數(shù)字化制造技術(shù)在液體火箭發(fā)動機(jī)導(dǎo)管定制化加工中的應(yīng)用

岳 婷，李萬鵬，黨 琰

(西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

導(dǎo)管是液體火箭發(fā)動機(jī)中連接各組件的重要組件，也是輸送燃料、氧化劑和氣體的通道。液體火箭發(fā)動機(jī)裝配件中焊接形成的結(jié)構(gòu)件數(shù)量多，焊接變形帶來的誤差累積造成發(fā)動機(jī)上導(dǎo)管接口位置一致性難以保證，所以導(dǎo)管加工需根據(jù)發(fā)動機(jī)的接口位置進(jìn)行定制化生產(chǎn)，對誤差累積予以補(bǔ)償。

目前液體火箭發(fā)動機(jī)導(dǎo)管形狀的確定采用現(xiàn)場取樣的方法，按照導(dǎo)管設(shè)計圖樣的走向在發(fā)動機(jī)上制取導(dǎo)管實樣，依照樣管形狀進(jìn)行真實導(dǎo)管折彎成形；導(dǎo)管加工余量的確定采用試裝法，即將彎曲后的導(dǎo)管在發(fā)動機(jī)上導(dǎo)管接口處比試以確定兩端加工余量。采用以上工藝方法，導(dǎo)管加工余量通過在真實發(fā)動機(jī)上取樣及試裝確定，可以保證導(dǎo)管與發(fā)動機(jī)上接口精確匹配，在一定條件下保證了導(dǎo)管裝配精度，但在真實發(fā)動機(jī)上進(jìn)行比對試裝的方法決定了導(dǎo)管的加工過程與發(fā)動機(jī)裝配過程只能串行，占用主裝配流程時間較長，據(jù)統(tǒng)計，我國的新一代液氧煤油發(fā)動機(jī)導(dǎo)管的加工過程約占總裝生產(chǎn)總周期的56%，效率較低。

近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)相繼開展了導(dǎo)管數(shù)字化測量、數(shù)字化制造等方面的研究，取得了大量的研究成果。在導(dǎo)管的數(shù)字化測量方面，馬海釗等提出利用三坐標(biāo)測量機(jī)自動化檢測技術(shù)對某機(jī)型飛機(jī)導(dǎo)管構(gòu)件進(jìn)行數(shù)字化導(dǎo)管檢測，通過采集點(diǎn)云進(jìn)行模型對齊，采用圓柱擬合法進(jìn)行導(dǎo)管構(gòu)件法蘭孔的測量，最終實現(xiàn)導(dǎo)管構(gòu)件的自動化檢測。呂彥盈提出利用激光跟蹤儀對導(dǎo)管的裝配工裝過程以及焊接完成后導(dǎo)管的尺寸進(jìn)行檢測，實現(xiàn)導(dǎo)管的數(shù)字化測量。劉少麗等提出了基于蛇模型的管路三維重建方法，通過多目視覺系統(tǒng)拍攝照片并對照片進(jìn)行圖像處理，依據(jù)視覺投影原理重建管路三維模型。張桁維等提出一種基于點(diǎn)云融合的管路模型精確測量方法，該方法利用機(jī)器視覺原理獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云融合技術(shù)得到管路三維數(shù)字化模型。羅藝進(jìn)提出了一種飛機(jī)多分支焊接導(dǎo)管法蘭安裝位姿視覺檢測新方法，獲得導(dǎo)管法蘭在視覺測量場基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的位姿，進(jìn)而獲得各法蘭相對位姿關(guān)系并與三維數(shù)模進(jìn)行對比輸出誤差分析結(jié)果。數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展為導(dǎo)管的三維數(shù)字化測量提供了技術(shù)手段，為液體火箭發(fā)動機(jī)導(dǎo)管的數(shù)字化測量和三維重構(gòu)提供了較好的思路。在導(dǎo)管的數(shù)字化制造方面，魏強(qiáng)等在運(yùn)載火箭導(dǎo)管制造中提出了利用激光掃描設(shè)備建立箭體實物點(diǎn)云模型，逆向軟件在箭體實物點(diǎn)云模型建立導(dǎo)管模型，導(dǎo)管模型導(dǎo)入數(shù)控彎管機(jī)彎管，彎管點(diǎn)云模型與導(dǎo)管模型比對的新制造方法，實現(xiàn)了運(yùn)載火箭取樣導(dǎo)管數(shù)字化制造。趙長喜等提出了航天器管路實現(xiàn)全過程數(shù)字化制造的解決方案，將管路數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用于實踐，實現(xiàn)了管路生產(chǎn)不再依賴安裝現(xiàn)場取樣，航天器管路生產(chǎn)與總裝分離，管路以產(chǎn)品化形式交付。在導(dǎo)管制造方面，目前研究主要集中于導(dǎo)管的形狀制取，對于導(dǎo)管實際安裝時的加工余量確定則沒有較好的方法，特別是對于一致性不高的接口位置，還是采用在實際接口上進(jìn)行多次試裝的方法，效率較低。

