數(shù)字化技術(shù)在運(yùn)載火箭取樣導(dǎo)管制造中的應(yīng)用

魏 強(qiáng)，宋建嶺，蘇再為，王永發(fā)，王露予

（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津，300462）

0 引 言

導(dǎo)管是火箭增壓輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，部分導(dǎo)管因箭體變形或組裝累積偏差無法按設(shè)計(jì)模型制造，需要在箭上手工彎制鋁絲模擬導(dǎo)管走向，箭下以鋁絲為樣板彎制導(dǎo)管，該傳統(tǒng)取樣制造方法具有制造精度低、制造周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)[1,2]。箭體實(shí)物與理論存在偏差是造成導(dǎo)管取樣的根本，本文通過構(gòu)建一個(gè)基于箭體實(shí)物的點(diǎn)云模型，再以該點(diǎn)云模型為基礎(chǔ)新建導(dǎo)管模型用于后續(xù)生產(chǎn)、檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)提高制造精度，縮短制造周期的目的。

1 技術(shù)方案

1.1 建立箭體實(shí)物點(diǎn)云模型

采用便攜式三坐標(biāo)對(duì)與導(dǎo)管安裝相關(guān)的箭體實(shí)物進(jìn)行掃描獲得箭體實(shí)物點(diǎn)云模型，為保證創(chuàng)建的點(diǎn)云模型更加準(zhǔn)確，一方面采用逆向軟件從箭體實(shí)物的點(diǎn)云模型中獲取最遠(yuǎn)兩約束間距離，另一方面采用激光跟蹤儀同樣測(cè)量該兩約束距離，將兩數(shù)值進(jìn)行比較，差值處于便攜式三坐標(biāo)測(cè)量誤差范圍內(nèi)則視為合格[3]。

1.2 建立導(dǎo)管模型

導(dǎo)管模型一般是按“點(diǎn)、線、輪廓”方式創(chuàng)建，即先創(chuàng)建若干關(guān)鍵點(diǎn)，將各關(guān)鍵點(diǎn)連接成線段，以導(dǎo)管彎曲半徑對(duì)線段倒圓角獲得中心線，再以導(dǎo)管內(nèi)外徑尺寸構(gòu)建圓環(huán)，圓環(huán)掃掠中心線完成導(dǎo)管模型建立。為使得導(dǎo)管模型滿足箭上安裝，導(dǎo)管中心線需穿過各約束中心[4]。常見火箭導(dǎo)管安裝約束有法蘭盤、卡箍、窗口等，采用逆向軟件獲取法蘭盤中心點(diǎn)方法為以法蘭盤端面提取平面，平面與法蘭盤外圓相切并經(jīng)投影獲取中心點(diǎn)；獲取卡箍中心點(diǎn)方法為以卡箍外圓提取中心軸線，卡箍端面提取平面并平移至卡箍中心，中心軸線與平移平面相交獲取中心點(diǎn)；獲取窗口中心點(diǎn)方法一般以短側(cè)面、長(zhǎng)側(cè)面、內(nèi)或外平面3 個(gè)平面向窗口中心平移相交獲取中心點(diǎn)等。將上述各約束的中心點(diǎn)進(jìn)行連線并倒圓角（倒角尺寸與彎曲模型規(guī)格一致），再用圓環(huán)（圓環(huán)尺寸與導(dǎo)管外徑、壁厚一致）進(jìn)行掃掠即獲得導(dǎo)管模型。

1.3 導(dǎo)管加工檢驗(yàn)

以XYZ 模式將導(dǎo)管模型中的各關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入數(shù)控彎管機(jī)進(jìn)行彎曲加工，采用便攜式三坐標(biāo)對(duì)彎曲件進(jìn)行掃描，建立彎曲件點(diǎn)云模型。利用分析軟件將彎曲導(dǎo)管點(diǎn)云模型與導(dǎo)管模型進(jìn)行對(duì)比，偏差范圍在±1 mm 內(nèi)視為合格。將彎曲件上箭試裝，試裝合格完成取樣導(dǎo)管數(shù)字化加工。技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 技術(shù)流程Fig.1 Technical Flow Chart

2 技術(shù)應(yīng)用

某型號(hào)運(yùn)載火箭貯箱箱底采用焊接工藝，因箱底焊接變形致其上導(dǎo)管均采用取樣制造，氧排氣管是典型產(chǎn)品之一。該導(dǎo)管由2 根導(dǎo)管組成，安裝時(shí)涉及3 個(gè)管端和2 個(gè)卡箍等，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及安裝如圖2 所示。

圖2 箭體模型Fig.2 Arrow Model

采用NDI scantrak 3500 型便攜式三坐標(biāo)對(duì)導(dǎo)管安裝相關(guān)的閥體1、閥體2、卡箍1、卡箍2、窗口和局部箱底表面進(jìn)行掃描，如圖3 所示，掃描結(jié)果如圖4所示。

