一種雙步調(diào)節(jié)的航天器管路裝夾工裝設(shè)計(jì)

周 奇，趙 婕，趙 越，李 凱，趙長(zhǎng)亮，樊福欣，宿 振，黃 鑫，韓 翠

(中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院529廠，北京 100094)

航天器管路產(chǎn)品是推進(jìn)分(子)系統(tǒng)、環(huán)控生保系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)等關(guān)鍵分系統(tǒng)的核心部件，管路產(chǎn)品的質(zhì)量直接決定了航天器的定位精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和在軌壽命，各系統(tǒng)管路的空間走向復(fù)雜，幾何精度要求高。各系統(tǒng)的設(shè)備儀器布局復(fù)雜而緊促，管路需在設(shè)備儀器之間狹窄的縫隙中穿行，管路組件制作精度誤差較大時(shí)就會(huì)與設(shè)備儀器干涉，影響裝配進(jìn)度[1]。

利用三維掃描方式對(duì)管路產(chǎn)品進(jìn)行三維掃描，能夠?qū)崿F(xiàn)基于三維模型的管路數(shù)據(jù)快速提取，以及彎曲角度、旋轉(zhuǎn)角度、直線段的長(zhǎng)度及端到端距離和走向快速檢測(cè)。目前，在管路三維檢測(cè)過(guò)程中仍存在較多的亟需改進(jìn)的環(huán)節(jié)，沿用現(xiàn)有工裝設(shè)備無(wú)法滿足型號(hào)數(shù)量增加及多型號(hào)并行發(fā)展趨勢(shì)。

因此，本文根據(jù)目前管路產(chǎn)品掃描測(cè)量過(guò)程中存在的固定困難、組卡搭建效率低等問(wèn)題，提出設(shè)計(jì)一種管路裝夾輔助工裝，保護(hù)管路表面質(zhì)量的同時(shí)，利用裝夾輔助工裝達(dá)到掃描測(cè)量過(guò)程的高效化，以使測(cè)量過(guò)程效率大幅提升，滿足后續(xù)管路的批量生產(chǎn)，確保型號(hào)任務(wù)的順利完成。

1 目前裝夾方案及存在的問(wèn)題

管路產(chǎn)品一般為鋁合金制品，具有弱剛度、易變形等特點(diǎn)，因此跟蹤儀、關(guān)節(jié)臂等接觸式測(cè)量方式容易使管路產(chǎn)品因受力而引起位置及姿態(tài)的變化[2]。三維掃描檢測(cè)為非接觸測(cè)量，掃描測(cè)量時(shí)管路產(chǎn)品姿態(tài)保持不變，裝夾或放置后產(chǎn)品周圍有足夠的空間進(jìn)行多方位的掃描。

目前三維掃描測(cè)量時(shí)管路產(chǎn)品裝夾方案包括如下2種：1)直接放置于虎鉗或平臺(tái)上；2)根據(jù)管路實(shí)際走向及長(zhǎng)度現(xiàn)場(chǎng)搭建組夾工裝[3-4]。

直接放置于虎鉗或平臺(tái)上僅適用于單管，且此時(shí)無(wú)法采集所需要的全部三維數(shù)據(jù)信息。較長(zhǎng)較復(fù)雜的管路組件由于管接頭位置多樣，方向各異，接口關(guān)系復(fù)雜(如柱塞接頭、三通、角通等)，管路組件需裝夾在組夾平臺(tái)上[5]，掃描檢測(cè)前組夾按需搭建，仍無(wú)法避免裝夾時(shí)與管連接件相互干涉，需改變裝夾位置進(jìn)行補(bǔ)充掃描，操作繁瑣效率低，已成為制約管路產(chǎn)量的癥結(jié)所在。除此之外，現(xiàn)有組卡都是金屬材質(zhì)，處理不當(dāng)會(huì)影響管路表面質(zhì)量。

2 管路三維掃描裝夾方案

針對(duì)管路三維掃描檢測(cè)過(guò)程中的裝夾問(wèn)題，提出一種管路裝夾方案，即設(shè)計(jì)一種管路裝夾輔助工裝，通過(guò)輔助工裝可實(shí)現(xiàn)如下功能。