針對上述問題，本文提出一種通過構(gòu)建液體火箭發(fā)動機(jī)參數(shù)化模型并對其進(jìn)行實測驅(qū)動生成與發(fā)動機(jī)實物狀態(tài)尺寸一致的數(shù)字孿生模型，基于模型進(jìn)行虛擬裝配以確定最優(yōu)導(dǎo)管加工方案的方法，提高液體火箭發(fā)動機(jī)導(dǎo)管生產(chǎn)效率和一致性。

1 總體技術(shù)方案

本文采用基于C++和UG NX組件的技術(shù)開發(fā)、基于API的幾何模型交互操作及面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)及文件管理等技術(shù)手段，總體技術(shù)流程如圖1所示，通過建立可驅(qū)動的發(fā)動機(jī)參數(shù)化模型，依據(jù)裝配生產(chǎn)現(xiàn)場的發(fā)動機(jī)實測數(shù)據(jù)實現(xiàn)模型驅(qū)動，生成與現(xiàn)場實物狀態(tài)一致的發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生模型，加載通過對導(dǎo)管半成品實物三維掃描得到的三維模型，在限定空間內(nèi)調(diào)整裝配參考點(diǎn)與設(shè)計參考點(diǎn)距離，使得導(dǎo)管裝配參考點(diǎn)在設(shè)計參考點(diǎn)附近一球形空間內(nèi)移動，在滿足導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值等工藝要求的約束條件下，以導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值最小為目標(biāo)，利用優(yōu)化算法循環(huán)調(diào)用導(dǎo)管三維測量模型，進(jìn)行虛擬裝配，確定導(dǎo)管的最優(yōu)匹配位置，輸出導(dǎo)管切割余量等工藝參數(shù)，輔助進(jìn)行導(dǎo)管加工。

圖1 導(dǎo)管虛擬定制化加工裝配技術(shù)流程Fig.1 Virtual customized processing and assembly technical process for pipeline

2 發(fā)動機(jī)參數(shù)化模型構(gòu)建

為保證與導(dǎo)管裝配相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)空間位置與現(xiàn)場實際裝配的發(fā)動機(jī)一致，將大組件間裝配定位點(diǎn)、導(dǎo)管裝配定位點(diǎn)、導(dǎo)管接口位置作為現(xiàn)場發(fā)動機(jī)空間位置測量點(diǎn)，在進(jìn)行參數(shù)化建模時作為需驅(qū)動的參數(shù)。

2.1 主體模型的參數(shù)化

發(fā)動機(jī)主要組合件在生產(chǎn)制造時應(yīng)用焊接形式連接，焊接變形不可避免，為保證主要組合件外形尺寸與現(xiàn)場裝配的尺寸一致，將模型在大組件的各焊縫處進(jìn)行拆分，建立獨(dú)立的特征，通過裝配約束的方式將特征添加到模型中，并將特征通過表達(dá)式進(jìn)行參數(shù)化，使各驅(qū)動特征與發(fā)動機(jī)整體空間位置產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

