基于激光跟蹤儀的管路數(shù)字化取樣制造技術(shù)研究

蔡奇彧，石 璟，李新勇，吳江巍，文遠(yuǎn)華

基于激光跟蹤儀的管路數(shù)字化取樣制造技術(shù)研究

蔡奇彧，石 璟，李新勇，吳江巍，文遠(yuǎn)華

（四川航天長征裝備制造有限公司，成都，610100）

在運(yùn)載火箭中，由于箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)制造誤差、裝配誤差以及各裝配件的累積誤差等因素，導(dǎo)致這些連接的輸送管路必須通過箭上實(shí)際裝配空間來進(jìn)行現(xiàn)場取樣裝配，方能保證其在箭體上的精確對接裝配。針對該類大直徑輸送管路，開展基于激光跟蹤儀測量方法的管路數(shù)字化取樣制造技術(shù)研究，首先通過在總裝前分別測量箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵連接部位的空間位置，然后基于測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字模型的虛擬裝配，最后通過機(jī)器人復(fù)現(xiàn)該管路系統(tǒng)的相對空間位置，模擬管路在箭體總裝現(xiàn)場的取樣制造。通過實(shí)測正式產(chǎn)品來驗(yàn)證該數(shù)字化取樣制造的精度，實(shí)現(xiàn)管路的并行生產(chǎn)，提高裝配生產(chǎn)效率。

大直徑輸送管路；激光跟蹤儀；數(shù)字化取樣；虛擬裝配

0 引 言

在運(yùn)載火箭中，增壓輸送系統(tǒng)管路產(chǎn)品被稱為“主動(dòng)脈”系統(tǒng)，主要起燃料增壓和輸送等作用，對運(yùn)載火箭的飛行試驗(yàn)成敗起決定性的作用[1,2]。其中，連接發(fā)動(dòng)機(jī)與箱體的大直徑輸送管路制造過程較長、補(bǔ)償角度較小，對于滿足其在箭體上的精確對接與裝配密封性要求具有較大難度。該類大直徑輸送管路一部分通過圖紙尺寸直接制造生產(chǎn)，另一部分的關(guān)鍵連接彎管則根據(jù)實(shí)際裝配位置現(xiàn)場取樣，共同滿足箭體系統(tǒng)管路的精準(zhǔn)連接。

由于運(yùn)載火箭箱體與發(fā)動(dòng)機(jī)的制造誤差、裝配誤差以及各裝配件的累積誤差等因素，導(dǎo)致這些連接的輸送管路仍然采用傳統(tǒng)的串行生產(chǎn)制造模式，即當(dāng)總裝完成箱體與發(fā)動(dòng)機(jī)對接之后方能開展管路的現(xiàn)場實(shí)物取樣，再返回制造車間進(jìn)行管路制造與性能檢測，最后到總裝車間進(jìn)行試裝與總裝。然而，對于某些型號產(chǎn)品多地生產(chǎn)與總裝的制造模式，極大增加了綜合資源浪費(fèi)與制造操作難度。取代現(xiàn)有往返現(xiàn)場取樣的傳統(tǒng)“串行生產(chǎn)”模式向“并行生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)型將有助于提升產(chǎn)能，減少總裝等待時(shí)間。

本文針對該類大直徑輸送管路，開展基于激光跟蹤儀測量建模與虛擬裝配方法研究，并以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管路異地取樣生產(chǎn)制造的相關(guān)研究，通過在總裝前分別對箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)上關(guān)鍵連接部位的實(shí)際空間位置進(jìn)行測量，然后基于該實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字模型的異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與虛擬裝配，最后通過機(jī)器人復(fù)現(xiàn)該管路系統(tǒng)的相對空間位置，模擬管路在箭體總裝現(xiàn)場的取樣制造。通過測量與實(shí)物的雙重驗(yàn)證對該數(shù)字化取樣制造的精度校核，實(shí)現(xiàn)管路的異地并行生產(chǎn)，提高裝配生產(chǎn)效率。

1 研究對象分析

運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)管路是連接箱底法蘭盤與發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭盤實(shí)現(xiàn)燃料輸送的管路，用于將推進(jìn)劑從火箭箱體輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)，是運(yùn)載火箭重要的單機(jī)產(chǎn)品[3～5]。如圖1所示，輸送系統(tǒng)主要通過4根內(nèi)徑Φ158的大直徑輸送管分別給4臺發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料供給，一般由法蘭盤、接頭、波紋管補(bǔ)償器、直管、半邊彎管、環(huán)等組成，是典型的焊接連接型管路，其中，波紋管補(bǔ)償器只能在較小范圍內(nèi)對管路的位移和角度進(jìn)行補(bǔ)償作用。