1)管路組件快速裝夾。根據(jù)管路組件的實(shí)際直徑、長(zhǎng)度、走向、管接頭位置及角度快速搭建，管路裝夾輔助工裝可以實(shí)現(xiàn)φ4～φ30 mm直徑管路的裝夾，長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)可以使用多個(gè)工裝，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況手動(dòng)優(yōu)化并進(jìn)行裝夾姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)管路組件的無(wú)應(yīng)力裝夾[6-7]。

2)管路組件裝夾高度靈活調(diào)節(jié)。通過(guò)在管路組件裝夾工裝下增加底部伸縮支撐桿，實(shí)現(xiàn)工裝高度靈活調(diào)節(jié)，支撐桿與裝夾工裝通過(guò)萬(wàn)向球連接，實(shí)現(xiàn)裝夾位置及底部支撐位置的靈活調(diào)整，同時(shí)可以增加掃描活動(dòng)范圍，避免遮擋[8]。

3)管路組件表面保護(hù)。采用非金屬材質(zhì)，利用3D打印技術(shù)對(duì)裝夾工裝完成實(shí)物實(shí)現(xiàn)，3D打印材料為PLA，避免裝夾工裝與管路接觸時(shí)對(duì)管路表面造成破壞。

3 管路三維掃描裝夾輔助工裝設(shè)計(jì)

3.1 裝夾裝置的組成部分

管路三維掃描裝夾方案可以實(shí)現(xiàn)不同直徑、走向、長(zhǎng)度的管路裝夾，管路三維掃描裝夾輔助工裝主要包括磁力底座、伸縮支撐立桿、裝夾頭等3個(gè)主要部分構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。磁力底座可以保證裝夾裝置在工作臺(tái)面上X、Y平面內(nèi)任意位置的穩(wěn)固安放，伸縮桿用于調(diào)節(jié)高度Z，裝夾頭與伸縮桿之間由萬(wàn)向球連接，能夠?qū)崿F(xiàn)裝夾頭的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)。

3.2 裝夾頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)管路產(chǎn)品的直徑尺寸要求，裝夾裝置的裝夾范圍為φ4～φ30 mm，由于裝夾直徑跨度較大，采用單一調(diào)節(jié)裝置無(wú)法一次性滿足，因此設(shè)計(jì)雙步調(diào)節(jié)裝夾頭[9]。

將φ4～φ30 mm按管路產(chǎn)品的直徑尺寸分為φ16～φ30 mm大徑管和φ4～φ16 mm小徑管。對(duì)φ16～φ30 mm大徑管采用圖2a所示的大徑管裝夾方式，即滑動(dòng)塊型面與上夾塊型面貼合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓緊螺母上夾塊繞轉(zhuǎn)軸1(見(jiàn)圖1)旋轉(zhuǎn)，上夾塊與下夾塊發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)將大徑管夾緊，壓緊螺母的擰緊力矩為9～11 N·m。對(duì)于φ4～φ16 mm小徑管采用圖2b)所示的小徑管裝夾方式，即壓緊螺母保持鎖緊狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓2(見(jiàn)圖1)推動(dòng)滑動(dòng)塊向下運(yùn)動(dòng)，將小徑管夾緊。

圖1 裝夾裝置示意圖

圖2 不同管徑的裝夾方式

3.3 裝夾頭V形槽角度和尺寸計(jì)算

φ16～φ30 mm大徑管裝夾時(shí)，通過(guò)壓緊螺母和調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍較大，V形槽角度和尺寸對(duì)管徑上限限制較小。φ4～φ16 mm小徑管裝夾時(shí)，為滿足裝夾頭結(jié)構(gòu)緊湊的要求，管徑下限為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的邊界條件。

裝夾頭最小裝夾需要下夾頭V型槽與滑動(dòng)塊能夠貼合φ4 mm管外徑(見(jiàn)圖3a)，當(dāng)滑動(dòng)塊升到最頂端時(shí)滑塊形面與上夾頭型面重合，此時(shí)能夠貼合φ16 mm外徑(見(jiàn)圖3b)。

圖3 不同管徑的裝夾示意圖

由圖3所示的幾何關(guān)系，可以建立方程組，求解后可得V型截面的尺寸參數(shù)：

(1)