2.2 導(dǎo)管接口的參數(shù)化

采用同步建模的方式進(jìn)行導(dǎo)管法蘭的參數(shù)化以實現(xiàn)通過實測數(shù)據(jù)驅(qū)動法蘭位置的變化及方向的偏轉(zhuǎn)。以設(shè)計模型上法蘭端面圓心坐標(biāo)及法向向量為標(biāo)準(zhǔn)值，表示為(,,),(,,)，建立法蘭端面圓心坐標(biāo)和法向向量實際測量值的表達(dá)式，分別為(,,),(,,)，通過同步建模移動面命令中點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動，設(shè)置出發(fā)點(diǎn)為法蘭圓心坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，終止點(diǎn)為圓心坐標(biāo)實測值表達(dá)式，通過讀取現(xiàn)場實際測量圓心坐標(biāo)，實現(xiàn)法蘭位置的移動；通過同步建模移動面命令中軸與矢量對齊運(yùn)動，設(shè)置樞軸點(diǎn)為法蘭圓心坐標(biāo)實測值表達(dá)式，設(shè)置終止矢量為法蘭端面法向向量實測值表達(dá)式，實現(xiàn)法蘭在、、方向上角度的偏轉(zhuǎn)。

參數(shù)化建模完成后，通過激光測量系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)集成，實現(xiàn)每臺次發(fā)動機(jī)測量數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸與存儲，通過UG NX 二次開發(fā)，可以讀取制造執(zhí)行系統(tǒng)接收的XML格式的測量數(shù)據(jù)，通過幾何運(yùn)算實現(xiàn)表達(dá)式中各參數(shù)的自動修改，最終實現(xiàn)參數(shù)化模型的實測驅(qū)動。

3 導(dǎo)管加工余量計算

導(dǎo)管加工余量計算實現(xiàn)的技術(shù)路線如圖2所示：首先按照第2節(jié)所述方法構(gòu)建關(guān)鍵定位位置及管口空間位置與發(fā)動機(jī)實物一致的發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生模型，利用三維光學(xué)測量系統(tǒng)，通過多個高幀頻、高分辨率的工業(yè)級相機(jī)，測量擬合得到導(dǎo)管的直徑和空間中心軸線，確定導(dǎo)管的空間參數(shù)，并快速構(gòu)建出導(dǎo)管三維模型；再將與導(dǎo)管實體一致的導(dǎo)管三維模型加載到相應(yīng)的接管口，進(jìn)行虛擬裝配。對齊測量導(dǎo)管兩端直線段與管口幾何中心、測量導(dǎo)管裝配參考點(diǎn)與設(shè)計模型參考點(diǎn)，在限定空間內(nèi)調(diào)整裝配參考點(diǎn)與設(shè)計模型參考點(diǎn)的距離，獲得一系列空間狀態(tài)下的一組導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值等接口工藝參數(shù)。

圖2 導(dǎo)管加工余量計算技術(shù)路線Fig.2 Technical route of machining allowance calculation for pipeline

3.1 導(dǎo)管三維模型重構(gòu)

為提高建模效率，將導(dǎo)管三維數(shù)據(jù)由其中心線以及外徑兩個物理量來簡化描述，通過測量得到導(dǎo)管兩端圓心坐標(biāo)及彎折點(diǎn)圓心坐標(biāo)，通過等半徑圓弧連線得到導(dǎo)管測量中心線，如圖3所示，根據(jù)導(dǎo)管半徑、測量中心線、等半徑圓弧等特征信息，自動完成導(dǎo)管的三維重建。

圖3 導(dǎo)管中心線提取及三維重構(gòu)Fig.3 Centerline extraction and 3D reconstruction of pipeline

