曾祥財(cái)，余志明，林振華，周 恒

（中航工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

0 引 言

雷達(dá)罩的主要功能是保護(hù)罩內(nèi)雷達(dá)天線系統(tǒng)，雷達(dá)罩除了要滿足氣動(dòng)外形外，還應(yīng)滿足電性能要求，為滿足越來越高的電性能要求，高性能雷達(dá)罩采用了變壁厚的設(shè)計(jì)方法[1]。由于模具、現(xiàn)場操作、設(shè)備等因素的影響，雷達(dá)罩在成型過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生形狀誤差。采用變壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，因雷達(dá)罩的壁厚變化量小，壁厚精度要求高，如果不能有效控制雷達(dá)罩制造的形狀誤差，則難以通過變壁厚設(shè)計(jì)方法來提高雷達(dá)罩的電性能。針對雷達(dá)罩成型過程中產(chǎn)生的誤差，本文提出雷達(dá)罩成型模具型面修正與雷達(dá)罩內(nèi)輪廓面磨削相結(jié)合的形狀誤差控制方法，其流程如圖1所示。在生產(chǎn)試驗(yàn)件時(shí)，采用三坐標(biāo)測量機(jī)測量雷達(dá)罩外形并計(jì)算誤差，根據(jù)誤差進(jìn)行補(bǔ)償修正模具得到修正點(diǎn)云，并采用雙三次B樣條曲面重構(gòu)方法對點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu)，得到修正后的成型模具型面，按修正后的成型模具型面重新制造模具供生產(chǎn)使用。在批生產(chǎn)時(shí)，經(jīng)過半精加工的雷達(dá)罩外形已符合氣動(dòng)要求，外形不應(yīng)繼續(xù)加工，只能對內(nèi)輪廓面進(jìn)行磨削，以獲得高精度的變厚度雷達(dá)罩，因此，測量并重構(gòu)雷達(dá)罩內(nèi)輪廓面是內(nèi)輪廓面磨削的前提條件[2,3]。

1 雷達(dá)罩型面測量及型面重構(gòu)

1.1 雷達(dá)罩型面測量

目前，用于采集物體表面數(shù)據(jù)的測量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。不同的測量方式，不但決定了測量本身的精度、速度和經(jīng)濟(jì)性，還造成了測量數(shù)據(jù)類型及后續(xù)處理方式的不同，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的測量設(shè)備和方法。教練機(jī)雷達(dá)罩外形較為復(fù)雜，如圖2所示，根據(jù)雷達(dá)罩特點(diǎn)，采用三坐標(biāo)測量機(jī)對雷達(dá)罩外形和內(nèi)輪廓進(jìn)行掃描測量，掃描軌跡為一系列平行于連接端面的平面與外形曲面的截面曲線。通常采用的采樣方法有等間距法、等弦長法、等弧長法和等弦高法。對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行測頭半徑補(bǔ)償、噪聲點(diǎn)去處等預(yù)處理程序之后，即完成了雷達(dá)罩型面的測量。

圖1 雷達(dá)罩形狀誤差控制流程

圖2 教練機(jī)雷達(dá)罩示意圖

1.2 雙三次B樣條曲面重構(gòu)

雷達(dá)罩型面的重構(gòu)，即根據(jù)測量機(jī)所得到的雷達(dá)罩型面的型值點(diǎn)，擬合出雷達(dá)罩的型面。根據(jù)雷達(dá)罩形狀的特點(diǎn)和加工要求，取母線方向?yàn)榭v向參數(shù)方向，以u為參數(shù)，取圓周截面方向?yàn)闄M向參數(shù)方向，以v為參數(shù)。給定（m+1)×(n+1)個(gè)控制頂點(diǎn)，把它們排成一個(gè)（m+1)×(n+1)階矩陣{Pi,j}(i=0,1,…，m;j=0,1,…,n)它們組成B樣條曲面的控制網(wǎng)格，相應(yīng)的B樣條方程為：

其中：k,l分別為給定參數(shù)u,v的次數(shù)，Ni,k(u)，Nj,l(v)為B樣條基函數(shù)，定義為：

當(dāng)k=l=3時(shí)，式（1）則構(gòu)成了雙三次B樣條曲面，相應(yīng)的雙三次B樣條曲面方程為：

其中：

由于測量機(jī)得到的數(shù)據(jù)不是曲面的控制頂點(diǎn)，而是通過曲面的型值點(diǎn)，因此必須通過型值點(diǎn)反算出控制頂點(diǎn)。給定（m+1)×(n+1)個(gè)型值點(diǎn)bi,j,i=0,1,…, m;j=0,1,…,n和節(jié)點(diǎn)矢量U=[u0,u1,…um+4]與 V=[v0,v1,…,vn+4]，欲求控制頂點(diǎn)pi,j,i=0,1,…,m;j=0,1,…,n使其所決定的雙三次B樣條曲面通過bi,j。雙三次B樣條插值曲面的方程可寫成：