4 裝夾裝置3D打印快速實(shí)現(xiàn)

裝夾頭與零件發(fā)生直接接觸，為了避免劃傷零件表面，材料需選用非金屬材料，并采用FDM 3D打印技術(shù)進(jìn)行快速成型。

4.1 FDM 3D打印原理

FDM 3D打印是一種快速成型技術(shù)，所用材料一般是熱塑性材料，如PLA塑料、ABS塑料、尼龍、蠟或低熔點(diǎn)金屬絲等，材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用特定軟件將三維數(shù)模沿厚度方向分割成若干個(gè)二維層面，噴頭沿每個(gè)二維層面輪廓運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的三維結(jié)構(gòu)。由于其特有的增材制造特性，具有響應(yīng)迅速、生產(chǎn)周期短、價(jià)格低廉和成型能力極強(qiáng)等特點(diǎn)。

4.2 裝夾裝置3D打印實(shí)現(xiàn)

本文所述裝夾頭使用北京衛(wèi)星制造廠有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為XGM～5C的桌面3D打印機(jī)，該打印機(jī)最大打印范圍為200 mm×200 mm×200 mm，Gcode類型RepRap(Marlin/Sprinter)，出絲最小直徑為0.1 mm，具備較高的加工精度，常用的打印材料包括丙烯腈～丁二烯～苯乙烯共聚物(acrylonitrile～butadiene～styrene，ABS)或者聚乳酸(polylactic acid，PLA)。本文所述裝夾頭采用直徑1.75 mm的PLA線材進(jìn)行3D打印。三維模型應(yīng)用Cura軟件進(jìn)行切片處理。

裝夾頭3D打印參數(shù)見(jiàn)表1，打印時(shí)在懸空位置添加網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)。

表1 打印參數(shù)表

按照表1參數(shù)打印裝夾頭共耗時(shí)5.5 h。由于在上夾頭需要螺接壓緊螺母，采用PLA材料打印的內(nèi)螺紋可靠性差，因此在3D打印后的螺紋孔中安裝鋼絲螺套，可有效解決3D打印零件的螺紋安裝問(wèn)題。

5 管路三維掃描試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4a所示為使用3D打印裝夾頭對(duì)管路的裝夾效果，圖4b所示為使用雙步管路裝夾工裝裝夾后管路產(chǎn)品的三維掃描試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)使用管路三維掃描裝夾輔助工裝，可滿足φ4～φ30 mm直徑管路組件裝夾要求。此工裝裝夾不受行程限制，在測(cè)量?jī)x器的范圍內(nèi)可隨意擺放。很好地保證了管路組件在測(cè)量時(shí)方向的任意調(diào)整，夾緊后保證自然狀態(tài)下管路組件姿態(tài)保持不變，具有良好的穩(wěn)定性。3D打印的塑料材質(zhì)，避免了裝夾時(shí)對(duì)產(chǎn)品造成磕傷、劃傷現(xiàn)象，大大加強(qiáng)了對(duì)管路組件的測(cè)量時(shí)的保護(hù)，降低了操作風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)極大地提高了測(cè)量效率。

a)3D打印裝夾頭裝夾效果

b)雙步管路裝夾工裝裝夾現(xiàn)場(chǎng)

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)量實(shí)踐，在對(duì)管路傳統(tǒng)裝夾方案及問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，提出了設(shè)計(jì)一種雙步調(diào)節(jié)工裝，對(duì)工裝裝置組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D打印實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，對(duì)管路測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)裝夾應(yīng)用效果進(jìn)行了介紹。目前該管路裝夾工裝已應(yīng)用到多個(gè)型號(hào)管路產(chǎn)品的三維檢測(cè)中，具有很強(qiáng)的適用性和實(shí)用性。該管路裝夾工裝的應(yīng)用能大幅降低操作者的工作強(qiáng)度，提高管路產(chǎn)品三維掃描檢測(cè)效率，使檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便、快捷、高效，滿足后續(xù)管路產(chǎn)品批量化研制需求，同時(shí)也可以推廣至管路自動(dòng)焊接時(shí)的姿態(tài)調(diào)整，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。