3.2 導(dǎo)管虛擬裝配

將測量重構(gòu)得到的導(dǎo)管三維模型加載到經(jīng)過實際測量數(shù)據(jù)驅(qū)動的發(fā)動機(jī)參數(shù)化模型上，進(jìn)行虛擬裝配。經(jīng)過實際測量數(shù)據(jù)驅(qū)動的與導(dǎo)管連接的兩個法蘭的空間位置都已固定，則兩個法蘭的軸向已經(jīng)確定。導(dǎo)管與法蘭和法蘭裝配后，最佳的效果應(yīng)當(dāng)是導(dǎo)管端的軸向與法蘭的軸向重合，同時導(dǎo)管端的軸向與法蘭的軸向重合，如圖4所示。因此，先找出導(dǎo)管和法蘭的軸向，然后通過空間坐標(biāo)變換，將導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)平移到法蘭坐標(biāo)系，使它們之間的軸向距離偏差之和最小，此時的導(dǎo)管位置即為最佳裝配位置。

圖4 導(dǎo)管與法蘭虛擬裝配Fig.4 Virtual assembly of pipeline and flange

導(dǎo)管虛擬裝配主要包括以下步驟：

1)對齊測量導(dǎo)管兩端直線段與法蘭幾何中心；

2)對齊測量導(dǎo)管裝配參考點(diǎn)與設(shè)計模型參考點(diǎn)；

3)在限定空間內(nèi)調(diào)整裝配參考點(diǎn)與設(shè)計模型參考點(diǎn)的距離，獲得一系列位姿空間狀態(tài)下的一組導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值等接口工藝參數(shù)。

3.3 導(dǎo)管切割位置及加工余量最優(yōu)值求解

以法蘭管口為基準(zhǔn)，構(gòu)建基準(zhǔn)平面，該平面與導(dǎo)管(假設(shè)已經(jīng)配準(zhǔn))相交，得到一條封閉的交線，如圖5(a)所示，該交線所在的平面即為導(dǎo)管的切割平面。通過計算導(dǎo)管端口到切割平面的距離，可以得出切割余量，如圖5(b)所示。

圖5 切割余量計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of cutting allowance calculation

在導(dǎo)管裝配時，以導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值等工藝要求作為約束條件，具體如下。

1)導(dǎo)管端面與其軸線垂直度

導(dǎo)管端面與其軸線垂直度如圖6所示，理想狀態(tài)下值越接近于0，導(dǎo)管焊接質(zhì)量越好。導(dǎo)管端面與其軸線垂直度工藝要求如表1所示。

圖6 導(dǎo)管端面與其軸線的垂直度Fig.6 Perpendicularity of pipeline end and its axis

2)導(dǎo)管對接錯位值

導(dǎo)管對接錯位值是指導(dǎo)管兩端與其焊接的零件的對接錯位，如圖7所示，工藝要求見表2。其中，為管路壁厚。

表1 導(dǎo)管端面與其軸線的垂直度H工藝要求值

圖7 導(dǎo)管對接錯位值Fig.7 Misalignment value of pipeline butt

表2 導(dǎo)管對接錯位值工藝要求值

在上述約束條件下，以導(dǎo)管裝配綜合偏差(導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值)最小建立導(dǎo)管余量去除多目標(biāo)優(yōu)化模型為

(1)

式中:()為導(dǎo)管裝配綜合偏差，是目標(biāo)函數(shù)；()為導(dǎo)管端面與其軸線垂直度；()為導(dǎo)管對接錯位值，是子目標(biāo)函數(shù)；為測量導(dǎo)管裝配參考點(diǎn)與設(shè)計模型參考點(diǎn)之間的距離，是決策空間；為測量導(dǎo)管裝配參考點(diǎn)與設(shè)計模型參考點(diǎn)之間距離的極值，是向量搜索上限。