于是可將反算控制頂點(diǎn)pi,j的過程分為兩步。第一步，固定j，對bi,j(j=0,1,…,n)沿u向應(yīng)用曲線反算，分別求出n+1條等參數(shù)曲線的控制頂點(diǎn)qi,j；第二步，固定i，對qi,j(i=0,1,…,m)沿v向應(yīng)用曲線反算，分別求出m+1條插值曲線的控制頂點(diǎn)pi,j(i=0,1,…,m;j=0,1,…,n)，即為雙三次B樣條插值曲面的控制頂點(diǎn)，將控制頂點(diǎn)代回式（3）可求得曲面上任意一點(diǎn)，完成了曲面的重構(gòu)。通常，僅給出一組數(shù)據(jù)點(diǎn)還不足以求出全部的控制頂點(diǎn)，還需提供適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，為了避免給出邊界條件，可采用文獻(xiàn)[4]所述的三次B樣條反算的一種簡便算法。

2 雷達(dá)罩成型模具型面修正

通常，模具修正流程是根據(jù)零件的誤差對模具進(jìn)行反向補(bǔ)償修正，因此，雷達(dá)罩成型模具型面修正的前提條件是計(jì)算出雷達(dá)罩各處誤差，但是，由于測量坐標(biāo)系和設(shè)計(jì)坐標(biāo)系不一致，無法直接計(jì)算雷達(dá)罩誤差。雷達(dá)罩測量點(diǎn)云與設(shè)計(jì)曲面進(jìn)行曲面匹配旨在尋找測量坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣T，消除坐標(biāo)系不一致導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。設(shè)測量點(diǎn)為Pi=(xi,yi,zi),i=1,2,…,n，經(jīng)過坐標(biāo)變換為P′i=PiT(i=1,2,…,n)，盡可能包容設(shè)計(jì)曲面。因此可構(gòu)造如式（4）所示的目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)最小時(shí)就達(dá)到了匹配要求。

式中：T為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，Qi為P′i在雷達(dá)罩設(shè)計(jì)曲面上的投影點(diǎn)，投影點(diǎn)算法采用文獻(xiàn)[5]中所述方法。

其中，α,β,γ,tx,ty,tz分別為Pi(xi,yi,zi)的旋轉(zhuǎn)角度和平移距離,α,β,γ符合右手螺旋規(guī)則。P′i=PiT(i=1，2，…，n)盡可能包容設(shè)計(jì)曲面的過程可看作F(α,β,γ,tx,ty, tz)→min，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)F(α,β,γ,tx,ty,tz)最小時(shí)，可計(jì)算出α,β,γ,tx,ty,tz并計(jì)算轉(zhuǎn)換矩陣T，進(jìn)而計(jì)算出P′i=PiT(i= 1，2，…，n)。設(shè)雷達(dá)罩各點(diǎn)的誤差為Δi(i=1,2,…,n)，則有Δi=｜P′i-Qi｜（i=1,2,…,n)，雷達(dá)罩各點(diǎn)的誤差計(jì)算完成之后即可進(jìn)行模具型面的修正。

在多種模具型面補(bǔ)償修正方法中，幾何位移補(bǔ)償法由于收斂快，并且適合于大幾何位移變形和復(fù)雜工件的情況而得到更多的重視，以節(jié)點(diǎn)的幾何位移補(bǔ)償為基礎(chǔ)，也衍生出各種具體實(shí)用的補(bǔ)償方案[6]。對于沖壓模具而言，一般是將沖壓件的回彈量在沖壓方向上直接反向疊加到初始模具型面，其實(shí)這只是一種經(jīng)驗(yàn)的方法，并沒有理論基礎(chǔ)。教練機(jī)雷達(dá)罩采用復(fù)合材料，成型過程中產(chǎn)生誤差的機(jī)理復(fù)雜，其成型模具型面的修正方法往往也是經(jīng)驗(yàn)的方法，即將誤差反向疊加到模具的初始型面或增加修正系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，本文采用修正系數(shù)調(diào)節(jié)。

設(shè)模具的修正曲面上對應(yīng)的修正點(diǎn)為P″i(i=1,2,…,n),O為坐標(biāo)系原點(diǎn)，e為模具修正系數(shù)，一般由經(jīng)驗(yàn)或大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出，e＞0，根據(jù)各點(diǎn)的誤差Δi(i= 1,2,…,n)對模具反向補(bǔ)償修正，則有：

因曲面匹配過程中已知P′i及Qi，給定修正系數(shù)e，則可計(jì)算出OP″i，進(jìn)而得到修正曲面的各個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)P″i(i=1,2,…,n),對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行雙三次B樣條曲面重構(gòu)即可獲得模具的修正曲面。