圖1 輸送管裝配及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于每個(gè)箱底安裝法蘭和發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭的位置與朝向均有略微差異，因此，各個(gè)連接的輸送管不能相互替代，而均需要根據(jù)實(shí)際空間相對位置進(jìn)行單獨(dú)取樣和制造，才能滿足各個(gè)法蘭對接面的精度要求。此外，為滿足產(chǎn)品在工作過程中的性能要求，應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸送管路的低應(yīng)力制造與裝配，因此，管路空間尺寸數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲取與整體制造是防止箭體裝配后產(chǎn)生較大應(yīng)力的關(guān)鍵。

2 管路實(shí)際裝配空間獲取

為實(shí)現(xiàn)并行生產(chǎn)，提高輸送管路的制造及總裝效率，輸送管路的實(shí)際裝配空間位姿是在箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)總裝對接前通過實(shí)測箱底安裝法蘭和發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭位置來完成，基于實(shí)測的產(chǎn)品數(shù)據(jù)有效消除了制造與裝配誤差帶來的影響。具體實(shí)現(xiàn)過程是運(yùn)用激光跟蹤儀分別測量箱底安裝法蘭及發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭的空間坐標(biāo)及矢量方向，將箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)的對接公共面作為統(tǒng)一的基準(zhǔn)面建立測量坐標(biāo)系完成數(shù)字模型的虛擬裝配，從而獲得管路的實(shí)際裝配空間位姿描述。

2.1 基于激光跟蹤儀的測量坐標(biāo)系構(gòu)建

激光跟蹤儀以激光為測距手段能夠進(jìn)行大空間的高精度測量，并且能夠快速給出產(chǎn)品的空間位置與姿態(tài)標(biāo)定，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天的數(shù)字化裝配制造過程中[6～8]。坐標(biāo)系是運(yùn)用激光跟蹤儀對采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述的基礎(chǔ)，也是建立數(shù)字化模型的前提，對于不同的測量對象與應(yīng)用場景，需要建立不同的坐標(biāo)系?；诒疚难芯繉ο螅柚粶y對象上的關(guān)鍵特征來進(jìn)行測算，進(jìn)而選取產(chǎn)品上的關(guān)鍵特征孔點(diǎn)并進(jìn)行測量，建立箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)對接面為基準(zhǔn)的測量坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 測量坐標(biāo)系構(gòu)建示意

在測量坐標(biāo)系的構(gòu)建過程中，箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)都是以對接面的法向方向作為軸的正向，以4組對接孔在該對接面投影方向上的擬合圓圓心作為原點(diǎn)坐標(biāo)，以箱體或發(fā)動(dòng)機(jī)在Ⅲ象限的孔點(diǎn)指向作為軸正向，建立統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系。

2.2 法蘭空間位置測量

法蘭盤在空間中的位置是通過測量該法蘭端面上的內(nèi)圓，并以圓中心點(diǎn)坐標(biāo)和該圓的方向矢量作為該法蘭在測量坐標(biāo)系中的空間位置標(biāo)定，將該內(nèi)圓作為三維數(shù)字模型中該法蘭的代理模型圓，如圖3所示為箱底安裝法蘭內(nèi)圓測量與代理模型位置，同理可得到發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭在空間中的位置標(biāo)定。

圖3 箱底安裝法蘭測量與代理模型位置示意

由于測量過程以對接面作為統(tǒng)一的基準(zhǔn)面，因此，將箱底安裝法蘭的中心坐標(biāo)及方向矢量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化即可得出該法蘭在箱體上的實(shí)際裝配空間，并以代理模型圓進(jìn)行表示。

2.3 基于測量數(shù)據(jù)的數(shù)字模型虛擬裝配

基于上述各法蘭的測量數(shù)據(jù)建立三維數(shù)字模型，將箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)對接面的測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為數(shù)字模型坐標(biāo)系，并在裝配環(huán)境中進(jìn)行虛擬裝配，得到各法蘭的代理模型圓在統(tǒng)一空間下的位置坐標(biāo)，如圖4所示為2號輸送管路的空間變換矩陣，將其轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)及四元數(shù)值有助于后續(xù)機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整，表1為 4根大直徑輸送管路實(shí)際裝配空間的位姿描述。

圖4 2號輸送管路法蘭空間變換矩陣

表1 輸送管路空間坐標(biāo)及四元數(shù)