導(dǎo)管切割位置及加工余量尋優(yōu)流程如圖8所示，為了獲得導(dǎo)管最優(yōu)裝配位置及最佳切割余量，調(diào)整測量導(dǎo)管裝配參考點(diǎn)與設(shè)計模型參考點(diǎn)之間的距離，并循環(huán)調(diào)用UG NX進(jìn)行虛擬裝配，獲得導(dǎo)管裝配空間位置解集及導(dǎo)管切割參數(shù)集。以導(dǎo)管端面與其軸線垂直度及導(dǎo)管對接錯位值最小為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，采用決策理論對多個空間位置解集進(jìn)行尋優(yōu)，求出的Pareto最優(yōu)解，進(jìn)而確定管路兩端最佳切割余量。系統(tǒng)根據(jù)Pareto最優(yōu)解輸出導(dǎo)管的各項切割工藝參數(shù)。

圖8 導(dǎo)管切割位置及余量計算尋優(yōu)流程圖Fig.8 Optimization flow chart of pipeline cutting position and allowance calculation

4 應(yīng)用效果

以某管路為例，通過三維掃描，如圖9所示，生成導(dǎo)管三維模型，如圖10所示，并在發(fā)動機(jī)數(shù)字孿生模型上進(jìn)行虛擬裝配，通過改變設(shè)計參考點(diǎn)在球體內(nèi)的空間位置(決策空間)，以滿足導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值工藝要求為約束條件，以導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值最小為目標(biāo)函數(shù)，獲取多組接口工藝參數(shù)解集(切割余量，導(dǎo)管端面與其軸線垂直度)。

圖9 導(dǎo)管三維掃描Fig.9 3D scanning of pipeline

圖10 導(dǎo)管三維模型重構(gòu)Fig.10 3D model reconstruction of pipeline

如圖11～圖13所示，通過移動參考點(diǎn)位置獲得了多組接口工藝參數(shù)解集。

圖11 可行虛擬裝配空間解1Fig.11 Solution 1 of feasible virtual assembly space

圖12 可行虛擬裝配空間解2Fig.12 Solution 2 of feasible virtual assembly space

圖13 可行虛擬裝配空間解3Fig.13 Solution 3 of feasible virtual assembly space

通過多次迭代獲得了如式(2)所示的接口工藝參數(shù)解集，依據(jù)導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值工藝要求對解集進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先剔除不滿足工藝要求的參數(shù)組，其次依照參數(shù)優(yōu)先級對各參數(shù)組進(jìn)行排序，最后反推出滿足最優(yōu)條件的控制點(diǎn)位置和對應(yīng)導(dǎo)管的接口工藝參數(shù)，從而完成導(dǎo)管切割位置的尋優(yōu)。

(2)

采用本文所述方法，針對某型液體火箭發(fā)動機(jī)16項導(dǎo)管進(jìn)行加工，生產(chǎn)的16 項導(dǎo)管全部符合工藝要求，單根導(dǎo)管加工時間不超過15 min，一次裝配合格達(dá)100%，部分導(dǎo)管工藝要求滿足情況如表3所示。

表3 導(dǎo)管加工工藝要求滿足情況

5 結(jié)語

本文重點(diǎn)研究了數(shù)字化制造技術(shù)在液體火箭發(fā)動機(jī)導(dǎo)管定制化加工中的應(yīng)用，針對液體火箭發(fā)動機(jī)導(dǎo)管定制化生產(chǎn)的特點(diǎn)，通過測量系統(tǒng)實際測量數(shù)據(jù)驅(qū)動發(fā)動機(jī)參數(shù)化模型，基于該模型以導(dǎo)管端面與其軸線垂直度、導(dǎo)管對接錯位值最小的多約束條件下的加工余量計算方法可確定最優(yōu)導(dǎo)管加工方案，采用本方法生產(chǎn)的導(dǎo)管全部合格交付，滿足了裝配要求，顯著提高了導(dǎo)管生產(chǎn)效率，對液氧煤油發(fā)動機(jī)批量化生產(chǎn)具有積極意義。