3 雷達(dá)罩的精加工

為達(dá)到電性能指標(biāo)，雷達(dá)罩對電厚度公差有嚴(yán)格的要求，僅僅依靠模具和手工打磨很難滿足電厚度公差控制要求，因此必須對雷達(dá)罩進(jìn)行精加工。雷達(dá)罩的電厚度偏差可通過改變雷達(dá)罩的壁厚偏差得到補(bǔ)償，因此可對雷達(dá)罩全罩進(jìn)行電厚度測量，根據(jù)電厚度偏差確定幾何厚度偏差，通過改變雷達(dá)罩的壁厚偏差實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)罩電厚度偏差的補(bǔ)償，最終使雷達(dá)罩達(dá)到電性能要求。

目前針對幾何厚度偏差補(bǔ)償措施主要有磨削補(bǔ)償和噴涂補(bǔ)償。磨削補(bǔ)償采用正公差，雷達(dá)罩在成型和半精加工后留有加工余量，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行手工修磨或數(shù)控修磨，但是由于手工修磨的磨削精度難以保證，因此美國等發(fā)達(dá)國家采用數(shù)控修磨，磨削精度高。噴涂補(bǔ)償采用負(fù)偏差，在雷達(dá)罩半精加工的基礎(chǔ)上對內(nèi)表面進(jìn)行局部噴涂補(bǔ)償，該方法缺點(diǎn)是難以控制噴涂厚度，噴涂材料的介電常數(shù)與玻璃鋼介電常數(shù)不一致，影響電性能。文獻(xiàn)[2]和[3]提出了在專用數(shù)控磨床上對雷達(dá)罩內(nèi)表面進(jìn)行磨削的精加工方法，采用測量機(jī)測量雷達(dá)罩的內(nèi)輪廓，同時(shí)測量電厚度偏差，根據(jù)電厚度偏差確定幾何厚度偏差，然后根據(jù)內(nèi)輪廓測量數(shù)據(jù)和幾何厚度偏差擬合符合電厚度要求的雷達(dá)罩內(nèi)輪廓型面，為數(shù)控加工編程提供依據(jù)。

設(shè)加工前內(nèi)輪廓測量點(diǎn)群為Pi(ui,vi)，各點(diǎn)對應(yīng)的偏差量為li，由于采用正偏差，故Pi(ui,vi)處磨削量為li。對Pi(ui,vi)進(jìn)行曲面重構(gòu)，曲面方程為r=r(u,v)，曲面任意一點(diǎn)Pi(ui,vi)處有u向切矢ru(ui,vi)和v向切矢rv(ui,vi)，通過ru(ui,vi)和rv(ui,vi)可計(jì)算出曲面在Pi(ui,vi)點(diǎn)處的單位法矢n(ui,vi)：

加工后雷達(dá)罩內(nèi)輪廓面對應(yīng)點(diǎn)群為：

當(dāng)磨床砂輪在雷達(dá)罩內(nèi)輪廓面法矢量所指的一側(cè)時(shí)，式（5）中 取“-”，反之，則取“+”，對Si(ui,vi)進(jìn)行雙三次B樣條曲面重構(gòu)即可得符合電厚度要求的雷達(dá)罩內(nèi)輪廓型面。為了保證重構(gòu)精度，應(yīng)增加型值點(diǎn)個(gè)數(shù)，但型值點(diǎn)數(shù)量增加會(huì)導(dǎo)致計(jì)算速度下降，因此在重構(gòu)內(nèi)輪廓面時(shí)應(yīng)根據(jù)所需精度適當(dāng)調(diào)整型值點(diǎn)個(gè)數(shù)，滿足精度的同時(shí)保證計(jì)算速度。

4 結(jié) 語

本文針對雷達(dá)罩的嚴(yán)格誤差控制要求，提出雷達(dá)罩成型模具型面修正與雷達(dá)罩內(nèi)輪廓面磨削相結(jié)合的形狀誤差控制方法。采用測量機(jī)測量雷達(dá)罩試驗(yàn)件，計(jì)算誤差并修正模具型面，應(yīng)用雙三次B樣條曲面重構(gòu)方法，完成了成型模具修正曲面的高精度重構(gòu)；根據(jù)雷達(dá)罩的內(nèi)輪廓面的測量數(shù)據(jù)和電厚度要求的磨削量分布,擬合出符合電厚度要求的內(nèi)輪廓面，可實(shí)現(xiàn)后續(xù)精密磨削加工中刀具軌跡的計(jì)算與自動(dòng)生成，通過精加工提高雷達(dá)罩制造精度，滿足雷達(dá)罩電性能要求。

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