Tab.1 The Space Coordinate and Quaternions of The Conveying Pipeline

管路XYZq0q1q2q3 1號輸送管路206.700-0.56961081.180.9717-0.00290.23620.0003 2號輸送管路214.232-3.60101078.020.9671-0.00840.25430.0027 3號輸送管路211.790-7.55691078.140.9690-0.00210.24700.0069 4號輸送管路210.7613.21341077.400.9683-0.00410.2498-0.0034

3 機(jī)器人復(fù)現(xiàn)管路數(shù)字化取樣制造

管路數(shù)字化取樣制造以機(jī)器人平臺為基礎(chǔ)，用數(shù)字信息傳遞的方式通過機(jī)器人復(fù)現(xiàn)管路系統(tǒng)的相對空間位置，模擬管路在箭體總裝現(xiàn)場的取樣制造。復(fù)現(xiàn)裝配現(xiàn)場取樣過程如圖5所示，以工作臺上的三爪卡盤所夾持的法蘭盤的端面中心為原點(diǎn)構(gòu)建工件坐標(biāo)系，該法蘭盤表示與發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭盤連接的輸送管法蘭一端；機(jī)器人機(jī)械臂末端夾持的法蘭盤端面中心作為管路法蘭的位置點(diǎn)，該法蘭盤表示與箱體法蘭盤連接的輸送管法蘭的另一端。將表1所示數(shù)據(jù)輸入至機(jī)器人軟件操作界面，通過機(jī)器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)管路空間位置的復(fù)現(xiàn)，即可進(jìn)行模擬現(xiàn)場取樣制造的過程。

圖5 機(jī)器人復(fù)現(xiàn)裝配現(xiàn)場取樣過程

提高彎管的修配準(zhǔn)確度是實(shí)現(xiàn)管路數(shù)字化取樣制造的關(guān)鍵，本文運(yùn)用自制取樣工裝能夠?qū)崿F(xiàn)對彎管的精準(zhǔn)修配，極大降低了操作人員反復(fù)試裝的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高良品率與生產(chǎn)效率，如圖6所示為彎管精準(zhǔn)修配過程。

圖6 彎管精準(zhǔn)修配過程

通過工裝基準(zhǔn)環(huán)的移動(dòng)與自轉(zhuǎn)改變自身空間位置并保證兩端連接處于同一水平面，通過旋入緊固螺栓與螺紋連接件保證連接管的徑向夾緊力與基準(zhǔn)環(huán)的相對固定；然后沿基準(zhǔn)環(huán)周向劃線形成修配環(huán)線位；最后通過切管機(jī)和角磨機(jī)實(shí)現(xiàn)彎管的精準(zhǔn)修配。

保持機(jī)器人平臺兩端夾持位置不變，對已修配能夠精準(zhǔn)對接的彎管進(jìn)行點(diǎn)焊和連續(xù)焊接，從而實(shí)現(xiàn)整根輸送管路的數(shù)字化現(xiàn)場取樣制造。

4 管路數(shù)字化取樣精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證輸送管的制造精度是否滿足實(shí)際裝配對接的要求，通過管路數(shù)字化取樣制造的輸送管進(jìn)行測量比對與實(shí)物裝配雙重驗(yàn)證。

運(yùn)用激光跟蹤儀測量從機(jī)器人平臺取下的輸送管兩端法蘭端面，并將該測量數(shù)據(jù)以代理模型圓的形式在三維模型里進(jìn)行虛擬裝配，根據(jù)裝配面的距離和間隙情況對管路可裝配性進(jìn)行判別，從而驗(yàn)證輸送管路的制造精度。在虛擬裝配時(shí)，首先將發(fā)動(dòng)機(jī)端的法蘭代理模型圓坐標(biāo)系與原測量模型坐標(biāo)系對齊，然后觀察箱體端法蘭代理模型圓與原測量模型的代理模型圓的差異性。從圖7所示可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)端法蘭對齊后，箱體端法蘭的測量與制造誤差極小，中心點(diǎn)距離差值僅為0.2694 mm，角度差值僅為0.0356°；由于輸送管的兩個(gè)波紋管補(bǔ)償器具有一定的補(bǔ)償范圍，能夠滿足輸送管在箭體上適度范圍的裝配要求。因此，通過測量比對和三維虛擬裝配可以完成管路制造和裝配精度的驗(yàn)證。

圖7 管路數(shù)字化取樣精度驗(yàn)證

將輸送管路在總裝現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)物裝配進(jìn)一步驗(yàn)證管路數(shù)字化取樣制造的測量精度以及制造方法的合理性。將輸送管路兩端分別與箱體法蘭和發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭對接，并均用螺栓進(jìn)行緊固，然后用塞尺對法蘭連接處的間隙值進(jìn)行測量，需滿足設(shè)計(jì)文件0.02 mm的公差要求。通過實(shí)際裝配觀察與測量，波紋管補(bǔ)償器無明顯裝配變形，0.02 mm塞尺不能塞進(jìn)縫隙說明間隙值滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)低應(yīng)力裝配和精準(zhǔn)對接。