圖3 箭體實(shí)物Fig.3 Real Arrow

圖4 箭體實(shí)物點(diǎn)云模型Fig.4 Point Cloud Model of Arrow

圖5 為關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建示意。

圖5 關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建Fig.5 Key Point Creation

選取閥體2 的端部、周向數(shù)據(jù)建立平面1 和中心線1，利用線面相交命令獲得中心點(diǎn)1；選取卡箍2 的側(cè)面、弧面數(shù)據(jù)建立平面2 和中心線2，利用線面相交命令獲得中心點(diǎn)3；參考設(shè)計(jì)模型中閥體2 與卡箍2導(dǎo)管彎曲位置，平面1 平移400 mm 建立平面3，平面3 與中心線1 相交獲得中心點(diǎn)2；中心點(diǎn)4、5、6是零件三通的3 個(gè)端點(diǎn)，選取卡箍2 上端面數(shù)據(jù)建立平面4，在平面4 內(nèi)參照三通尺寸建立中心點(diǎn)4、5、6；選取窗口數(shù)據(jù)建立平面5，利用平面與窗口相切并投影命令（面片草圖命令）獲得窗口矩形輪廓，連接矩形輪廓對(duì)角線，利用兩線相交命令獲得中心點(diǎn)7；選取平面5 和中心點(diǎn)7，利用點(diǎn)面法向命令建立中心線3；參考設(shè)計(jì)模型中三通與窗口導(dǎo)管彎管位置，平面5 平移200 mm 建立平面6，平面6 與中心線3 相交獲得中心點(diǎn)8。

連接上述各中心點(diǎn)建立中心點(diǎn)線段，以R130（彎管半徑）對(duì)中心點(diǎn)線段倒角建立中心點(diǎn)曲線，測(cè)量各段切點(diǎn)至端點(diǎn)距離，當(dāng)距離大于220 mm（模具直線段限制）時(shí)模型設(shè)計(jì)合理，否則需調(diào)整中心點(diǎn)位置。同理，創(chuàng)建另一側(cè)導(dǎo)管中心點(diǎn)曲線，如圖6 所示。

圖6 中心線創(chuàng)建Fig.6 Centerline Creation

在中心點(diǎn)曲線端部以Ф63 mm、Ф60 mm（導(dǎo)管內(nèi)外徑）建立圓環(huán)，利用截面沿曲線掃略命令獲得新導(dǎo)管模型，如圖7、圖8 所示。

圖7 導(dǎo)管模型與箭體點(diǎn)云模型Fig.7 Catheter Model and Arrow Point Cloud Model

圖8 導(dǎo)管模型Fig.8 Pipe Model

將導(dǎo)管模型輸入數(shù)控彎管機(jī)進(jìn)行加工，采用便攜式三坐標(biāo)對(duì)彎曲件進(jìn)行掃描獲得其實(shí)物點(diǎn)云模型，利用geomagic control 軟件將導(dǎo)管實(shí)物點(diǎn)云模型與導(dǎo)管模型進(jìn)行比對(duì)，如圖9 所示。按模型中各導(dǎo)管與簡(jiǎn)易三通間空間位置關(guān)系將其組裝成整管，并上箭試裝，如圖10、圖11 所示。

圖9 導(dǎo)管實(shí)物點(diǎn)云模型與導(dǎo)管模型比對(duì)Fig.9 Contrast Between Physical Point Cloud Model of The Catheter and Catheter Model

圖10 導(dǎo)管實(shí)物Fig.10 Real Pipe

圖11 箭上試裝Fig.11 Try on Arrow

3 誤差分析

掃描、加工、安裝3 個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。掃描誤差主要是由設(shè)備精度決定，設(shè)備精度為0.11 +0.025 mm/m，該值較小時(shí)試驗(yàn)過程不考慮其誤差影響；加工誤差主要是由彎管和尾料切割造成，彎管是一種彈塑性變形過程，初次彎管時(shí)受彎曲回彈、延伸影響，彎管角度、尾料長(zhǎng)度易超差，通過多次試彎摸索回彈和延伸，可實(shí)現(xiàn)彎曲精度＜±0.5°，切割精度＜0.5 mm；試驗(yàn)管箭上試裝前以一端為基準(zhǔn)，測(cè)得另外兩端角度和長(zhǎng)度偏差分別為3°和4 mm、1°和2 mm，實(shí)際產(chǎn)品導(dǎo)管含有補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償器最大補(bǔ)償量可達(dá)3°和5 mm，可包絡(luò)導(dǎo)管加工誤差。

4 結(jié) 論

采用激光掃描建立箭體實(shí)物點(diǎn)云模型，利用專用軟件以點(diǎn)云模型為邊界新建導(dǎo)管模型，并用于后續(xù)導(dǎo)管加工、檢測(cè)的數(shù)字化制造方法，可滿足箭上導(dǎo)管安裝需求，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭取樣導(dǎo)管的全流程數(shù)字化彎管加工。與傳統(tǒng)手工取樣制造方式相比，具有制造精度高、制造周期短等優(yōu)點(diǎn)。