨加工，以解決在線加工帶來的上述問題。

2 離線組合加工方法

2.1 離線組合加工過程

大型艙體離線組合加工的過程如圖1所示。利用離線組合加工方法加工大型艙體艙外支架時，首先在整器坐標(biāo)系下利用激光跟蹤儀進行精測，使用精測數(shù)據(jù)擬合出零件在整艙上的位置及余量狀態(tài)，拆卸零件后根據(jù)精測數(shù)據(jù)進行加工，零件加工完畢后復(fù)位到大型艙體上，之后調(diào)試以滿足精度要求。

圖1 大型艙體離線組合加工過程

圖2 理論平面與加工前C面位置關(guān)系

圖3 理論平面與加工后C面位置關(guān)系

具體過程如下：首先，零件加工時，設(shè)備安裝面需要留足夠的組合加工余量。在零件首次裝配到大型艙體上后，精測裝配狀態(tài)下帶余量的設(shè)備安裝面（C面），得到帶余量的設(shè)備安裝面初次裝配時的準(zhǔn)確邊界和法向矢量，以擬合零件裝配后帶余量的設(shè)備安裝面（C面）的真實位置，如圖2所示。之后，拆卸零件，以精測得到的帶余量的設(shè)備安裝面（C面）為基準(zhǔn)，依據(jù)設(shè)計圖紙或模型構(gòu)建零件的實體三維模型，真實模擬大型艙體實際狀態(tài)下零件首次裝配時的空間狀態(tài)。最后，根據(jù)實體模型和理論的設(shè)備安裝面位置關(guān)系確定去除余量的大小，建立基于零件的加工坐標(biāo)系，生成數(shù)控刀軌并進行零件加工，使零件復(fù)位后，設(shè)備安裝面（C面）剛好落在設(shè)備安裝理論平面之內(nèi)（圖3），從而達(dá)到傳統(tǒng)在線組合加工的效果。

2.2 離線組合加工理論依據(jù)

2.2.1 整器坐標(biāo)系向零件精測后坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

設(shè)以6個精測點建立的零件精測后坐標(biāo)系記為O，依據(jù)齊次變換的原理，可得到這6個精測點構(gòu)造的加工模型，設(shè)離線組合加工零件在零件精測后坐標(biāo)系下的定義為X(0)，在整器坐標(biāo)系的定義為X(0)，則有如下關(guān)系：

X(0) =R(0) X(0)+T(0) （1）

其中R(0)為O到O的旋轉(zhuǎn)矩陣，T(0)為O到O的平移矩陣。

設(shè)繞O三個軸x、y、z旋轉(zhuǎn)，并沿這三個軸平移x、y、z，則有：

當(dāng)是高階小量時，通過計算可近似為：

若零件的第（=1,2,…,）個面或孔x尺寸d（d1，d2，…，d），則：

整個零件從整器坐標(biāo)系向零件精測后坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)矩陣可以表示為：

2.2.2 零件精測后坐標(biāo)系向零件加工后坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

理論上零件在數(shù)控機床上可以找正零件精測后坐標(biāo)系O進行加工，但是離線組合加工是將零件拆卸后單獨加工，因此實際操作時，只能通過找正零件上的特征，如零件的面、邊等來完成零件加工后坐標(biāo)系O的找正。設(shè)離線組合加工的零件在零件精測后坐標(biāo)系下的定義為X(0)，在零件加工后坐標(biāo)系下的定義為X(0)，依據(jù)齊次變換，并參照式（1），同樣有：

通過整器坐標(biāo)系向零件精測后坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換以及零件精測后坐標(biāo)系向零件加工坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，得到整器坐標(biāo)系向零件加工坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移矩陣，最終完成整器坐標(biāo)系向零件加工坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。