5 啟示與建議

結(jié)合管路數(shù)字化取樣實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用推廣啟示與建議：

a）針對總裝車間現(xiàn)場箱體與發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭位置不定、測量操作專業(yè)性強(qiáng)等問題，需研究基于SA的二次開發(fā)，解決現(xiàn)場人員操作精密設(shè)備困難、測量數(shù)據(jù)可視化等問題，達(dá)到能夠滿足裝配現(xiàn)場使用與快速測量的效果。

b）對測量的異構(gòu)數(shù)據(jù)（法向角度、RPY角）進(jìn)行程序模塊化設(shè)計(jì)，滿足特定數(shù)據(jù)格式之間的快速轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)格式與三維數(shù)模編輯數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)效率虛擬裝配。

c）針對機(jī)器人平臺裝夾問題需實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)夾爪的優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)基于機(jī)器人平臺的產(chǎn)品快速裝卸，實(shí)現(xiàn)柔性化制造。

6 結(jié)束語

本文以運(yùn)載火箭中的大直徑輸送管路為對象，開展了基于激光跟蹤儀測量建模與虛擬裝配方法，并以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管路異地取樣生產(chǎn)制造的相關(guān)技術(shù)研究，通過在運(yùn)載火箭總裝前分別測量其箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵連接部位的實(shí)際空間位置，然后基于測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字模型的異構(gòu)數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換與模型虛擬裝配，最后通過工業(yè)機(jī)器人復(fù)現(xiàn)該管路系統(tǒng)的相對空間位置，模擬管路在箭體總裝現(xiàn)場的取樣制造，通過實(shí)物和理論數(shù)據(jù)比對以及總裝現(xiàn)場實(shí)物裝配，有效驗(yàn)證了整個(gè)數(shù)字化取樣過程的制造精度。本研究的開展，有效解決了箱體和發(fā)動(dòng)機(jī)制造誤差、裝配誤差以及各裝配件的累積誤差等因素而導(dǎo)致的輸送管路必須通過箭上實(shí)際裝配空間來進(jìn)行現(xiàn)場取樣裝配的難題，同時(shí)，取代現(xiàn)有往返現(xiàn)場取樣的傳統(tǒng)“串行生產(chǎn)”模式向“并行生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)型不僅實(shí)現(xiàn)了管路低應(yīng)力裝配和精準(zhǔn)對接，而且有助于提升產(chǎn)能，縮短總裝等待時(shí)間，提高裝配生產(chǎn)效率。

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Research on Digital Sampling Manufacturing Technology of Pipeline based on Laser Tracker

Cai Qi-yu, Shi Jing, Li Xin-yong, Wu Jiang-wei, Wen Yuan-hua

(Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing Co.Ltd , Chengdu, 610100)

In the launch vehicle, due to factors such as tank and engine manufacturing errors, assembly errors, and cumulative errors of various assembly parts, these connected conveying pipelines must be sampled and assembled on-site through the actual assembly space on the arrow. Its precise docking assembly on the rocket body. For this type of large diameter conveying pipeline, this research carries out the research on the digital sampling and manufacturing technology of the pipeline based on the measurement method of the laser tracker. The spatial position of the key connection parts of the tank and the engine are measured before the final assembly, and then digital based on the measured data virtual assembly of the model, and finally reproduce the relative spatial position of the pipeline system through a robot, and simulate the sampling and manufacturing of the pipeline on the site of the rocket body assembly. The accuracy of the digital sampling and manufacturing is verified through actual measurement of official products, parallel production of pipelines is realized, and assembly production efficiency is improved.

large diameter transmission pipeline; laser tracker; digital sampling; virtual assembly

2097-1974(2023)01-0084-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230117

TH166

A

2020-10-09；

2020-12-17

國家自然科學(xué)基金委員會-中國航天科技集團(tuán)有限公司航天先進(jìn)制造技術(shù)研究聯(lián)合基金（U1737203）；四川省科技計(jì)劃資助（2020YFG0196）

蔡奇彧（1989-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)。

石 璟（1984-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)。

李新勇（1963-），男，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化測量技術(shù)。

吳江?。?988-），男，工程師，主要研究方向?yàn)楹附又圃旒夹g(shù)。

文遠(yuǎn)華（1981-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)。